工程科学学报，第37卷，第1期：9196,2015年1月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.1:91-96,January 2015 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2015.01.014:http://journals..ustb.edu.cn 径向流吸附器布气系统结构对布气效果的影响 王浩宇12)区，刘应书”，孟宇) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)北京联合大学生物化学工程学院，北京100023 ☒通信作者，E-mail:jdthaoyu@bumu.cdu.cm 摘要径向流吸附器内的均匀布气对其性能有重要影响.本文以实验室用小型径向流吸附器为研究对象，建立了三维流 动数学模型，并对径向流吸附器内部的流场进行了数值模拟.对比研究了径向流吸附器内气体流动型式、中心流道与外流道 的截面积比、中心流道开孔率、外流道开孔率等对流场均匀分布的影响.结果表明：径向流吸附器采用向心流动的最为合适， 并且Ⅱ型向心流动略优于Z型向心流动：中心流道与外流道的截面积比为18.9%时，获得最佳布气效果：中心流道开孔率越 小，径向流速度不均匀度值越小，布气效果越好，但开孔率过低将导致布气孔附近局部布气不均匀，能耗增大；外流道开孔率 变化对径向流吸附器内气流均布影响有限. 关键词吸附器：径向流：布气：流道形式：数值分析 分类号TQ028.1·5 Effect of the gas distribution system structure of a radial flow adsorber on gas distribu- tion WANG Hao-→uaa,LIU Ying-shu',MENG Yu” 1)School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Biochemical Engineering,Beijing Union University,Beijing 100023,China Corresponding author,E-mail:jdthaoyu@buu.edu.cn ABSTRACT Uniform gas distribution in a radial flow adsorber plays an essential part in its performance.A 3D hydrodynamic and mathematical model of the radial flow adsorber was developed based on experimental studies.The effects of flow patterns,the cross- section ratio of central channel to outer channel,and the opening ratios of the central channel and the outer channel were comparatively studied by using this model.Radial inward flow was proved to have a better performance than radial outward flow,and the II type of inward flow is a little better than that of the Z type of inward flow.The best effect can be obtained when the cross-section ratio of cen- tral channel to outer channel is 18.9%.The radial non-uniformity of velocity decreases with the decrease of the opening ratio of the central channel,and the effect of flow distribution is better.But if the opening ratio of the central channel is too low,it will cause une- ven local flow distribution and high energy consumption.The opening ratio of the outer channel has a little influence on flow distribu- tion in the radial flow adsorber. KEY WORDS adsorbers:radial flow:flow distribution;flow pattern:numerical analysis 径向流吸附器内气流的均匀分布对其性能有显著 布成为工程开发径向流吸附器的关键问题 影响.随着径向流吸附器直径不断增大，气流的不均 随着计算机和流体模拟技术的不断发展，采用计 匀性也随之增加，造成气流短路、吸附剂利用率低和产 算流体力学(CFD)方法来研究吸附床内气体的流动特 品气纯度降低等问题，因此吸附器内部的气流均匀分 性以及床内压降的变化规律成为一种十分有效的手 收稿日期：2013-1203 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2009AA063201)
工程科学学报，第 37 卷，第 1 期: 91--96，2015 年 1 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 1: 91--96，January 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 01． 014; http: / /journals． ustb． edu． cn 径向流吸附器布气系统结构对布气效果的影响 王浩宇1，2) ，刘应书1) ，孟 宇1) 1) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 2) 北京联合大学生物化学工程学院，北京 100023 通信作者，E-mail: jdthaoyu@ buu． edu． cn 摘 要 径向流吸附器内的均匀布气对其性能有重要影响． 本文以实验室用小型径向流吸附器为研究对象，建立了三维流 动数学模型，并对径向流吸附器内部的流场进行了数值模拟． 对比研究了径向流吸附器内气体流动型式、中心流道与外流道 的截面积比、中心流道开孔率、外流道开孔率等对流场均匀分布的影响． 结果表明: 径向流吸附器采用向心流动的最为合适， 并且 Π 型向心流动略优于 Z 型向心流动; 中心流道与外流道的截面积比为 18. 