研究与开发 径向吸附塔的流场模拟及优化

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程 橙等 径向吸附塔的流场模拟及优化
研究与开发
剂床层到达集流流道， 就通过分流流道从上部吸附 剂床层穿过， 这样导致了分流流道 2 侧和靠近上部 的吸附剂很快被穿透， 而靠近集流流道的吸附剂尚 未达到吸附饱和。同时，吸附剂床层各处气体的流速 非常不均匀，各处吸附剂穿透不一致，影响吸附效率。
由图 3 可知，因吸附塔结构的对称性，塔中心 vr 为 0，分流流道中的气体都向塔中心流动和集中。 塔 壁处速度为 0，然后沿着 径 向 逐 渐 增 大 ，在 r=1.2 m 处速度达到最大。气体进入吸附剂层后，受到的阻力 逐渐增大，速度会逐渐减小。 这样的结果是 r=1.2 m 附近的吸附剂可能很快被穿透而塔壁附近的吸附剂 尚未吸附饱和，造成了吸附不均匀，吸附剂利用率低。
(a) z=5 m
不一致的情况会得到改善。 而当高径比再继续增大 到3.0 时，吸附剂床层中气体速度反而有所降低。 这 是因为当附剂床层太高时， 床层中对于待处理气体 的阻力太大，会大大降低气体流速。达不到提高工作 效率的目的。
从计算看出，吸附塔的高径比太大，吸附剂对于 气体的阻力太大，造成气体速度太小，吸附时间会太 长，而且大高径比的装置生产费用较高；吸附剂高径 比太小，待处理气体速度太大，气体在塔内的停留时 间太短，还未达到吸附饱和就流出吸附塔，造成吸附 剂的浪费。 所以综合考虑，高径比为 2.5 时比为 1.75 和 3.0 时都好。
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研究与开发
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程 橙等 径向吸附塔的流场模拟及优化
径向吸附塔的流场模拟及优化
研究与开发
程 橙 王 煤 陈 果 涂开慧 （四川大学化工学院，成都 610065）
摘要 利用计算流体力学方法和流体计算软件 FLUENT，对变压吸附系统常用的径向吸附
塔进行了数值模拟，对吸附塔内的流场进行了计算和分析，考察了吸附塔高径比对流场的
图 4 是 吸 附 塔 z=4 m、5 m 和 6 m 处 的 轴 向 速 度 vz 的分布。
图 4 不同高度处轴向速度分布 Fig 4 Axial velocity distribution of different h
从图 4 可以看出，分流流道中气体流速很大，但 是随着进入吸附剂，气体轴向速度降低很快。在 z=4 m 和 z=5 m 处，集流流道中气体速度较小，随着高度 的增加速度增加，到 z=6 m 处增加到 2.5 m/s。 这说 明大量的待处理气体还来不及从径向完全穿透吸附
参考文献
[1] 张成芳,朱子彬,徐懋生,等. 径向反应器流体均布设计的研 究[J]. 化学学报, 1979(1): 67-90.
[2] 穆斌,高韦,贾金明,等. 计算流体力学在填充床反应器中的 应用进展[J]. 化学反应工程与工艺, 2005,21(2): 149-156.
