工程科学学报，第38卷，第4期：575580,2016年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.4:575-580,April 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.018:http://journals.ustb.edu.cn 轴向流吸附器内部流场特性 王浩宇)四，刘应书》，吴义民”，郑新港》 1)北京联合大学生物化学工程学院，北京1000232)北京科技大学机械工程学院，北京100083 3)中国科学院过程工程研究所，北京100190 ☒通信作者，E-mail:jdthaoyu@buu.eu.cm 摘要以轴向流吸附器内部流场为研究对象，采用CD软件对其内部气体流动特性进行数值模拟.比较轴向流吸附器内 无气体分布器、仅加装单一多孔板气体分布器、加装多孔板气体分布器与单级挡板相结合等3种方式对吸附器内部流场均匀 分布的影响.未加装气体分布器的轴向流吸附器内部气流分布严重不均：仅加装单一多孔板气体分布器的轴向流吸附器内 部流场的气体流动稍有改善，但气流分布仍不均匀：加装多孔板气体分布器与单级挡板相结合的方式，吸附器内部流场的气 体流动得到明显改善.多孔板气体分布器与单级挡板组合使用时，保持气体分布器开孔率不变，开孔孔径为0.003m时气流 分布最为均匀，效果最好：保持开孔孔径不变，气体分布器的开孔率为0.388时气流分布最为均匀 关键词吸附器；轴向流：流动特性：计算流体动力学；数值模拟 分类号TQ028.1·5 Internal flow characteristics of axial flow absorbers WANG Hao-yu,LIU Ying-shu,WU Yi-min,ZHENG Xin-gang 1)School of Biochemical Engineering,Beijing Union University,Beijing 100023,China 2)School of Mechanical Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China Corresponding author,E-mail:jdthaoyu@buu.edu.cn ABSTRACT The internal flow characteristics of axial flow absorbers were numerically studied by the computational fluid dynamics (CFD)method.The influences of three absorber models on the internal flow uniformity were compared:absorber without a flow dis- tributor,absorber with a single flow distributor,and absorber with the combination of a flow distributor and a baffle.The results show that the flow is severely uneven without a flow distributor,is slightly meliorated with a single flow distributor,and is significantly im- proved with the combination of a flow distributor and a baffle.For the combined configuration,the best flow uniformities are obtained with the pore diameter of 0.003m as the pore opening ratio remains unchanged and with the pore opening ratio of 0.388 as the pore di- ameter does not change. KEY WORDS absorbers:axial flow:flow characteristics:computational fluid dynamics:numerical simulation 轴向流吸附器具有结构简单、操作方便、投资费用 改善产品气浓度.李永玲和刘应书四、胡迪等回、张学 低等特点，在变压吸附气体分离领域应用较多.然而 军等圆研究吸附器的高径比、卧式、径向流式等吸附器 由于变压吸附过程的复杂多变，目前对轴向流吸附器 结构上的改进对吸附器性能的影响，但对于吸附器内 的理论研究还远远落后于生产实际”.刘应书、章新 部流场的研究较少.田津津等刀对吸附器做二维流场 波等-网通过增加多塔、均压、反吹、清洗等工艺步骤 的研究，对气体分布器上开孔分布及入口分布器进行 收稿日期：201601-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51306017)：北京市自然科学基金资助项目(3144032)：北京高等学校青年英才计划资助项目 (YETP1748)
工程科学学报，第 38 卷，第 4 期: 575--580，2016 年 4 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 4: 575--580，April 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 04． 018; http: / /journals． ustb． edu． cn 轴向流吸附器内部流场特性 王浩宇1) ，刘应书2) ，吴义民1) ，郑新港3) 1) 北京联合大学生物化学工程学院，北京 100023 2) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 3) 中国科学院过程工程研究所，北京 100190 通信作者，E-mail: jdthaoyu@ buu． edu． cn 摘 要 以轴向流吸附器内部流场为研究对象，采用 CFD 软件对其内部气体流动特性进行数值模拟． 比较轴向流吸附器内 无气体分布器、仅加装单一多孔板气体分布器、加装多孔板气体分布器与单级挡板相结合等 3 种方式对吸附器内部流场均匀 分布的影响． 未加装气体分布器的轴向流吸附器内部气流分布严重不均; 仅加装单一多孔板气体分布器的轴向流吸附器内 部流场的气体流动稍有改善，但气流分布仍不均匀; 加装多孔板气体分布器与单级挡板相结合的方式，吸附器内部流场的气 体流动得到明显改善． 