9% 时，获得最佳布气效果; 中心流道开孔率越 小，径向流速度不均匀度值越小，布气效果越好，但开孔率过低将导致布气孔附近局部布气不均匀，能耗增大; 外流道开孔率 变化对径向流吸附器内气流均布影响有限． 关键词 吸附器; 径向流; 布气; 流道形式; 数值分析 分类号 TQ028. 1 + 5 Effect of the gas distribution system structure of a radial flow adsorber on gas distribution WANG Hao-yu1，2) ，LIU Ying-shu1) ，MENG Yu1) 1) School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Biochemical Engineering，Beijing Union University，Beijing 100023，China Corresponding author，E-mail: jdthaoyu@ buu． edu． cn ABSTＲACT Uniform gas distribution in a radial flow adsorber plays an essential part in its performance． A 3D hydrodynamic and mathematical model of the radial flow adsorber was developed based on experimental studies． The effects of flow patterns，the crosssection ratio of central channel to outer channel，and the opening ratios of the central channel and the outer channel were comparatively studied by using this model． Ｒadial inward flow was proved to have a better performance than radial outward flow，and the Π type of inward flow is a little better than that of the Z type of inward flow． The best effect can be obtained when the cross-section ratio of central channel to outer channel is 18. 9% ． The radial non-uniformity of velocity decreases with the decrease of the opening ratio of the central channel，and the effect of flow distribution is better． But if the opening ratio of the central channel is too low，it will cause uneven local flow distribution and high energy consumption． The opening ratio of the outer channel has a little influence on flow distribution in the radial flow adsorber． KEY WOＲDS adsorbers; radial flow; flow distribution; flow pattern; numerical analysis 收稿日期: 2013--12--03 基金项目: 国家高技术研究发展计划资助项目( 2009AA063201) 径向流吸附器内气流的均匀分布对其性能有显著 影响． 随着径向流吸附器直径不断增大，气流的不均 匀性也随之增加，造成气流短路、吸附剂利用率低和产 品气纯度降低等问题，因此吸附器内部的气流均匀分 布成为工程开发径向流吸附器的关键问题． 随着计算机和流体模拟技术的不断发展，采用计 算流体力学( CFD) 方法来研究吸附床内气体的流动特 性以及床内压降的变化规律成为一种十分有效的手
·92 工程科学学报，第37卷，第1期 段.张成芳等四和Chang等回研究了径向反应器内 剂所吸附，剩下的产品气汇集于出气口而排出.根据 分、集流流道内的静压分布和流道的分布形式等对轴 气体沿床层径向方向的流动方式可分为向心流和离心 向均匀布气的影响.Ponzi等周研究了径向流反应器 流：气体由外向内经过吸附床层为向心流，气体由内向 内气流的均匀分布状况对于反应转化率的影响。宋续 外经过吸附床层为离心流.根据气体在流道中的流动 祺等田研究了四种气体流动型式下径向流反应器内的 方式可分为Z型流动和Ⅱ型流动：气体在外流道和中 流场特性.Hgg等的研究了多床层径向反应器内流 心流道中做同向流动为Z型流动，反之为Ⅱ型流动 体的流动分布和多床层的压力变化情况·王金福 因此径向流吸附器通常有四种基本形式，如图2所示. 等6刀研究了重整径向反应器的主要结构参数对轴向 中，心流道气流分布孔 中心流道 均匀布气的影响，并进行了反应器的优化设计：以上 研究都是将径向床层内的流体流动做了一维简化处 外流道气流分布孔 吸附剂装填层 理，忽略对流体在径向床层内流场特征的研究.徐志 刚等网对轴径向反应器床层流动进行了二维模拟，但 外流道 其重点研究催化剂封内的流体流动，而未对床层主体 的流动行为进行深入分析.李剑锋等回研究了径向流 吸附器内流场压力分布和气体流动的速度分布.李瑞 江等研究了多床层径向流反应器内分、集流流道和 图1径向流吸附器结构示意图 径向床层静压分布以及流速分布.Kareeri等四研究 Fig.I Structure diagram of a radial flow adsorber 了径向流反应器内流体流速沿床层轴向不均匀性分布 的类型.但他们未对径向流吸附器结构和布气系统优 1.1物理模型 化进行相关研究.目前，应用计算流体力学(CFD)方 由于径向流吸附器为圆柱形轴对称结构，所以取 法来研究径向流吸附器布气系统结构的文献还少有 吸附器的1/4体积为计算区域，两侧面为对称面建立 报道. 物理模型，如图3所示.本文以实验室用小型径向流 本文采用三维数值模拟的方法，建立了径向流吸 吸附器为研究对象，并给出吸附器轴线上的结构，其中 附器的三维流动的数学模型，探讨径向流吸附器内气 x为径向坐标，z为轴向坐标，以吸附器进气口末端的 体流动型式、中心流道与外流道的截面积比、中心流道 中心为坐标原点，如图4所示.该吸附器主要结构参 开孔率和外流道开孔率等对径向流吸附器布气效果的 数如表1所示.