第11期 郑新港等：变质量流动吸附床内的速度分布 ·1415· 下面以床1为例来说明进/出口边界条件的设 定.本模拟是从床1的升压步骤开始的，在升压过 程中吸附床1的出气端是关闭的，空气以一定质量 流率从进气端压入，升压过程中吸附床压力是一直 上升的，其值不是通过半经验公式计算得到的，而是 由模拟本身计算得到的，其中质量流率设定为压缩 机的排气量.在规定的升压时间结束后，即进入吸 附步骤时，产品气端压力设定为升压步骤结束时刻 的值，并保持恒定，产品气便可由出气端得到：在吸 附步骤结束时刻，出气端关闭.在降压阶段，进气端 压力设定为较低的操作压力（对于常压的解吸为 101325Pa);同升压步骤一样，在降压阶段吸附床的 a 压力也是由其他过程参数决定的，当床内压力降至 图2升压步骤初始时刻吸附床内速度分布云图.()未考虑吸附 较低的操作压力，认为降压步骤结束.在反吹阶段， 剂阻力：(b)考虑吸附剂阻力 Fig.2 Velocity distribution at the initial of the pressurization step:(a) 用床2的产品气来反吹床1，并且将床1出口处的 without consideration of the sorbent resistance:(b)with consideration of 压力设置为恒压力 the sorbent resistance 1.4计算方法 采用计算流体力学软件Fluent对前述控制方程 质本身消除.不像中心处的流动现象，壁面处的偏 求解，其中压力与速度采用耦合方法计算.详细求 流很难消除。模拟结果显示壁面附近的轴向速度变 解方法参见文献9].数值模型对循环过程的参数 化很大，在靠近壁面时迅速增加到一个最大值，然后 预测性能以及对变压力过程的预测能力都己得到了 降为零.Kwapinski和Augier等因都发现了这种 实验验证回 速度偏流现象(Kwapinski的结果已描绘与图中). 这些发现都深深表明壁面附近大的空隙率对流动影 2计算结果及分析 响很大，进而带来了浓度偏流行为.因此，在模拟吸 2.1速度分布云图 附床内传质行为时很有必要考虑这种不均匀流动 图2给出了升压步骤初始时刻吸附床内的速度 图3中在Kwapinski给出的曲线上没有速度峰值，这 分布云图，其中图2(a)为没有考虑吸附剂阻力的速 是由于他的模型没有考虑进气管的具体结构，认为 度分布，图2(b)为考虑吸附剂阻力的速度分布.通 入口管径等于吸附床直径，所以就不存在入口峰值 过两图对比可以看到，当不考虑多孔介质阻力时，床 了，而事实上固定床中的入口效应大都是由这种几 层中心存在一个很大的气体射流，它直接穿过吸附 何尺寸的突扩引起的，它对流动分布有着重要影响. 剂床层，使得气体分布很不均匀：当考虑多孔介质阻 -A1 力时，气体的速度分布得到明显改善，说明吸附剂颗 A2 粒本身对流动有着自均布效果.但是，由图2(b)可 见，在气体射流正对的吸附剂前缘还是存在较大的 速度分布，说明气体射流对此处的吸附剂存在冲刷 作用. 2.2径向速度分布 图3给出了在吸附步骤终了时刻（即表2第2 004 -0.02 0 002 004 步结束时刻)沿径向线A1、A2和A3的速度分布. 吸谢床径向长度加 图中的A1、A2和A3为距离入口端不同高度处的辅 图3径向速度分布 助线，大体位置己示于图1中，距离分别为20mm、 Fig.3 Radial velocity distribution 30mm和470mm.可以看到A1线处的速度呈W形 分布，这是由于A1线的轴向速度受入口效应的影 另外，当固定床中的流动速度过大时会引起颗 响较大，所以中心的速度大于周围的速度：但是随着 粒的流化现象，当颗粒密度为1100kgm3、颗粒直 气体在床层中的推进，中心处的偏流可以被多孔介 径为1.6mm时，固定床内允许的最大过流速度计算第 11 期 郑新港等: 变质量流动吸附床内的速度分布 下面以床 1 为例来说明进/出口边界条件的设 定． 