数学模型如下 。 [7-8]
连续性方程：
1 r
坠 坠r
(ρvr
)+
坠 坠z
(ρvz )=0
；
(1)
动量方程：
坠（ρvr vr ） 坠r
＋vz
坠vr 坠z
＝
坠 坠r
(
1 r
μeff
坠rvr 坠r
)+μeff(
坠vr 2 坠z2
)-
坠p 坠r
+Sr
；
(2)
坠（ρvzvz） 坠r
＋vz
坠vz 坠z
＝
坠 坠r
(
1 r
μeff
坠rvz 坠r
)+μeff(Hale Waihona Puke Baidu
坠vz2 坠z2
)-
坠p 坠r
+Sz
；
(3)
湍动能：
1 r
坠（ρvr 坠r
k）
+
坠（ρvzk） 坠r
z z z z ＝
坠 坠r
(μ+
μt σk
)
坠k 坠r
+
坠 坠z
(μ+
μt σk
)
坠k 坠z
+Gk+ρε;(4)
耗散能：
1 r
坠（ρvr 坠r
ε）
+
坠（ρvzε） 坠r
DOI 10.3969/j.issn.1006-6829.2012.01.010
目前， 国内变压吸附系统使用的吸附塔大多是 从塔底部进气的固定床填料塔。 由于吸附过程主要 是依靠气体通过吸附剂的传质过程完成，所以，气体 在吸附剂床层的分布对于吸附剂的有效利用和气体 吸附效率有着重大的影响。 径向吸附塔相对于轴向 吸附塔具有床层压降小、 能强制气体均匀分布等优 点， 有些变压吸附系统的吸附塔已经由传统的轴向 吸附塔改变为径向吸附塔[1]。
1.3 边界条件
1) 进 口 ： 忽 略 吸 附 塔 内 的 压 降 ， 且 待 处 理 气 体 作
为不可压缩气体处理，进口边界条件设为速度进口，
根据工业实际操作情况，入口速度设为 12 m/s；
2)出口：设为压力出口；
3)壁面：无滑移，各项速度为 0。
1.4 网格划分和计算方法 选择结构化网格，网格节点 39 522 个。 采用有
图6 改进后吸附塔结构 Fig 6 Improved adsorption tower structure
图 7 是 改 进 后 的 吸 附 塔 4 m、5 m 和 6 m 处 的 轴向速度分布。
从图 7 中可以看出，与改进前相比，待处理气体 在吸附剂床层中的流速和集流流道中的速度显著提 高。 说明从分流流道穿透吸附剂床层各处到达集流 流道的气体大大增加。 这不仅大大改善了出口气体
图 8 比较了 3 种情况下吸附塔在同一半径处的 轴向速度分布。
图 8 优化前后 z=5 处轴向速度分布 Fig 8 Axial velocity distribution before and after optimization(z=5)
由 8 图可知，改进后的 2 种结构，气体在吸附剂 床层的速度增大，优化后的吸附塔结构，在增大吸附 剂床层气体速度的情况下， 气体速度均匀性也得到 改善，吸附效果会更好。
2012 年第 19 卷第 1 期
化工生产与技术
Chemical Production and Technology
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图 2 计算区域及坐标系 Fig 2 The calculation area and coordinate system
1.2 数学模型
假设径向流动吸附床等温且为牛顿型流体，其
(b) z=6 m 图 5 不同高径比轴向速度 Fig 5 Axial velocity on different h/d
由图 5 可知，高径比为 1.75 时，分 流 流 道 中 气 体最大速度为 0.4 m，床层中气体最大速度为 0.5 m/s， 气体速度不均匀；当高径比增加到 2.5 时，分流流道 中气体最大速度增大至 4.8 m/s，吸附剂床层中气体 速度均在 2.5 m/s 左右。 这说明，高径比由 1.75 增加 到 2.5 时，气体进入吸附剂中速度明显增大，提高了 工作效率。 虽然此时气体与吸附剂的接触时间会有 所减少，但是气体速度均匀性大大增加，吸附剂穿透
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图 7 改进后轴向速度分布 Fig 7 Improved axial velocity distribution 的质量，也大大提高了吸附剂的使用效率，达到了预
期的改进效果。从图 7 中也可以看到，气体穿透的不 均匀性也得到了较好的改善。轴向速度大大的提高， 使得待处理气体在吸附剂床层中的停留时间大大减 少，这样容易出现气体吸附不够充分的问题。因此对 吸附塔做进一步的改进，即对孔进行了双向调节，主 要是针对孔径、开孔密度、孔间的间距作为调整参数。
通过以上分析可知， 改造和优化径向吸附塔结 构对于改善吸附效果和提高吸附剂的使用效率都是 非常重要的。 2.2 高径比的影响