吸附剂装填区域装有活性碳，单颗粒 影响，从而为径向流吸附器的结构优化设计提出了参 直径为3mm,孔隙率为0.754. 考依据. 1.2数学模型 本文的研究过程中未考虑吸附过程.针对上述研 1数学模型及计算方法 究对象，由于吸附床内一般流速较低，可认为气体是稳 径向流吸附器的主体结构一般由中心流道、吸附 定不可压缩流体，湍流模型采用kε双方程模型，控制 剂装填层、外流道和气流分布孔道等组成，如图1所 方程可表达如下： 示.原料气通过进气口进入吸附塔内，并通过气流分 (1)连续方程： 布孔进入吸附剂装填层，部分气体被装填层中的吸附 7V=0 (1) 图2四种径向流吸附器流动型式.(a)Z型向心流式：(b)Z型离心流式：()Π型向心流式：(d)Π型离心流式 Fig.2 Four flow types of the radial flow adsorber:(a)Z-shaped centripetal flow:(b)Z-shaped centrifugal flow:(c)II-shaped centripetal flow (d)II-shaped centrifugal flow
工程科学学报，第 37 卷，第 1 期 段． 张成芳等［1］ 和 Chang 等［2］ 研究了径向反应器内 分、集流流道内的静压分布和流道的分布形式等对轴 向均匀布气的影响． Ponzi 等［3］研究了径向流反应器 内气流的均匀分布状况对于反应转化率的影响． 宋续 祺等［4］研究了四种气体流动型式下径向流反应器内的 流场特性． Heggs 等［5］研究了多床层径向反应器内流 体的流 动 分 布 和 多 床 层 的 压 力 变 化 情 况． 王 金 福 等［6 － 7］研究了重整径向反应器的主要结构参数对轴向 均匀布气的影响，并进行了反应器的优化设计． 以上 研究都是将径向床层内的流体流动做了一维简化处 理，忽略对流体在径向床层内流场特征的研究． 徐志 刚等［8］对轴径向反应器床层流动进行了二维模拟，但 其重点研究催化剂封内的流体流动，而未对床层主体 的流动行为进行深入分析． 李剑锋等［9］研究了径向流 吸附器内流场压力分布和气体流动的速度分布． 李瑞 江等［10］研究了多床层径向流反应器内分、集流流道和 径向床层静压分布以及流速分布． Kareeri 等［11］研究 了径向流反应器内流体流速沿床层轴向不均匀性分布 的类型． 但他们未对径向流吸附器结构和布气系统优 化进行相关研究． 目前，应用计算流体力学( CFD) 方 法来研究径向流吸附器布气系统结构的文献还少有 报道． 图 2 四种径向流吸附器流动型式． ( a) Z 型向心流式; ( b) Z 型离心流式; ( c) Π 型向心流式; ( d) Π 型离心流式 Fig． 2 Four flow types of the radial flow adsorber: ( a) Z-shaped centripetal flow; ( b) Z-shaped centrifugal flow; ( c) Π-shaped centripetal flow; ( d) Π-shaped centrifugal flow 本文采用三维数值模拟的方法，建立了径向流吸 附器的三维流动的数学模型，探讨径向流吸附器内气 体流动型式、中心流道与外流道的截面积比、中心流道 开孔率和外流道开孔率等对径向流吸附器布气效果的 影响，从而为径向流吸附器的结构优化设计提出了参 考依据． 1 数学模型及计算方法 径向流吸附器的主体结构一般由中心流道、吸附 剂装填层、外流道和气流分布孔道等组成，如图 1 所 示． 原料气通过进气口进入吸附塔内，并通过气流分 布孔进入吸附剂装填层，部分气体被装填层中的吸附 剂所吸附，剩下的产品气汇集于出气口而排出． 根据 气体沿床层径向方向的流动方式可分为向心流和离心 流: 气体由外向内经过吸附床层为向心流，气体由内向 外经过吸附床层为离心流． 根据气体在流道中的流动 方式可分为 Z 型流动和 Π 型流动: 气体在外流道和中 心流道中做同向流动为 Z 型流动，反之为 Π 型流动． 因此径向流吸附器通常有四种基本形式，如图 2 所示． 图 1 径向流吸附器结构示意图 Fig． 1 Structure diagram of a radial flow adsorber 1. 1 物理模型 由于径向流吸附器为圆柱形轴对称结构，所以取 吸附器的 1 /4 体积为计算区域，两侧面为对称面建立 物理模型，如图 3 所示． 本文以实验室用小型径向流 吸附器为研究对象，并给出吸附器轴线上的结构，其中 x 为径向坐标，z 为轴向坐标，以吸附器进气口末端的 中心为坐标原点，如图 4 所示． 该吸附器主要结构参 数如表 1 所示． 吸附剂装填区域装有活性碳，单颗粒 直径为 3 mm，孔隙率为 0. 754． 1. 2 数学模型 本文的研究过程中未考虑吸附过程． 针对上述研 究对象，由于吸附床内一般流速较低，可认为气体是稳 定不可压缩流体，湍流模型采用 k--ε 双方程模型，控制 方程可表达如下: ( 1) 连续方程: Δ V = 0． ( 1) · 29 ·
王浩宇等：径向流吸附器布气系统结构对布气效果的影响 ·93· ·[(台)k]-pe (3) ae盟+t.pve)=-号(G-c)aev+ at T(Te+是Gv-cpeJ, (4) u。=u+Cpk2/e, (5) 式中，μ为黏性系数，P为流体密度，T为黏性应力张 量，k为湍动能，e为耗散率，o.o。C、C2和C,为k-e 双方程湍流模型常数. a (b 1.3初始条件和边界条件 图3径向流吸附器的物理模型图(a)Z型流动：(b)Ⅱ型流动 初始条件为：吸附床入口条件为质量入口，给定入 Fig.3 Physical model of the radial flow adsorber:(a)Z-shaped 口流量为12L·min,初始温度为300K,给定出口压 flow;(b)II-shaped flow 力为101325Pa;壁面上取非渗透性及非滑移条件，各 项速度为零，在吸附器对称面上采用对称边界条件. 为便于对径向流吸附器的布气效果进行比较，对 径向流吸附器的径向速度不均匀度给出定量表征☒. 62 定义径向速度不均匀度M: 110 M,= (6) 式中，F。为吸附床总的横截面积，心，为点i处的流动速 度，为截面平均流动速度.定义如下： a=元0wd服 (7) (a) M值越接近于0，说明径向流吸附器内布气越均 图4径向流吸附器的床层结构图（单位：mm).(a)Z型床层： 匀，效果越好：M值越大，则说明布气越不均匀，偏流越 (b)Ⅱ型床层 为严重. Fig.4 Bed structure of the radial flow adsorber (unit:mm):(a) 1.4网格划分与计算方法 Z-shaped bed:(b)II-shaped bed 对径向流吸附器进行了非结构网格划分，网格数 表1径向流吸附器的主要结构参数 量为944655，并通过了网格无关性检查.