本模拟是从床 1 的升压步骤开始的，在升压过 程中吸附床 1 的出气端是关闭的，空气以一定质量 流率从进气端压入，升压过程中吸附床压力是一直 上升的，其值不是通过半经验公式计算得到的，而是 由模拟本身计算得到的，其中质量流率设定为压缩 机的排气量． 在规定的升压时间结束后，即进入吸 附步骤时，产品气端压力设定为升压步骤结束时刻 的值，并保持恒定，产品气便可由出气端得到; 在吸 附步骤结束时刻，出气端关闭． 在降压阶段，进气端 压力设定为较低的操作压力( 对于常压的解吸为 101 325 Pa) ; 同升压步骤一样，在降压阶段吸附床的 压力也是由其他过程参数决定的，当床内压力降至 较低的操作压力，认为降压步骤结束． 在反吹阶段， 用床 2 的产品气来反吹床 1，并且将床 1 出口处的 压力设置为恒压力． 1. 4 计算方法 采用计算流体力学软件 Fluent 对前述控制方程 求解，其中压力与速度采用耦合方法计算． 详细求 解方法参见文献［9］． 数值模型对循环过程的参数 预测性能以及对变压力过程的预测能力都已得到了 实验验证［9］． 2 计算结果及分析 2. 1 速度分布云图 图 2 给出了升压步骤初始时刻吸附床内的速度 分布云图，其中图 2( a) 为没有考虑吸附剂阻力的速 度分布，图 2( b) 为考虑吸附剂阻力的速度分布． 通 过两图对比可以看到，当不考虑多孔介质阻力时，床 层中心存在一个很大的气体射流，它直接穿过吸附 剂床层，使得气体分布很不均匀; 当考虑多孔介质阻 力时，气体的速度分布得到明显改善，说明吸附剂颗 粒本身对流动有着自均布效果． 但是，由图 2( b) 可 见，在气体射流正对的吸附剂前缘还是存在较大的 速度分布，说明气体射流对此处的吸附剂存在冲刷 作用． 2. 2 径向速度分布 图 3 给出了在吸附步骤终了时刻( 即表 2 第 2 步结束时刻) 沿径向线 A1、A2 和 A3 的速度分布． 图中的 A1、A2 和 A3 为距离入口端不同高度处的辅 助线，大体位置已示于图 1 中，距离分别为 20 mm、 30 mm 和 470 mm． 可以看到 A1 线处的速度呈 W 形 分布，这是由于 A1 线的轴向速度受入口效应的影 响较大，所以中心的速度大于周围的速度; 但是随着 气体在床层中的推进，中心处的偏流可以被多孔介 图 2 升压步骤初始时刻吸附床内速度分布云图 . ( a) 未考虑吸附 剂阻力; ( b) 考虑吸附剂阻力 Fig． 2 Velocity distribution at the initial of the pressurization step: ( a) without consideration of the sorbent resistance; ( b) with consideration of the sorbent resistance 质本身消除． 不像中心处的流动现象，壁面处的偏 流很难消除． 模拟结果显示壁面附近的轴向速度变 化很大，在靠近壁面时迅速增加到一个最大值，然后 降为零． Kwapinski ［11］和 Augier 等［12］都发现了这种 速度偏流现象( Kwapinski 的结果已描绘与图中) ． 这些发现都深深表明壁面附近大的空隙率对流动影 响很大，进而带来了浓度偏流行为． 因此，在模拟吸 附床内传质行为时很有必要考虑这种不均匀流动． 图 3 中在 Kwapinski 给出的曲线上没有速度峰值，这 是由于他的模型没有考虑进气管的具体结构，认为 入口管径等于吸附床直径，所以就不存在入口峰值 了，而事实上固定床中的入口效应大都是由这种几 何尺寸的突扩引起的，它对流动分布有着重要影响． 图 3 径向速度分布 Fig． 3 Radial velocity distribution 另外，当固定床中的流动速度过大时会引起颗 粒的流化现象，当颗粒密度为 1 100 kg·m － 3 、颗粒直 径为 1. 6 mm 时，固定床内允许的最大过流速度计算 ·1415·