多孔板气体分布器与单级挡板组合使用时，保持气体分布器开孔率不变，开孔孔径为 0. 003 m 时气流 分布最为均匀，效果最好; 保持开孔孔径不变，气体分布器的开孔率为 0. 388 时气流分布最为均匀． 关键词 吸附器; 轴向流; 流动特性; 计算流体动力学; 数值模拟 分类号 TQ028. 1 + 5 Internal flow characteristics of axial flow absorbers WANG Hao-yu1) ，LIU Ying-shu2) ，WU Yi-min1) ，ZHENG Xin-gang3) 1) School of Biochemical Engineering，Beijing Union University，Beijing 100023，China 2) School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China Corresponding author，E-mail: jdthaoyu@ buu． edu． cn ABSTＲACT The internal flow characteristics of axial flow absorbers were numerically studied by the computational fluid dynamics ( CFD) method． The influences of three absorber models on the internal flow uniformity were compared: absorber without a flow distributor，absorber with a single flow distributor，and absorber with the combination of a flow distributor and a baffle． The results show that the flow is severely uneven without a flow distributor，is slightly meliorated with a single flow distributor，and is significantly improved with the combination of a flow distributor and a baffle． For the combined configuration，the best flow uniformities are obtained with the pore diameter of 0. 003 m as the pore opening ratio remains unchanged and with the pore opening ratio of 0. 388 as the pore diameter does not change． KEY WOＲDS absorbers; axial flow; flow characteristics; computational fluid dynamics; numerical simulation 收稿日期: 2016--01--25 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51306017) ; 北京市自然科学基金资助项目( 3144032) ; 北京高等学校青年英才计划资助项目 ( YETP1748) 轴向流吸附器具有结构简单、操作方便、投资费用 低等特点，在变压吸附气体分离领域应用较多． 然而 由于变压吸附过程的复杂多变，目前对轴向流吸附器 的理论研究还远远落后于生产实际［1］． 刘应书、章新 波等［2--3］通过增加多塔、均压、反吹、清洗等工艺步骤 改善产品气浓度． 李永玲和刘应书［4］、胡迪等［5］、张学 军等［6］研究吸附器的高径比、卧式、径向流式等吸附器 结构上的改进对吸附器性能的影响，但对于吸附器内 部流场的研究较少． 田津津等［7］对吸附器做二维流场 的研究，对气体分布器上开孔分布及入口分布器进行
·576· 工程科学学报，第38卷，第4期 模拟研究，得到一个改进型的气体分布器结构.崔世 纯和陈金娥圆、张吕鸿等网、钟思青等模拟研究单 一的气体分布器的轴向流固定床内部流场特性，但未 提及气体分布器的具体结构及其优化方案. 轴向流吸附器内部流场的气流分布是否均匀，将 直接影响到变压吸附的理论研究结果及实际的气体分 离效果.轴向流吸附器的理论研究大多假设吸附器内 气体流动是均匀分布的活塞流，即巴=0.由于轴 ar 向流吸附器内部流场的气体分布不均将造成沟流、壁 面效应、吸附剂过早被穿透、吸附剂使用不平衡等问 题，将严重影响产品气的产量及纯度，如图1所示.本 图2轴向流吸附器的物理模型 文以轴向流吸附器内部流场为研究对象，对吸附器内 Fig.2 Physical model of the axial flow absorber 部气体的流动特性进行数值模拟，比较轴向流吸附器 内未加气体分布器、加单一多孔板气体分布器、多孔板 气体分布器与单级挡板组合等3种型式对轴向流吸附 器内部流场的气流分布影响，从而为轴向流吸附器的 结构优化设计提出参考依据. 很少通过此处 上要流线 一在此形成空穴 图3气体分布器的物理模型 定床层顶部 Fig.3 Physical model of the flow distributor 死角 表1轴向流吸附器结构尺寸 Table 1 Structure size of the axial flow absorber 结构尺寸 数值 结构尺寸 数值 图1流场分布不均匀的轴向流吸附器 筒体直径/m 0.06 筒体高度/m 0.05 Fig.1 Axial flow absorber with uneven flow distribution 入口直径/m 0.01 入口长度/m 0.02 出口直径/m 0.01 出口长度/m 0.02 1数学模型 分布器小孔开孔直径/m0.003 分布器开孔率 0.5 吸附剂孔隙率 0.5187吸附剂颗粒直径/m0.0016 1.1物理模型 以某小型轴向流吸附器为研究对象建立物理模 (2)动量方程： 型，如图2所示.整个轴向流吸附器包括4个部分：进 口端、多孔板气体分布器、中间吸附剂柱及出口端.吸 P- +p叫，a 附器端部的气流分布器的物理模型如图3所示.轴向 (2) 流吸附器的内部结构尺寸如表1所示 (3)k-e方程： 1.2控制方程 ak 本文研究过程未考虑吸附过程，采用k一ε双方程 P at +P.-pe;(3) 湍流模型 (1)连续性方程： a=0. (4) (1) ax; 式中：u为流速；p为流体密度；t为时间；ua为有效黏