由于径向流 Table 1 Structure parameters of the radial flow adsorber mm 吸附器和气流分布器的几何尺寸相差较大，且气流分 结构参数 数值 结构参数 数值 布孔道结构较复杂，所以在气流分布孔周围采用局部 吸附器直径 220 中心流道直径 24 网格加密处理，如图5所示.利用CFD软件Fluent6.3 吸附器长度 210 吸附剂装填层厚度 62 对前述控制方程进行求解，方程离散采用有限体积法， 压力和速度的耦合算法采用COUPLED方法，收敛标 进气口直径 4 外流道宽度 30 准为离散化守恒方程的残差小于105. 进气口长度 40 气流分布孔厚度 3 出气口直径 3 中心流道开孔直径 2 模拟结果与分析 出气口长度 60 外流道开孔直径 8 2.1流道流动型式的影响 (2)动量方程： 图6给出了四种流动型式下，径向速度不均匀度 T·(pVV)=-VP+Vu.VV)+(T)门- M随吸附床径向长度的变化情况.由图6可以看出， (号)+R 在吸附床径向长度上，M曲线呈现出明显的“凹”型分 (2) 布，即中心流道气流分布孔和外流道的气流分布孔与 其中，4。和入为黏性系数，F为微元体质量力. 吸附剂装填区域交界处的M值较大，而在吸附剂装填 (3)k-e方程： 中心区域内的M值偏小且整体趋于平稳.出现上述现 a0.v.(pV)--3vvv 象的原因是由于中心流道分布孔和外流道气流分布孔 的存在，造成布气孔附近气流分布不均匀，导致两边的
王浩宇等: 径向流吸附器布气系统结构对布气效果的影响 图 3 径向流吸附器的物理模型图． ( a) Z 型流动; ( b) Π 型流动 Fig． 3 Physical model of the radial flow adsorber: ( a) Z - shaped flow; ( b) Π-shaped flow 图 4 径向流吸附器的床层结构图( 单位: mm) ． ( a) Z 型床层; ( b) Π 型床层 Fig． 4 Bed structure of the radial flow adsorber ( unit: mm) : ( a) Z-shaped bed; ( b) Π-shaped bed 表 1 径向流吸附器的主要结构参数 Table 1 Structure parameters of the radial flow adsorber mm 结构参数 数值 结构参数 数值 吸附器直径 220 中心流道直径 24 吸附器长度 210 吸附剂装填层厚度 62 进气口直径 24 外流道宽度 30 进气口长度 40 气流分布孔厚度 3 出气口直径 24 中心流道开孔直径 4 出气口长度 60 外流道开孔直径 8 ( 2) 动量方程: Δ ·( ρV·V) = － Δ P + Δ ·μe［( Δ V) + ( Δ V) T ］－ ( Δ 2 3 ρ ) k + F． ( 2) 其中，μe 和 λ 为黏性系数，F 为微元体质量力． ( 3) k--ε 方程: ( ρk) t + Δ ·( ρVk) = － 2 3 ρk Δ ·V + τ· Δ V + Δ ·[ ( μe σ ) k Δ ] k － ρε， ( 3) ( ρε) t + Δ ·( ρVε) = － 2 3 ( C1 － C3 )·ρε Δ ·V + ( Δ με σε Δ ε ) + ε k［C1 τ· Δ V － C2 ρε］， ( 4) μe = μ + Cμ ρk 2 /ε， ( 5) 式中，μ 为黏性系数，ρ 为流体密度，τ 为黏性应力张 量，k 为湍动能，ε 为耗散率，σk、σε、C1、C2 和 C3 为 k--ε 双方程湍流模型常数． 1. 3 初始条件和边界条件 初始条件为: 吸附床入口条件为质量入口，给定入 口流量为 12 L·min － 1，初始温度为 300 K，给定出口压 力为 101325 Pa; 壁面上取非渗透性及非滑移条件，各 项速度为零，在吸附器对称面上采用对称边界条件． 为便于对径向流吸附器的布气效果进行比较，对 径向流吸附器的径向速度不均匀度给出定量表征［12］． 定义径向速度不均匀度 Mf : Mf = 1 F0 ∫ F0 ( 0 wi － w ) w 2 d 槡 F ． ( 6) 式中，F0为吸附床总的横截面积，wi为点 i 处的流动速 度，w 为截面平均流动速度． w 定义如下: w = 1 F0 ∫ F0 0 widF． ( 7) Mf值越接近于 0，说明径向流吸附器内布气越均 匀，效果越好; Mf值越大，则说明布气越不均匀，偏流越 为严重． 1. 4 网格划分与计算方法 对径向流吸附器进行了非结构网格划分，网格数 量为 944655，并通过了网格无关性检查． 由于径向流 吸附器和气流分布器的几何尺寸相差较大，且气流分 布孔道结构较复杂，所以在气流分布孔周围采用局部 网格加密处理，如图 5 所示． 利用 CFD 软件 Fluent 6. 3 对前述控制方程进行求解，方程离散采用有限体积法， 压力和速度的耦合算法采用 COUPLED 方法，收敛标 准为离散化守恒方程的残差小于 10 － 5 ． 2 模拟结果与分析 2. 1 流道流动型式的影响 图 6 给出了四种流动型式下，径向速度不均匀度 Mf随吸附床径向长度的变化情况． 由图 6 可以看出， 在吸附床径向长度上，Mf曲线呈现出明显的“凹”型分 布，即中心流道气流分布孔和外流道的气流分布孔与 吸附剂装填区域交界处的 Mf值较大，而在吸附剂装填 中心区域内的 Mf值偏小且整体趋于平稳． 出现上述现 象的原因是由于中心流道分布孔和外流道气流分布孔 的存在，造成布气孔附近气流分布不均匀，导致两边的 · 39 ·
·94· 工程科学学报，第37卷，第1期 图5径向流吸附器网格划分图.(a)Z型网格：()Π型网格 Fig.5 Grid graph of the radial flow adsorber:(a)Z-shaped grid (b)II-shaped grid M,值偏大.由图6还可以看出，“凹”型曲线均为左高 65 中心中心流道气流分布孔 外流道气流分布孔 右低，即中心流道布气孔附近M,值要大于外流道布气 6.0 流道 吸附剂装填区域 外流道 55 孔附近M值，且可明显看出向心流动的M,值整体小于 5.0 离心流动的M,值.出现上述现象的原因是由于离心流 4.5 。一Z型向心流 和向心流的流动型式的不同.离心流动时气体由中心 4.0 3.5 ·一Z型离心流 流道向外流道流动.中心流道较窄，气体流速较快使 三30 ▲一Π型向心流 2.5 一，一Π型离心流 M值升高：同时由于中心流道气流分布孔的存在也使 2.0 M,值升高.两者作用的结果是使此处的M,值达到最 1.5 大，最大值为6.0.随着气体沿径向穿过吸附剂装填 1.0 0.5 层，气流分布变均匀，M,值逐渐减小且趋于平稳.当气 0.0% 10 2030405060708090100110 体即将通过外流道气流分布孔进入到外流道时，由于 吸附床径向长度/m 分布孔的存在，导致此处M,值再度升高.