径向吸附塔中待处理气体的流动状况不仅受到 吸附塔内部结构的影响， 也受到吸附塔的高径比的 影响。 图 5 比较了高径比（h/d）为 1.75、2.5 和 3.0 这 3 种情况下，高度 5 m 与 6 m 处轴向速度分布。
3) 改 进 后 的 吸 附 塔 达 到 了 预 期 的 优 化 效 果 ， 不 但增加了处理气体通过吸附床层的速度和速度分布 的均匀性，同时也保证了气体的停留时间。这对于工 业上的实际应用非常重要的；
4)计算结果表明，即使优化了吸附塔的某些 部 位还是存在“死区”，“死区”的存在减少了吸附剂的 有效利用。对于“死区”的存在，还是应该通过改变吸 附塔的结构来进行优化。
4 结论
1) 对 径 向 变 压 吸 附 制 氧 塔 中 气 体 的 流 动 情 况 进 行了计算， 发现改进前大量气体未完全吸附就直接 流出吸附塔，吸附效果不理想；吸附塔高径比对塔内 气体的分布有比较明显的影响；
2)在此基础上，对径向吸附塔的结构进行了 改 进，增加了挡板，通过挡板的作用，改善了气体在塔 内的流动状况， 初步优化了气体在吸附塔内的流动 状况；同时考虑了开孔调节，进一步优化了吸附塔的 结构；
近年来， 对固定床内流场的研究越来越多地采 用计算流体力学的方法进行[2]。 钟思青等使用 CFX 软件对固定床反应器内流场进行了计算，并比较了加 入气体分布器后的流动状况，计算结果与实验吻合[3]； 刘永兵等建立了固定床内流体流动的数学模型，模 拟 结 果 与 实 验 结 果 吻 合 [4]；马 素 娟 等 数 值 模 拟 了 径 向 流固定床反应器内的流动， 得到了反应器内的速度 和压力分布情况[5]；S Natarajan、A Jafari、H Freund 等 人用 CFD 计算了流体通过填料塔的流场分布并 和 实验数据做了对比[4]。 目前，工业上使用的径向吸附 塔的吸附剂利用率不高，吸附效率较低，而对此问题 的研究则较少。
本文采用计算流体力学软件 FLUENT， 数值模 拟了工业用径向变压吸附制氧吸附塔内流场， 考察 了吸附塔高径比对流场的影响， 并对吸附塔的结构 进行了优化和改进。
1 吸附塔模型的建立
1.1 物理模型 某工业用径向制氧吸附塔如图 1 所示， 吸附塔
的布气系统由分流流道和集流流道组成， 吸附塔床 层位于两流道之间[6]。 被吸附气体从塔底进气口进 入，然后通过分流流道，由侧孔进入吸附剂床层。 沿 径向流过吸附剂，进入集流流道，由吸附塔顶部出气 口流出。
3 改进和优化
对于原结构吸附塔的模拟计算可知， 分流流道 中气体的速度较大， 而吸附剂床层和集流流道中气 体速度很小，导致大量待处理气体未达到吸附效果， 就分流流道快速穿透上部吸附剂床层而流出。 改进 的思路是在集流流道两侧增加挡板， 强迫待处理气 体通过吸附床层（如图 6 所示）。 改进后的吸附塔的 挡板跟集流流道的距离是 240 mm。 挡板下部与下 挡板的距离是 350 mm。 这样做，不仅可以迫使气体 通过吸附床层， 而且可以增大气体通过吸附床层的 速度，使整个吸附床层得到更有效的利用。
图 1 吸附塔结构 Fig 1 The structure of adsorption tower 因为吸附塔关于轴向对称， 故计算区域只取一
半，计算区域及坐标系见图 2（r 和 z 分 别 表 示 径 向 和轴向，vr 和 vz 分别表示径向速度和轴向速度）。
收 稿 日 期 ：2011-12-10
影响。 结果表明，工业用径向吸附塔内部的流场分布不均匀，导致吸附剂利用率低，影响
吸附效果。 为此，对吸附塔的结构进行了优化和改进。 计算表明，改进后的吸附塔，流场
分布更为均匀，可明显改善吸附效果，提高吸附剂的利用率。
关键词 变压吸附塔；FLUENT；流场分布；优化。
中图分类号 TQ053.5
文献标识码 A
z z z z ＝
坠 坠r
(μ+
μt σε
)
坠ε 坠r
+
坠 坠z
(μ+
μt σε
)
坠ε 坠z
+
ε k
(C1zGk-C2z
ρε)
。
（5）
式 中 ，ρ 为 空 气 密 度 ，p 为 压 力 ，Sr 和 Sz 分 别 为 径向和轴向动量源项，μ 和 μt 分别为粘度和漩涡粘
度，k 和 ε 分别为湍动能和耗散能，Gk 为由层流速度 梯度产生湍流动能；μeff =μ+μt，μt=ρCμk2/ε。 常数取值： Cμ=0.09，C1z=1.44，C2z=1.92，σε=1.3，σk =1.0。
限体积法离散，压力和速度的耦合采用 SIMPLEC 方 法。 离散化方程的收敛标准为残差小于 10-3。
2 分析与讨论
2.1 速度分布 图 3 为吸附塔 z＝5 m 处径向速度 vr 的分布。
图 3 径向速度分布（z=5 m） Fig 3 Radial velocity distribution (z=5 m)