工程科学学报，第 38 卷，第 4 期 模拟研究，得到一个改进型的气体分布器结构． 崔世 纯和陈金娥［8］、张吕鸿等［9］、钟思青等［10］模拟研究单 一的气体分布器的轴向流固定床内部流场特性，但未 提及气体分布器的具体结构及其优化方案． 轴向流吸附器内部流场的气流分布是否均匀，将 直接影响到变压吸附的理论研究结果及实际的气体分 离效果． 轴向流吸附器的理论研究大多假设吸附器内 气体流动是均匀分布的活塞流［11--16］，即 v r = 0． 由于轴 向流吸附器内部流场的气体分布不均将造成沟流、壁 面效应、吸附剂过早被穿透、吸附剂使用不平衡等问 题，将严重影响产品气的产量及纯度，如图 1 所示． 本 文以轴向流吸附器内部流场为研究对象，对吸附器内 部气体的流动特性进行数值模拟，比较轴向流吸附器 内未加气体分布器、加单一多孔板气体分布器、多孔板 气体分布器与单级挡板组合等 3 种型式对轴向流吸附 器内部流场的气流分布影响，从而为轴向流吸附器的 结构优化设计提出参考依据． 图 1 流场分布不均匀的轴向流吸附器 Fig． 1 Axial flow absorber with uneven flow distribution 1 数学模型 1. 1 物理模型 以某小型轴向流吸附器为研究对象建立物理模 型，如图 2 所示． 整个轴向流吸附器包括 4 个部分: 进 口端、多孔板气体分布器、中间吸附剂柱及出口端． 吸 附器端部的气流分布器的物理模型如图 3 所示． 轴向 流吸附器的内部结构尺寸如表 1 所示． 1. 2 控制方程 本文研究过程未考虑吸附过程，采用 k--ε 双方程 湍流模型． ( 1) 连续性方程: ui xi = 0． ( 1) 图 2 轴向流吸附器的物理模型 Fig． 2 Physical model of the axial flow absorber 图 3 气体分布器的物理模型 Fig． 3 Physical model of the flow distributor 表 1 轴向流吸附器结构尺寸 Table 1 Structure size of the axial flow absorber 结构尺寸 数值 结构尺寸 数值 筒体直径/m 0. 06 筒体高度/m 0. 05 入口直径/m 0. 01 入口长度/m 0. 02 出口直径/m 0. 01 出口长度/m 0. 02 分布器小孔开孔直径/m 0. 003 分布器开孔率 0. 5 吸附剂孔隙率 0. 5187 吸附剂颗粒直径/m 0. 0016 ( 2) 动量方程: ρ ui t + ρuj ui xj = ρfi － p xi + x [j μeff ( ui xj + uj x ) ] i ． ( 2) ( 3) k--ε 方程: ρ k t + ρui k xi = x [ ( j μ + μt σ ) k k x ]j + Pk － ρε; ( 3) ρ ε t + ρui ε xi = x [ ( j μ + μt σ ) ε ε x ]j + ε k ( C1εPk － C2ε ρε) ． ( 4) 式中: u 为流速; ρ 为流体密度; t 为时间; μeff为有效黏 · 675 ·
王浩宇等：轴向流吸附器内部流场特性 577 度u=μ+山，μ为分子黏度，4，为湍流黏度，以，=pC 为单位质量力：风=4（受+兰）尝方程中所 2 涉及的经验常数取值为C4=0.09,0.=1.0,。=1.3, Ce=1.44,C2e=1.92. 1.3初始及边界条件 (1)入口条件：入口质量流量为Mass flow inlet,. 104 L.min-. (2)出▣条件：出▣压力为Pressure outlet,101325 Pa. (3)固体壁面条件：u=v=w=0,T=T. (4)气体温度：298K (5)收敛条件：残差的绝对值小于105 图4轴向流吸附器主体结构网格划分图 1.4网格划分及计算条件 Fig.4 Grid graph of the axial flow absorber 采用非结构六面体网格划分，网格总数为 1822135,且具有网格无关性.对气流分布孔附近进行 局部网格加密，如图4所示.气体分布器的网格划分 图，如图5所示.采用有限体积法对方程进行离散，压 力速度耦合采用COUPLED方法. 2模拟结果及分析 2.1无气体分布器 无气体分布器的轴向流吸附器内部流场的速度分 布云图如图6所示.其中图6(a)为无装填吸附剂未考 虑吸附剂阻力情况；图6(b)为装有吸附剂考虑吸附剂 阻力情况.由图6(a)可以看出，未考虑吸附剂阻力的 图5气体分布器网格划分图 轴向流吸附器内部流场的气流分布极不均匀，中心位 Fig.5 Grid graph of the flow distributor 置处的气体流速最大，而两侧区域的气体流速近似为 零.这是由于吸附器内没有流动阻力，气体进入轴向 吸附剂过早被穿透；而两侧区域的气体流速较低，吸附 流吸附器后直接在吸附器中心处流动.中心区域的速 剂的穿透时间较晚.由图6(b)可以看出，考虑吸附剂 度过大，气流直接穿过轴向流吸附器，使得中心区域的 阻力的轴向流吸附器内部流场的气流分布明显改善， 速度ms) 速度/八m) 95 395 29.6 29.6 23.7 23.7 21.7 21.7 19.8 19.7 13.8 13.8 11.9 1.8 9.88 87 38 3 395 3.95 1.98 1.97 (a) 图6无气体分布器的轴向流吸附器中心截面流场的速度分布云图.()无吸附剂：(b)有吸附剂 Fig.6 Velocity contours of the flow field at the center section without a flow distributor:(a)without absorbent:(b)with absorbent
王浩宇等: 轴向流吸附器内部流场特性 度，μeff = μ + μt ; μ 为分子黏度，μt 为湍流黏度，μt = ρCμ k 2 ε ; fi 为单位质量力; Pk = μt ( ui xj + uj x ) i ui xj ; 方程中所 涉及的经验常数取值为 Cμ = 0. 09，σk = 1. 0，σε = 1. 3， C1ε = 1. 44，C2ε = 1. 92． 1. 3 初始及边界条件 ( 1) 入口条件: 入口质量流量为 Mass flow inlet， 104 L·min － 1 ． ( 2) 出口条件: 出口压力为 Pressure outlet，101325 Pa． ( 3) 固体壁面条件: u = v = w = 0，T = Tw ． ( 4) 气体温度: 298 K． ( 5) 收敛条件: 残差的绝对值小于 10 － 5 ． 1. 4 网格划分及计算条件 采用 非 结 构 六 面 体 网 格 划 分，网 格 总 数 为 1822135，且具有网格无关性． 对气流分布孔附近进行 局部网格加密，如图 4 所示． 气体分布器的网格划分 图，如图 5 所示． 