向心流动时 图6四种流动型式对径向速度不均匀度M的影响 气体由外流道向中心流道流动.外流道较宽，气体流 Fig.6 Effect of four flow types on the radial non-uniformity of 速较慢使M值降低：同时由于外流气流分布孔的存 velocity 在，造成此处的M,值升高。两者作用的结果是使此处 的M值升高，但幅度不大.随着气体沿径向穿过吸附 汇入，气体的质量流率沿程递增，使气流速度增加而使 剂装填层，气流分布变均匀，M,值逐渐减小且趋于平 轴向静压降低.两者作用的结果是使中心流道的轴向 稳.当气体即将通过中心流道气流分布孔进入到中心 静压迅速下降.另外可看出Ⅱ型向心流动和Z型向心 流道时，由于分布孔的存在使M值升高：同时流道变 流动的中心流道上的轴向静压存在局部压力回升现 狭窄也使M,值也升高.两者作用的结果是使此处的 象.出现上述现象的原因是由于Ⅱ型向心流动和Z型 M达到最大，最大值为4.0.可见对于径向流吸附器， 向心流动的中心流道的管道末端气流分布孔较少造成 采用向心流动型式更为适合. 了局部压力回升.由图7还可以看出，Ⅱ型向心流动 图7给出了Ⅱ型向心流动和Z型向心流动下，中 和Z型向心流动的中心流道上的轴向压降分别为64 心流道和外流道轴向静压随吸附床轴向长度的变化情 Pa和124Pa.可见对于径向流吸附器，采用Ⅱ型向心 况.由图7可以看出，在吸附床的轴向长度上Ⅱ型向 流动时中心流道上的轴向压降更小，其布气效果优于 心流动和Z型向心流动外流道上的轴向静压近似于一 Z型向心流动.因此在下文的分析中，将重点分析Ⅱ 条直线，轴向压降几乎为0Pa.出现上述现象的原因 型向心流动型式下的径向流吸附器布气系统结构对布 是向心流动下，外流道上的沿程阻力及壁面摩擦使轴 气效果的影响. 向静压下降；同时由于气体不断的分流，气体的质量流 2.2流道截面积的影响 率沿程递减，使气体流速不断降低而使轴向静压升高. 图8给出了中心流道与外流道的截面积比D,变 两者作用的结果是使气流轴向静压路有变化，但数值 化时，径向速度不均匀度M随吸附床径向长度的变化 变化很小.由图7还可以看出，Ⅱ型向心流动和Z型 情况.在Ⅱ型向心流动情况下，D,分别为4%、5.5%、 向心流动的中心流道上的轴向压降变化较为明显.出 8.5%、13%和18.9%.由图8可以看出，随着D的逐 现上述现象的原因是气体从进入中心流道开始，由于 渐增大，M值整体趋势是减小的，即布气效果得到改 摩擦阻力作用使轴向静压下降：同时由于气体不断的 善.Kareeri也发现在一定范围内，减少外流道宽度来
工程科学学报，第 37 卷，第 1 期 图 5 径向流吸附器网格划分图． ( a) Z 型网格; ( b) Π 型网格 Fig． 5 Grid graph of the radial flow adsorber: ( a) Z-shaped grid( b) Π-shaped grid Mf值偏大． 由图 6 还可以看出，“凹”型曲线均为左高 右低，即中心流道布气孔附近 Mf值要大于外流道布气 孔附近 Mf值，且可明显看出向心流动的 Mf值整体小于 离心流动的 Mf值． 出现上述现象的原因是由于离心流 和向心流的流动型式的不同． 离心流动时气体由中心 流道向外流道流动． 中心流道较窄，气体流速较快使 Mf值升高; 同时由于中心流道气流分布孔的存在也使 Mf值升高． 两者作用的结果是使此处的 Mf值达到最 大，最大值为 6. 0． 随着气体沿径向穿过吸附剂装填 层，气流分布变均匀，Mf值逐渐减小且趋于平稳． 当气 体即将通过外流道气流分布孔进入到外流道时，由于 分布孔的存在，导致此处 Mf值再度升高． 向心流动时 气体由外流道向中心流道流动． 外流道较宽，气体流 速较慢使 Mf 值降低; 同时由于外流气流分布孔的存 在，造成此处的 Mf值升高． 两者作用的结果是使此处 的 Mf值升高，但幅度不大． 随着气体沿径向穿过吸附 剂装填层，气流分布变均匀，Mf 值逐渐减小且趋于平 稳． 当气体即将通过中心流道气流分布孔进入到中心 流道时，由于分布孔的存在使 Mf值升高; 同时流道变 狭窄也使 Mf值也升高． 两者作用的结果是使此处的 Mf达到最大，最大值为 4. 0． 可见对于径向流吸附器， 采用向心流动型式更为适合． 图 7 给出了 Π 型向心流动和 Z 型向心流动下，中 心流道和外流道轴向静压随吸附床轴向长度的变化情 况． 由图 7 可以看出，在吸附床的轴向长度上 Π 型向 心流动和 Z 型向心流动外流道上的轴向静压近似于一 条直线，轴向压降几乎为 0 Pa． 出现上述现象的原因 是向心流动下，外流道上的沿程阻力及壁面摩擦使轴 向静压下降; 同时由于气体不断的分流，气体的质量流 率沿程递减，使气体流速不断降低而使轴向静压升高． 两者作用的结果是使气流轴向静压略有变化，但数值 变化很小． 由图 7 还可以看出，Π 型向心流动和 Z 型 向心流动的中心流道上的轴向压降变化较为明显． 出 现上述现象的原因是气体从进入中心流道开始，由于 摩擦阻力作用使轴向静压下降; 同时由于气体不断的 图 6 四种流动型式对径向速度不均匀度 Mf的影响 Fig． 6 Effect of four flow types on the radial non-uniformity of velocity 汇入，气体的质量流率沿程递增，使气流速度增加而使 轴向静压降低． 两者作用的结果是使中心流道的轴向 静压迅速下降． 另外可看出 Π 型向心流动和 Z 型向心 流动的中心流道上的轴向静压存在局部压力回升现 象． 出现上述现象的原因是由于 Π 型向心流动和 Z 型 向心流动的中心流道的管道末端气流分布孔较少造成 了局部压力回升． 由图 7 还可以看出，Π 型向心流动 和 Z 型向心流动的中心流道上的轴向压降分别为 64 Pa 和 124 Pa． 可见对于径向流吸附器，采用 Π 型向心 流动时中心流道上的轴向压降更小，其布气效果优于 Z 型向心流动． 因此在下文的分析中，将重点分析 Π 型向心流动型式下的径向流吸附器布气系统结构对布 气效果的影响． 2. 2 流道截面积的影响 图 8 给出了中心流道与外流道的截面积比 Df 变 化时，径向速度不均匀度 Mf随吸附床径向长度的变化 情况． 在 Π 型向心流动情况下，Df分别为 4% 、5. 5% 、 8. 5% 、13% 和 18. 9% ． 由图 8 可以看出，随着 Df的逐 渐增大，Mf值整体趋势是减小的，即布气效果得到改 善． Kareeri 也发现在一定范围内，减少外流道宽度来 · 49 ·
王浩宇等：径向流吸附器布气系统结构对布气效果的影响 ·95 101460F 高，例如中心流道开孔率为5%时，中心流道布气孔 101450 附近的M为3.2.产生上述现象的原因是减小中心 101440 101430 流道的开孔率，将造成中心流道布气孔附近布气的 101420 101410 局部不均匀，使得此处的M值偏高.因此要注意过 101400 度减小中心流道开孔率将会引起中心流道气流布气 101390 101380 孔附近过孔压降增大，导致能耗有所增加，并引起局 101370 101360 部布气不均匀的问题. 101350 型向心流动中心流道 101340上·一Π型向心流动外流道 5.0 101330 ▲一Z型向心流动中心流道 4.5 101320 一Z型向心流动外流道 ·一中心流道开孔率5% 101310 4.0 ·一中心流道开孔率10% 0 20406080100120140160180200220 ·一中心流道开孔率17% 吸附床轴向长度/mm 3.5 图7Ⅱ型向心和Z型向心流动下中心流道和外流道轴向静压 3.0 分布 2.5 Fig.7 Axial static pressure in the annular channel and the center 2.0 channel of the II type of inward flow and the Z type of inward flow 15 1.0 增加了中心流道与外流道截面比D,有利于径向流反 0.5 应器内气流分布，可以使吸附器内部的流动更加均匀. 可见对于径向流吸附器，增大D可以使吸附器内部的 0.06102030405060708090100110 吸附床径向长度/mm 流动更为均匀.本文推荐将D,比值控制在18.9%左 图9中心管开孔率对径向速度不均匀度M的影响 右，甚至更小 Fig.9 Effect of the opening ratio of the central channel on the radial 4.0 -D-18.9% non-uniformity of velocity 3.5 ·-D=13% +-D=8.5% 3.0 2.4外流道开孔率的影响 -D=5.5% 25 4D=4% 图10给出了中心流道开孔率保持不变，外流道开 孔率变化时，径向速度不均匀度M,随吸附床径向长度 2.0 的变化情况.由图10中可以看出，在中心流道开孔率 不变的情况下，外流道的开孔率由4%增大到27%时， 1.0 M值整体变化不明显（除M为6.5这一点.本文认为 05 导致此点M过高的原因是由于外流道开孔率过低将 %1020304050607080901001i0 造成外流道布气孔附近布气的局部不均匀，引起此点 吸附床径向长度/mm M过高)，这说明外流道的开孔率变化对径向流吸附 图8流道截面积比值对径向速度不均匀度M的影响 器的布气效果影响有限 Fig.8 Effect of the cross-sectional area ratio of center channel to an- nular channel on the radial non-uniformity of velocity 7.0 6.5 2.3中心流道开孔率的影响 6.0 一■一外流道开孔率4% 一·一外流道开孔率10% 5.5 一▲一外流道开孔率174% 图9给出了中心流道开孔率变化时，径向速度 5.0 一一外流道开孔率27% 不均匀度M随吸附床径向长度的变化情况.由图9 4.5 4.0 可以看出，在外流道开孔率不变的情况下，中心流道 三35 开孔率变化对径向流吸附器的布气效果影响较为明 3.0 2.5 显.随着中心流道开孔率的减小，M整体趋势是减小 2.0 的，即布气效果得到改善。出现上述现象的原因是随 1.5 1.0 着中心流道开孔率的减小，过孔压降逐渐增大，气体 0.5 坐数生号 流速减小导致径向速度的不均匀度M,变小，布气更 102030405060708090100110 为均匀.这说明减小中心流道开孔率，径向流吸附器 吸附床径向长度mm 内布气效果将得到改善.文献3-14]也提出过降 图10外流道开孔率对径向速度不均匀度M的影响 低开孔率可提高穿孔压降，有利于气流的均布.由图 Fig.10 Effect of the opening ratio of the annular channel on the ra- 9还可以看出，中心流道布气孔附近的M值整体偏 dial non-uniformity of velocity
王浩宇等: 径向流吸附器布气系统结构对布气效果的影响 图 7 Π 型向心和 Z 型向心流动下中心流道和外流道轴向静压 分布 Fig． 7 Axial static pressure in the annular channel and the center channel of the Π type of inward flow and the Z type of inward flow 增加了中心流道与外流道截面比 Df，有利于径向流反 应器内气流分布，可以使吸附器内部的流动更加均匀． 可见对于径向流吸附器，增大 Df可以使吸附器内部的 流动更为均匀． 本文推荐将 Df 比值控制在 18. 9% 左 右，甚至更小． 图 8 流道截面积比值对径向速度不均匀度 Mf的影响 Fig． 8 Effect of the cross-sectional area ratio of center channel to annular channel on the radial non-uniformity of velocity 2. 3 中心流道开孔率的影响 图 9 给出了中心流道开孔率变化时，径 向 速 度 不均匀度 Mf随吸附床径向长度的变化情况． 由图 9 可以看出，在外流道开孔率不变的情况下，中心流道 开孔率变化对径向流吸附器的布气效果影响较为明 显． 随着中心流道开孔率的减小，Mf整体趋势是减小 的，即布气效果得到改善． 出现上述现象的原因是随 着中心流道开孔率的减小，过孔压降逐渐增大，气体 流速减小导致径向速度的不均匀度 Mf变小，布气更 为均匀． 这说明减小中心流道开孔率，径向流吸附器 内布气效果将得到改善． 文献［13 － 14］也提出过降 低开孔率可提高穿孔压降，有利于气流的均布． 由图 9 还可以看出，中心流道布气孔附近的 Mf值整体偏 高，例如中心流道开孔率为 5% 时，中心流道布气孔 附近的 Mf为 3. 2． 产生上述现象的原因是减小中心 流道的开孔率，将造成中心流道布气孔附近布气的 局部不均匀，使得此处的 Mf值偏高． 因此要注意过 度减小中心流道开孔率将会引起中心流道气流布气 孔附近过孔压降增大，导致能耗有所增加，并引起局 部布气不均匀的问题． 图 9 中心管开孔率对径向速度不均匀度 Mf的影响 Fig． 9 Effect of the opening ratio of the central channel on the radial non-uniformity of velocity 2. 4 外流道开孔率的影响 图 10 给出了中心流道开孔率保持不变，外流道开 孔率变化时，径向速度不均匀度 Mf随吸附床径向长度 的变化情况． 由图 10 中可以看出，在中心流道开孔率 不变的情况下，外流道的开孔率由 4% 增大到 27% 时， Mf值整体变化不明显( 除 Mf为 6. 5 这一点． 本文认为 导致此点 Mf过高的原因是由于外流道开孔率过低将 造成外流道布气孔附近布气的局部不均匀，引起此点 Mf过高) ，这说明外流道的开孔率变化对径向流吸附 器的布气效果影响有限． 图 10 外流道开孔率对径向速度不均匀度 Mf的影响 Fig． 10 Effect of the opening ratio of the annular channel on the radial non-uniformity of velocity · 59 ·