采用有限体积法对方程进行离散，压 力速度耦合采用 COUPLED 方法． 图 6 无气体分布器的轴向流吸附器中心截面流场的速度分布云图 . ( a) 无吸附剂; ( b) 有吸附剂 Fig． 6 Velocity contours of the flow field at the center section without a flow distributor: ( a) without absorbent; ( b) with absorbent 2 模拟结果及分析 2. 1 无气体分布器 无气体分布器的轴向流吸附器内部流场的速度分 布云图如图6 所示． 其中图6( a) 为无装填吸附剂未考 虑吸附剂阻力情况; 图 6( b) 为装有吸附剂考虑吸附剂 阻力情况． 由图 6( a) 可以看出，未考虑吸附剂阻力的 轴向流吸附器内部流场的气流分布极不均匀，中心位 置处的气体流速最大，而两侧区域的气体流速近似为 零． 这是由于吸附器内没有流动阻力，气体进入轴向 流吸附器后直接在吸附器中心处流动． 中心区域的速 度过大，气流直接穿过轴向流吸附器，使得中心区域的 图 4 轴向流吸附器主体结构网格划分图 Fig． 4 Grid graph of the axial flow absorber 图 5 气体分布器网格划分图 Fig． 5 Grid graph of the flow distributor 吸附剂过早被穿透; 而两侧区域的气体流速较低，吸附 剂的穿透时间较晚． 由图 6( b) 可以看出，考虑吸附剂 阻力的轴向流吸附器内部流场的气流分布明显改善， · 775 ·
·578· 工程科学学报，第38卷，第4期 说明吸附剂颗粒本身对气体均匀分布有一定影响.由 图6(b)还可以看出，轴向流吸附器进气口正前方、吸 附剂中心位置处的速度仍然较大，气流分布仍不均匀. 这说明在轴向流吸附器内部采取必要措施，对气流分 布进行改善是非常必要的 2.2单一多孔板分布器 加装单一气流分布器的轴向流吸附器内部流场的 轴向速度分布情况如图7所示.由图7可以看出，添 加多孔板气体分布器后中间流体的流动速度被有效降 低，使得轴向流吸附器内部流场的气体分布得到一些 改善.在z=0.002m处，气体刚进入吸附器装填层，由 于气流分布孔的开孔分布影响，吸附器两侧壁面附近 的速度偏大，最大值为1.05ms:吸附器中心位置处 的速度偏小，最小值仅为0.6ms,速度相差较大. 图8多孔板气体分布器与单级挡板相结合的吸附器物理模型 因此，需要进一步改善轴向流吸附器内部流场的气体 Fig.8 Physical model of an axial flow absorber with a distributor and 分布.笔者认为可采取多孔板气体分布器与单级挡板 a single baffle 组合的方法改善内部气体的均匀分布. 型式可进一步改善吸附器的气体流场分布.z=0.002 12 m上两侧气体流速略大于中心位置气体流速.这是由 于多孔板气体分布器上的开孔率及开孔直径是任意设 置的，经单级挡板阻断后的气体正好射进旁边气体分 布器的开孔孔内，造成此位置的气体流动速度较高. 0.6 因此有针对性改进多孔板气体分布器上的开孔直径及 开孔率，避开侧面冲击，吸附器内流场的均匀性将明显 0.4 -=0.002m 提高.在下文的研究中，将重点分析多孔板气体分布 0.2 器与单级挡板组合的轴向流吸附器内的气体分布 情况. 0.03 -0.02 -0.010 0.01 0.02 0.03 吸附器径向长度 1.2 图7单一气流分布器对轴向流吸附器内部流场的轴向速度的 影响 Fig.7 Effect of a single flow distributor on the axial velocity of the 0.8 flow field in the axial flow absorber 2.3多孔板气体分布器与单级挡板组合 采用单一多孔板气体分布器后的轴向流吸附器气 0.4 ·一=0.002m 流分配仍不均匀，且伴有吸附剂颗粒流化现象.根据 0.2 参考文献7-19]可知，在距离轴向流吸附器进口端 0.032m的位置处设置一个直径0.02m的圆柱形单级 003 -0.02-0.010 0.01 0.020.03 吸附器径向长度m 挡板，使气体进入吸附器后先遇到单级挡板受阻并被 图9分布器加单级挡板对轴向流吸附器内部流场的轴向速度 挤向两侧，气体再由多孔板气体分布器分流进入吸附 的影响 剂装填层，这样气流更为均匀.轴向流吸附器内加装 Fig.9 Effect of the combination of a flow distributor and a single 多孔板气体分布器和单级挡板的物理模型如图8 baffle on the axial velocity of the flow field in the axial flow absorber 所示. 气流分布器加单级挡板的轴向流吸附器内部流场 2.4多孔板气体分布器的改进方案 的气流轴向速度分布情况如图9所示.由图9可以看 2.4.1相同孔隙率和不同孔径 出，z=0.002m上的流速基本呈左右对称分布，流速差 由以上分析可知，改进多孔板气体分布器上的开 异较小，说明吸附器内气体流速分布较之前有很大改 孔直径及开孔率可改善轴向流吸附器内流场分布.为 善.可见采用多孔板气体分布器与单级挡板相结合的 了研究多孔板气体分布器的开孔直径对气体流动均匀
工程科学学报，第 38 卷，第 4 期 说明吸附剂颗粒本身对气体均匀分布有一定影响． 由 图 6( b) 还可以看出，轴向流吸附器进气口正前方、吸 附剂中心位置处的速度仍然较大，气流分布仍不均匀． 这说明在轴向流吸附器内部采取必要措施，对气流分 布进行改善是非常必要的． 2. 2 单一多孔板分布器 加装单一气流分布器的轴向流吸附器内部流场的 轴向速度分布情况如图 7 所示． 由图 7 可以看出，添 加多孔板气体分布器后中间流体的流动速度被有效降 低，使得轴向流吸附器内部流场的气体分布得到一些 改善． 在 z = 0. 002 m 处，气体刚进入吸附器装填层，由 于气流分布孔的开孔分布影响，吸附器两侧壁面附近 的速度偏大，最大值为 1. 05 m·s － 1 ; 吸附器中心位置处 的速度偏小，最小值仅为 0. 6 m·s － 1，速度相差较大． 因此，需要进一步改善轴向流吸附器内部流场的气体 分布． 笔者认为可采取多孔板气体分布器与单级挡板 组合的方法改善内部气体的均匀分布． 图 7 单一气流分布器对轴向流吸附器内部流场的轴向速度的 影响 Fig． 7 Effect of a single flow distributor on the axial velocity of the flow field in the axial flow absorber 2. 3 多孔板气体分布器与单级挡板组合 采用单一多孔板气体分布器后的轴向流吸附器气 流分配仍不均匀，且伴有吸附剂颗粒流化现象． 