·96· 工程科学学报，第37卷，第1期 体力学行为及优化设计.石油炼制与化工，1997,28(4)： 3结论 47) (1)径向流吸附器的流动型式对径向吸附器内气 Wang J F,Jing S,WangT F,et al.Mathematical modeling and 流的均匀布气影响较大.对于径向流吸附器采用向心 flow field characteristics of radial flow movingbed reactors.J Chem Eng Chin Unin,1999,13(5):435 流动最为合适，并且Ⅱ型向心流动略优于Z型向心 (王金福，景山，王铁锋，等。径向移动床反应器流畅特性及 流动. 其数学模拟.高校化学工程学报，1999,13(5)：435) (2)径向流吸附器的流道截面积比对吸附器的布 8] Xu Z G,Zhu Z B,Zhang C F,et al.R&D of large axial-tadial 气效果有一定影响，在本文的研究中，当中心流道与 reactor for ethylbenzene dehydrogenation:(I)Reactor simula- 外流道的截面积比为18.9%时，获得最佳布气效果 tion and analysis.J Chem Ind Eng,2001,52(10):866 (3)径向流吸附器的中心流道开孔率对径向流吸 (徐志刚，朱子彬，张成芳，等.大型乙苯脱氢轴径向反应器 附器的均匀布气有重要影响.中心流道开孔率越小， 的研究与开发：（Ⅱ）反应器模拟与分析.化工学报，2001,52 (10):866) 径向流速度不均匀度值越小，布气效果越好.但开孔 9]Li J F,Zhou H Q,Lin X N.Flow field numerical simulation of 率过低，将导致布气孔附近局部布气不均匀，能耗 radial flow molecular sieve adsorber.Cryog Technol,2010(2): 增大. 9 (4)径向流吸附器的外流道开孔率变化对径向流 (李剑锋，周寒秋，林秀娜.径向流分子筛吸附器流场数值模 吸附器的布气效果影响有限. 拟.深冷技术，2010(2)：49) [10]Li R J,Cui C X,Wu Y Q,et al.Characteristics of flow field in 参考文献 a multi-ayered radial reactor.Chin J Process Eng,2010, [1]Zhang C F,Zhu Z B,Xu M S,et al.An investigation of design 10(2):209 on the uniform fluid distribution for radial flow reactors (I) (李瑞江，崔春霞，吴勇强，等.多床层径向反应器中床层的 Chem Eng,1980(1):98 流场行为.过程工程学报，2010,10(2)：209) (张成芳，朱子彬，徐懋生，等.径向流反应器流体均布设计 [11]Kareeri AA,Zughbi H D,Al-Ali HH.Simulation of flow distri- 的研究(I).化学工程，1980(1)：98) bution in radial flow reactors.Ind Eng Chem Res,2006,45(8): 2]Chang H,Saucier M.Calo J M.Design eriterion for radial flow 2862 fixed-bed reactors.A/ChE J,1983,29(6):1039 02] Zheng X G.Study of Tweo-dimensional Transport Phenomena in B3]Ponzi PR,Kaye L A.Effect of flow maldistribution on conversion the Adsorber [Dissertation].Beijing:University of Science and and selectivity in radial flow fixed-bed reactors.A/ChE J,1979, Technology Beijing,2011 25(1):100 (郑新港.变压吸附床内二维传输过程的研究[学位论文] [4]Song X Q.WangZ W,Jin Y,et al.Hydrodynamics of radial flow 北京：北京科技大学，2011) moving-bed reactor.J Chem Ind Eng,1992,43(3):268 [13]Zhang C F.Zhu Z B,Xu M S,et al.An investigation of design (宋续棋，汪展文，金涌，等.移动床径向反应器中流体力学 on the uniform fluid distribution for radial flow reactors.J Chem 行为的研究.化工学报，1992,43(3)：268) Ind Eng,1979(1):67 5]Heggs PJ,Ellis DI,Ismail M S.Prediction of flow distributions (张成芳，朱子彬，徐懋生，等.径向反应器流体均布设计的 and pressure changes in multiayered annular packed beds.Gas 研究.化工学报，1979(1)：67) Sep Purif,1995,9(4):243 [14]Xu ZG,Zhang C F,Zhu Z B,et al.Two dimension flow in axi- [6]Wang J F,Du X H,Jin Y,et al.Hydrodynamic behavior of the al-radial fixed beds:Il.Definite flow channels.J East China gas distribution system in radial flow.Pet Process Petrochem, Unir Sci Technol,1994,20(6):717 1997,28(4):47 (徐志刚，张成芳，朱子彬，等.轴径向床中二维流动的研 (王金福，杜晓华，金涌，等。重整径向反应器布气系统的流 究：Ⅱ.限定流道.华东理工大学学报，1994,20(6)：717)
工程科学学报，第 37 卷，第 1 期 3 结论 ( 1) 径向流吸附器的流动型式对径向吸附器内气 流的均匀布气影响较大． 对于径向流吸附器采用向心 流动最为合适，并且 Π 型向心流动略优于 Z 型向心 流动． ( 2) 径向流吸附器的流道截面积比对吸附器的布 气效果有一定影响． 在本文的研究中，当中心流道与 外流道的截面积比为 18. 9% 时，获得最佳布气效果． ( 3) 径向流吸附器的中心流道开孔率对径向流吸 附器的均匀布气有重要影响． 中心流道开孔率越小， 径向流速度不均匀度值越小，布气效果越好． 但开孔 率过低，将 导 致 布 气 孔 附 近 局 部 布 气 不 均 匀，能 耗 增大． ( 4) 径向流吸附器的外流道开孔率变化对径向流 吸附器的布气效果影响有限． 参 考 文 献 ［1］ Zhang C F，Zhu Z B，Xu M S，et al． An investigation of design on the uniform fluid distribution for radial flow reactors ( Ⅰ) ． Chem Eng，1980( 1) : 98 ( 张成芳，朱子彬，徐懋生，等． 径向流反应器流体均布设计 的研究( Ⅰ) ． 化学工程，1980( 1) : 98) ［2］ Chang H，Saucier M，Calo J M． Design criterion for radial flow fixed-bed reactors． AIChE J，1983，29( 6) : 1039 ［3］ Ponzi P Ｒ，Kaye L A． Effect of flow maldistribution on conversion and selectivity in radial flow fixed-bed reactors． AIChE J，1979， 25( 1) : 100 ［4］ Song X Q，Wang Z W，Jin Y，et al． Hydrodynamics of radial flow moving-bed reactor． J Chem Ind Eng，1992，43( 3) : 268 ( 宋续祺，汪展文，金涌，等． 移动床径向反应器中流体力学 行为的研究． 化工学报，1992，43( 3) : 268) ［5］ Heggs P J，Ellis D I，Ismail M S． Prediction of flow distributions and pressure changes in multi-layered annular packed beds． Gas Sep Purif，1995，9( 4) : 243 ［6］ Wang J F，Du X H，Jin Y，et al． Hydrodynamic behavior of the gas distribution system in radial flow． Pet Process Petrochem， 1997，28( 4) : 47 ( 王金福，杜晓华，金涌，等． 重整径向反应器布气系统的流 体力学行为及优化设计． 石油炼制与 化 工，1997，28 ( 4) : 47) ［7］ Wang J F，Jing S，Wang T F，et al． Mathematical modeling and flow field characteristics of radial flow moving-bed reactors． J Chem Eng Chin Univ，1999，13( 5) : 435 ( 王金福，景山，王铁锋，等． 径向移动床反应器流畅特性及 其数学模拟． 高校化学工程学报，1999，13( 5) : 435) ［8］ Xu Z G，Zhu Z B，Zhang C F，et al． Ｒ＆D of large axial-radial reactor for ethylbenzene dehydrogenation: ( Ⅱ) Ｒeactor simulation and analysis． J Chem Ind Eng，2001，52( 10) : 866 ( 徐志刚，朱子彬，张成芳，等． 大型乙苯脱氢轴径向反应器 的研究与开发: ( Ⅱ) 反应器模拟与分析． 化工学报，2001，52 ( 10) : 866) ［9］ Li J F，Zhou H Q，Lin X N． Flow field numerical simulation of radial flow molecular sieve adsorber． Cryog Technol，2010 ( 2) : 49 ( 李剑锋，周寒秋，林秀娜． 径向流分子筛吸附器流场数值模 拟． 深冷技术，2010( 2) : 49) ［10］ Li Ｒ J，Cui C X，Wu Y Q，et al． Characteristics of flow field in a multi-layered radial reactor． Chin J Process Eng，2010， 10( 2) : 209 ( 李瑞江，崔春霞，吴勇强，等． 多床层径向反应器中床层的 流场行为． 过程工程学报，2010，10( 2) : 209) ［11］ Kareeri A A，Zughbi H D，Al-Ali H H． Simulation of flow distribution in radial flow reactors． Ind Eng Chem Ｒes，2006，45( 8) : 2862 ［12］ Zheng X G． Study of Two-dimensional Transport Phenomena in the Adsorber ［Dissertation］． Beijing: University of Science and Technology Beijing，2011 ( 郑新港． 变压吸附床内二维传输过程的研究［学位论文］． 北京: 北京科技大学，2011) ［13］ Zhang C F，Zhu Z B，Xu M S，et al． An investigation of design on the uniform fluid distribution for radial flow reactors． J Chem Ind Eng，1979( 1) : 67 ( 张成芳，朱子彬，徐懋生，等． 径向反应器流体均布设计的 研究． 化工学报，1979( 1) : 67) ［14］ Xu Z G，Zhang C F，Zhu Z B，et al． Two dimension flow in axial-radial fixed beds: II． Definite flow channels． J East China Univ Sci Technol，1994，20( 6) : 717 ( 徐志刚，张成芳，朱子彬，等． 轴径向床中二维流动的研 究: Ⅱ． 限定流道． 华东理工大学学报，1994，20( 6) : 717) · 69 ·