根据 参考文献［17--19］可知，在距离轴向流吸附器进口端 0. 032 m 的位置处设置一个直径 0. 02 m 的圆柱形单级 挡板，使气体进入吸附器后先遇到单级挡板受阻并被 挤向两侧，气体再由多孔板气体分布器分流进入吸附 剂装填层，这样气流更为均匀． 轴向流吸附器内加装 多孔板气体分布 器 和 单 级 挡 板 的 物 理 模 型 如 图 8 所示． 气流分布器加单级挡板的轴向流吸附器内部流场 的气流轴向速度分布情况如图 9 所示． 由图 9 可以看 出，z = 0. 002 m 上的流速基本呈左右对称分布，流速差 异较小，说明吸附器内气体流速分布较之前有很大改 善． 可见采用多孔板气体分布器与单级挡板相结合的 图 8 多孔板气体分布器与单级挡板相结合的吸附器物理模型 Fig． 8 Physical model of an axial flow absorber with a distributor and a single baffle 型式可进一步改善吸附器的气体流场分布． z = 0. 002 m 上两侧气体流速略大于中心位置气体流速． 这是由 于多孔板气体分布器上的开孔率及开孔直径是任意设 置的，经单级挡板阻断后的气体正好射进旁边气体分 布器的开孔孔内，造成此位置的气体流动速度较高． 因此有针对性改进多孔板气体分布器上的开孔直径及 开孔率，避开侧面冲击，吸附器内流场的均匀性将明显 提高． 在下文的研究中，将重点分析多孔板气体分布 器与单级挡板组合的轴向流吸附器内的气体分布 情况． 图 9 分布器加单级挡板对轴向流吸附器内部流场的轴向速度 的影响 Fig． 9 Effect of the combination of a flow distributor and a single baffle on the axial velocity of the flow field in the axial flow absorber 2. 4 多孔板气体分布器的改进方案 2. 4. 1 相同孔隙率和不同孔径 由以上分析可知，改进多孔板气体分布器上的开 孔直径及开孔率可改善轴向流吸附器内流场分布． 为 了研究多孔板气体分布器的开孔直径对气体流动均匀 · 875 ·
王浩宇等：轴向流吸附器内部流场特性 ·579 性的影响，保持气体分布器上开孔率e=0.388不变， 如图10所示.其中图10(a)中开孔孔径为0.003m:图 将气体分布器上开孔直径进行相应调整并进行对比研 10(b)中开孔孔径为0.004m;图10(c)中开孔孔径为 究.三种相同开孔率不同开孔直径的气体分布器结构 0.005m. ()A型 (b)B型 (e)C型 图10相同开孔率不同开孔直径的气体分布器示意图 Fig.10 Structure diagram of flow distributors with the same pore opening ratio and different hole diameters 针对气流分布器加单级挡板的轴向流吸附器，气 内部流场气体轴向速度分布最不均匀，最大和最小速 流分布器开孔直径对轴向流吸附器内部流场的轴向速 度差较大，速度差为2.5ms1;当e=0.232时，轴向 度影响情况如图11所示.由图11可以看出，当z= 流吸附器内部流场气体轴向速度分布有所改善，最大 0.002m、开孔率不变的情况下，增大开孔直径d,轴向 和最小速度差变小，速度差为1m·sl:当e=0.388 流吸附器中心截面流场的速度变化较为明显，且轴向 时，轴向流吸附器内部流场气体轴向速度分布最为均 速度分布的不均匀性明显增强.根据以上分析可得出 匀，最大和最小速度差最小，速度差为0.25m·s:当 结论：开孔率不变时，减小中心区域的开孔孔径及布孔 e=0.432时，轴向流吸附器内部流场气体轴向速度分 层数，可以有效减小中心区域的气体流动速度：同时增 布又变得不均匀，最大和最小速度差变大，速度差为 大边缘区域的开孔孔径及布孔层数，可以大大增大边 0.75ms.对比图12中各种开孔率下的轴向速度分 缘区域的气体流动速度 布，e=0.388时轴向流吸附器内部流场的轴向速度分 1.2 布明显优于其他三种情况，即布气效果得到改善.因 此，对于本文的工况，建议气流分布器的开孔率取 0.388 3.5 。e=0.158 0.6 3.0 +-e=0.232 e=0.388 2.5 e=0.423 0.4 =0.002m,d0.003m ◆-x-0.002m,d-0.004m 2.0 0.2 -0.002m,d-0.005m 1.5 0.03 -0.02 -0.01 00.01 0.02 0.03 吸附器径向长度m 图11气流分布器开孔直径对轴向流吸附器内部流场的轴向速 度的影响 6.03 -0.02 -0.0100.01 0.02 0.03 Fig.I Effect of the hole diameter of the flow distributor on the axial 吸附器径向长度/m velocity of the flow field in the axial flow absorber 图12气流分布器开孔率对轴向流吸附器内部流场的轴向速度 2.4.2相同孔径和不同孔隙率 的影响 保持气流分布器上开孔孔径不变，气流分布器开 Fig.12 Effect of the opening ratio of the flow distributor on the axial velocity of the flow field in the axial flow absorber 孔率对轴向流吸附器内部流场的轴向速度影响情况如 图12所示.开孔孔径为3mm不变，开孔率e分别为 3 0.158、0.232、0.388和0.423.由图12可以看出：在 结论 z=0.002m的位置处，当e=0.158时，轴向流吸附器 (1)未加装气体分布器时，大部分气体从轴向流
王浩宇等: 轴向流吸附器内部流场特性 性的影响，保持气体分布器上开孔率 e = 0. 388 不变， 将气体分布器上开孔直径进行相应调整并进行对比研 究． 三种相同开孔率不同开孔直径的气体分布器结构 如图 10 所示． 其中图 10( a) 中开孔孔径为 0. 003 m; 图 10( b) 中开孔孔径为 0. 004 m; 图 10( c) 中开孔孔径为 0. 005 m． 图 10 相同开孔率不同开孔直径的气体分布器示意图 Fig． 10 Structure diagram of flow distributors with the same pore opening ratio and different hole diameters 针对气流分布器加单级挡板的轴向流吸附器，气 流分布器开孔直径对轴向流吸附器内部流场的轴向速 度影响情况如图 11 所示． 由图 11 可以看出，当 z = 0. 002 m、开孔率不变的情况下，增大开孔直径 d，轴向 流吸附器中心截面流场的速度变化较为明显，且轴向 速度分布的不均匀性明显增强． 根据以上分析可得出 结论: 开孔率不变时，减小中心区域的开孔孔径及布孔 层数，可以有效减小中心区域的气体流动速度; 同时增 大边缘区域的开孔孔径及布孔层数，可以大大增大边 缘区域的气体流动速度． 图 11 气流分布器开孔直径对轴向流吸附器内部流场的轴向速 度的影响 Fig． 1 Effect of the hole diameter of the flow distributor on the axial velocity of the flow field in the axial flow absorber 2. 4. 2 相同孔径和不同孔隙率 保持气流分布器上开孔孔径不变，气流分布器开 孔率对轴向流吸附器内部流场的轴向速度影响情况如 图 12 所示． 开孔孔径为 3 mm 不变，开孔率 e 分别为 0. 158、0. 232、0. 388 和 0. 423． 由图 12 可以看出: 在 z = 0. 002 m 的位置处，当 e = 0. 158 时，轴向流吸附器 内部流场气体轴向速度分布最不均匀，最大和最小速 度差较大，速度差为 2. 5 m·s － 1 ; 当 e = 0. 232 时，轴向 流吸附器内部流场气体轴向速度分布有所改善，最大 和最小速度差变小，速度差为 1 m·s － 1 ; 当 e = 0. 388 时，轴向流吸附器内部流场气体轴向速度分布最为均 匀，最大和最小速度差最小，速度差为 0. 25 m·s － 1 ; 当 e = 0. 432 时，轴向流吸附器内部流场气体轴向速度分 布又变得不均匀，最大和最小速度差变大，速度差为 0. 75 m·s － 1 ． 对比图 12 中各种开孔率下的轴向速度分 布，e = 0. 388 时轴向流吸附器内部流场的轴向速度分 布明显优于其他三种情况，即布气效果得到改善． 因 此，对于 本 文 的 工 况，建 议 气 流 分 布 器 的 开 孔 率 取 0. 388． 图 12 气流分布器开孔率对轴向流吸附器内部流场的轴向速度 的影响 Fig． 12 Effect of the opening ratio of the flow distributor on the axial velocity of the flow field in the axial flow absorber 3 结论 ( 1) 未加装气体分布器时，大部分气体从轴向流 · 975 ·
580 工程科学学报，第38卷，第4期 吸附器内中心位置穿过，容易造成吸附器中心部分吸 (田津津，张玉文，王锐.变压吸附系统气流分布器结构的数 附剂过早被穿透：仅加装单一多孔板气体分布器，轴向 值模拟计算及分析.低温工程，2005(4)：45) 流吸附器内部流场的气体分布稍有改善，但最大和最 [8]Cui S C,Chen J E.Flow field calculation of axial flow fixed bed reactor:mathematical model and calculation method.Shanghai 小轴向速度差值较大，气流分布仍不均匀. Mech,1999,20(3):242 (2)采用多孔板与单级挡板的组合方式，可以改 (崔世纯，陈金娥.轴向流固定床反应器流场计算研究：数学 善轴向流吸附器内部流场的气体分布，但由于气流分 模型与计算方法.上海力学，1999,20(3)：242) 布孔的开孔孔径与开孔率的任意设置产生的侧面冲 ] Zhang L H,Li X G,Jiang B,et al.Numerical simulation of tower 击，导致开孔位置处的速度较大，引起气流的分布 shaft radial flow gas distributor.J Tianjin Univ,2001,34 (5): 不均. 623 (张吕鸿，李鑫钢，姜斌，等.填料塔轴径向气体分布器气体 (3)对多孔板与单级挡板组合使用时的开孔直径 流场的数值模拟.天津大学学报，2001,34(5)：623) 和开孔率进行研究.结果表明，存在一组最佳的开孔 [10]Zhong S Q,Chen Q L,Chen Z Q,et al.Numerical simulation 直径和开孔率，使得气流分布最均匀.在本研究中，开 and experimental verification of the flow field in axial flow fixed 孔直径为0.003m、开孔率为0.388时轴向流吸附器内 bed.J Chem Ind Eng,2005,56(4):632 部流场气流分布的效果最佳，更有利于气流的均匀分 (钟思青，陈庆龄，陈智强，等.轴向流固定床内流场的数值 布.改进和优化多孔板气体分布器上的孔径及开孔 模拟与实验验证.化工学报，2005,56(4)：632) 率，与单级挡板相配合使用，更有利于气流均布 [11]Ning P,Chen Y X.Influence of maldistribution on breakthrough of fixed bed adsorber.Enriron Sci,1998(5):69 (宁平，陈亚雄.边流效应对固定床吸附容量的影响.环境 参考文献 科学，1998(5)：69) [1]Cui H S,Liu Y S,Le K,et al.Numerical simulation of pressure [12]Sun L M,Amar N B,Meunier F.Numerical study on coupled swing adsorption process.Cryog Technol,2004(1):20 heat and mass transfers in an adsorber with external fluid heat- (崔红社，刘应书，乐恺，等.小型变压吸附制氧过程的数值 ing.Heat Recovery Syst CHP,1995.15(1):19 模拟.深冷技术，2004(1)：20) [13]Sun L M,Le Quere P,Levan M D.Numerical simulation of dif- Liu Y S,Bu L B.Technology research of PSA air separation oxy- fusion-imited PSA process models by finite difference methods gen miniaturization.Gases Sep,2006(5):12 Chem Eng Sci,1996,51(24):5341 (刘应书，卜令兵.变压吸附空分制氧微型化技术研究.气体 [14]Silva J A C,Rodrigues A E.Separation of n/iso-paraffins mix- 分离，2006(5)：12) tures by pressure swing adsorption.Sep Purif Technol,1998,13 Zhang X B,Liu Y S,Liu W H,et al.Experiment study on a (3):195 multicolumn PSA oxygen system.Cryogenics,2009(2):43 [15]Cruz P,Santos J C,Magalhaes F D,et al.Simulation of separa- (章新波，刘应书，刘文海，等.多塔变压吸附制氧技术实 tion processes using finite volume method.Comput Chem Eng, 验.低温工程，2009(2)：43) 2005,30(1):83 4]Li Y L,Liu Y S.Impact of ratio of height to diameter on enrich- [16]Ruthven D M,Faroog S,Knaebel K S.Pressure Swing Adsorp- ment process for low concentration and oxygen-bearing coal bed tion.New York:VCH Publishers,1994 methane.J China Coal Soc,2014,39(3)492 071 Xi Y L.Gas distribution device for fixed bed catalytic reactor. (李永玲，刘应书.低浓度含氧煤层气吸附富集过程中吸附塔 Petro-Chem Equip Technol,1990,11(3):2 高径比的影响规律.煤炭学报，2014,39(3)：492) (谢一乐.固定床催化反应器的气体分布装置.石油化工设 Hu D,Jin T,Zhou Z Y,et al.Analysis of features of flow field in 备技术，1990,11(3)：2) horizontal vertical gas flow molecular absorber of large-sized air 08] Design Institute of Yanshan Petrochemical Corporation.Steel Tu- separation plant.Cryog Technol,2011(4):56 bular Fixed Tube Plate Heat Exchanger Design Manual.Shang- (胡迪，金滔，周智勇，等.大型空分设备卧式垂直气流分子 hai:Central Station of Equipment Design Technology in Chemical 筛吸附器内的流场特征分析.深冷技术，2011(4)：56) Industry,1984 [6 Zhang X J,Wang X L,Lu J L,et al.Numerical simulation of (燕山石油化学总公司设计院.钢制列管式固定管板换热器 vertical radial flow absorber used in air separation unit.J Eng 结构设计手册.上海：化学工业部设备设计技术中心站， Thermophys,2013,34(5):822 1984) (张学军，王晓蕾，陆军亮，等.空分用立式径向流分子筛吸 [9]Central Station of Equipment Design Technology in Chemical In- 附器数值模拟.工程热物理学报，2013,34(5)：822) dustry.Chemical Equipment Structure Atlas.Shanghai:Shanghai 7]Tian J J,Zhang Y W,Wang R.Numerical simulation of flow dis- Science and Technology Press,1979 tributor of pressure swing adsorption system.Cryogenics,2005 (化工部设备设计技术中心站.化工设备结构图册.上海： (4):45 上海科技出版社，1979)
工程科学学报，第 38 卷，第 4 期 吸附器内中心位置穿过，容易造成吸附器中心部分吸 附剂过早被穿透; 仅加装单一多孔板气体分布器，轴向 流吸附器内部流场的气体分布稍有改善，但最大和最 小轴向速度差值较大，气流分布仍不均匀． ( 2) 采用多孔板与单级挡板的组合方式，可以改 善轴向流吸附器内部流场的气体分布，但由于气流分 布孔的开孔孔径与开孔率的任意设置产生的侧面冲 击，导致 开 孔 位 置 处 的 速 度 较 大，引起气流的分布 不均． ( 3) 对多孔板与单级挡板组合使用时的开孔直径 和开孔率进行研究． 结果表明，存在一组最佳的开孔 直径和开孔率，使得气流分布最均匀． 在本研究中，开 孔直径为 0. 003 m、开孔率为 0. 388 时轴向流吸附器内 部流场气流分布的效果最佳，更有利于气流的均匀分 布． 改进和优化多孔板气体分布器上的孔径及开孔 率，与单级挡板相配合使用，更有利于气流均布． 参 考 文 献 ［1］ Cui H S，Liu Y S，Le K，et al． Numerical simulation of pressure swing adsorption process． Cryog Technol，2004( 1) : 20 ( 崔红社，刘应书，乐恺，等． 小型变压吸附制氧过程的数值 模拟． 深冷技术，2004( 1) : 20) ［2］ Liu Y S，Bu L B． Technology research of PSA air separation oxygen miniaturization． Gases Sep，2006( 5) : 12 ( 刘应书，卜令兵． 变压吸附空分制氧微型化技术研究． 气体 分离，2006( 5) : 12) ［3］ Zhang X B，Liu Y S，Liu W H，et al． Experiment study on a multicolumn PSA oxygen system． Cryogenics，2009( 2) : 43 ( 章新波，刘应书，刘文海，等． 多塔变压吸附制氧技术实 验． 低温工程，2009( 2) : 43) ［4］ Li Y L，Liu Y S． Impact of ratio of height to diameter on enrichment process for low concentration and oxygen-bearing coal bed methane． J China Coal Soc，2014，39( 3) : 492 ( 李永玲，刘应书． 低浓度含氧煤层气吸附富集过程中吸附塔 高径比的影响规律． 煤炭学报，2014，39( 3) : 492) ［5］ Hu D，Jin T，Zhou Z Y，et al． Analysis of features of flow field in horizontal vertical gas flow molecular absorber of large-sized air separation plant． Cryog Technol，2011( 4) : 56 ( 胡迪，金滔，周智勇，等． 大型空分设备卧式垂直气流分子 筛吸附器内的流场特征分析． 深冷技术，2011( 4) : 56) ［6］ Zhang X J，Wang X L，Lu J L，et al． Numerical simulation of vertical radial flow absorber used in air separation unit． J Eng Thermophys，2013，34( 5) : 822 ( 张学军，王晓蕾，陆军亮，等． 空分用立式径向流分子筛吸 附器数值模拟． 工程热物理学报，2013，34( 5) : 822) ［7］ Tian J J，Zhang Y W，Wang Ｒ． Numerical simulation of flow distributor of pressure swing adsorption system． Cryogenics，2005 ( 4) : 45 ( 田津津，张玉文，王锐． 变压吸附系统气流分布器结构的数 值模拟计算及分析． 低温工程，2005( 4) : 45) ［8］ Cui S C，Chen J E． Flow field calculation of axial flow fixed bed reactor: mathematical model and calculation method． Shanghai J Mech，1999，20( 3) : 242 ( 崔世纯，陈金娥． 轴向流固定床反应器流场计算研究: 数学 模型与计算方法． 上海力学，1999，20( 3) : 242) ［9］ Zhang L H，Li X G，Jiang B，et al． Numerical simulation of tower shaft radial flow gas distributor． J Tianjin Univ，2001，34 ( 5) : 623 ( 张吕鸿，李鑫钢，姜斌，等． 填料塔轴径向气体分布器气体 流场的数值模拟． 天津大学学报，2001，34( 5) : 623) ［10］ Zhong S Q，Chen Q L，Chen Z Q，et al． Numerical simulation and experimental verification of the flow field in axial flow fixed bed． J Chem Ind Eng，2005，56( 4) : 632 ( 钟思青，陈庆龄，陈智强，等． 轴向流固定床内流场的数值 模拟与实验验证． 化工学报，2005，56( 4) : 632) ［11］ Ning P，Chen Y X． Influence of maldistribution on breakthrough of fixed bed adsorber． Environ Sci，1998( 5) : 69 ( 宁平，陈亚雄． 边流效应对固定床吸附容量的影响． 环境 科学，1998( 5) : 69) ［12］ Sun L M，Amar N B，Meunier F． Numerical study on coupled heat and mass transfers in an adsorber with external fluid heating． Heat Ｒecovery Syst CHP，1995，15( 1) : 19 ［13］ Sun L M，Le Quere P，Levan M D． Numerical simulation of diffusion-limited PSA process models by finite difference methods． Chem Eng Sci，1996，51( 24) : 5341 ［14］ Silva J A C，Ｒodrigues A E． Separation of n /iso-paraffins mixtures by pressure swing adsorption． Sep Purif Technol，1998，13 ( 3) : 195 ［15］ Cruz P，Santos J C，Magalhaes F D，et al． Simulation of separation processes using finite volume method． Comput Chem Eng， 2005，30( 1) : 83 ［16］ Ｒuthven D M，Farooq S，Knaebel K S． Pressure Swing Adsorption． New York: VCH Publishers，1994 ［17］ Xi Y L． Gas distribution device for fixed bed catalytic reactor． Petro-Chem Equip Technol，1990，11( 3) : 2 ( 谢一乐． 固定床催化反应器的气体分布装置． 石油化工设 备技术，1990，11( 3) : 2) ［18］ Design Institute of Yanshan Petrochemical Corporation． Steel Tubular Fixed Tube Plate Heat Exchanger Design Manual． Shanghai: Central Station of Equipment Design Technology in Chemical Industry，1984 ( 燕山石油化学总公司设计院． 钢制列管式固定管板换热器 结构设计手册． 上海: 化学工业部设备设计技术中心站， 1984) ［19］ Central Station of Equipment Design Technology in Chemical Industry． Chemical Equipment Structure Atlas． Shanghai: Shanghai Science and Technology Press，1979 ( 化工部设备设计技术中心站． 化工设备结构图册． 上海: 上海科技出版社，1979) · 085 ·