第11期 郑新港等：变质量流动吸附床内的速度分布 ·1417· 化.所以，在变压吸附分离过程中，可以通过控制降 床内气体速度较大.随着过程的进行，N2的脱附量 压过程的阀门开度，来控制吸附床内气体的速度. 逐渐减少，所以床中速度又会有所下降 如根据以上分析得到的速度变化规律，可以在降压 2.4气体的吸附对速度和压力的影响 初期保持较小的阀门开度，然后逐步加大阀门开度， 图5(a)和(b)给出了升压阶段质量源项对M 使此过程吸附床内速度不过分地变化，以保护吸 点压力和速度的影响，其中M点位于轴线中点处， 附剂 如图1所示.由图5(a)可以看出，当不考虑质量源 图4(d)给出了反吹过程吸附床内轴向的速度 项时，经过大约1s充压后吸附床即达到吸附压力， 分布.由图可见，在反吹过程，床中速度是先变大然 远小于该步骤的设定时间(9s).由图5(b)可以看 后变小的.这是因为在反吹之初，床中气体速度近 出，不考虑气体吸附的M点速度与考虑吸附时的速 似为零，且吸附剂颗粒上吸附大量强吸附组分 度差别也比较大.说明在重组分的吸附分离过程 (N2),所以通入反吹气体（较高浓度O,)后N,被从 中，气体的吸附对过程参数有着重要影响，忽略气体 吸附剂上大量置换出来，多方面因素使得反吹初期 的吸附作用会给预测带来很大的误差 280a 一考虑气体的吸附 0.5 。不考虑气体的吸附 一考虑气体的吸附 240 0.4 0不考虑气体的吸附 0.3 0.2 ≤160 0. 120 时s 时间s 图5在升压阶段质量源项对M点压力和速度的影响.(a)压力：(b)速度 Fig.5 Effect of the mass source on the pressure and velocity at Point M during the pressurization step:(a)pressure;(b)velocity 3 结论 降压初期采用较小的阀门开度，然后逐渐加大，以使 得床内速度平稳过渡.气体吸附引起的质量变化对 本文借助二维模型分析了吸附床内的速度分布 压力和速度有着重要影响，不能轻易忽略 规律，模型中考虑了吸附引起的变质量流动，另外对 径向空隙率分布也予以考虑，数值结果直观地显示 参考文献 了吸附床内的速度场及其分布规律，并据此讨论了 [1]Ruthven D M,Farooq S,Knaebel K S.Pressure Swing Adsorp- 吸附床内速度分布及其演变过程，得到如下结论. tion.New York:VCH Publishers,1994 (1)多孔介质本身的阻力对流动有着自均布特 ]Ji A M.LiJ.Zhang J.Study on optimization design of vertical air absorber.J Harbin Univ Commer Nat Sci Ed,2003,19(6):714 性，当不考虑此阻力时床内流动会很不均匀 (季阿敏，李杰，张君.立式轴向流吸附器优化设计.哈尔滨 (2)吸附床的进气端受入口效应的影响较大， 商业大学学报：自然科学版，2003,19(6)：714) 速度在此区域呈现W形分布，并且部分气流的流动 B] Grahl M,Leitgeb P.Jiang C B.Oxygen production by pressure 速度已经超过颗粒的流化速度，会引起颗粒的摩擦 swing adsorption.Cryogenics,2001,(5):19 和粉化，所以在实际设计气体分布板时可以采用开 (Grahl M,Leitgeb P,江楚标.变压吸附生产氧气.深冷技术， 2001,(5):19) 孔规律与此速度分布相反的设计. [4] Ning P,Chen Y X,Gu JJ,et al.Influence of maldistribution on (3)吸附床内轴向速度随着操作步骤和时间是 breakthrough of fixed bed adsorber.Enriron Sci,1998,19 (5): 不断变化的.在吸附阶段，由于强吸附组分的大量 g 吸附，在传质区附近速度曲线有着较大的转折；在其 (宁平，陈亚雄，谷俊杰，等.边流效应对固定床吸附容量的 他三个步骤内，速度沿床层近似线性变化 影响.环境科学，1998,19(5)：69) Zhang Y W,Wu YY,Gong J Y.The experimental study on the (4)在降压阶段，短时间内从床内排出大量气 performance of a small-scale oxygen concentration by PSA.Sep 体，使得床层内的速度较高，这也加速了吸附剂颗粒 Purif Technol,2005,42(2)123 间的摩擦，所以在降压阶段应该控制降压速度，如在 [6]Tian JJ,Zhang Y W,Wang R.Numerical simulation of flow dis-第 11 期 郑新港等: 变质量流动吸附床内的速度分布 化． 所以，在变压吸附分离过程中，可以通过控制降 压过程的阀门开度，来控制吸附床内气体的速度． 如根据以上分析得到的速度变化规律，可以在降压 初期保持较小的阀门开度，然后逐步加大阀门开度， 使此过程吸附床内速度不过分地变化，以保护吸 附剂． 图 4( d) 给出了反吹过程吸附床内轴向的速度 分布． 由图可见，在反吹过程，床中速度是先变大然 后变小的． 这是因为在反吹之初，床中气体速度近 似为 零，且吸附剂颗粒上吸附大量强吸附组分 ( N2 ) ，所以通入反吹气体( 较高浓度 O2 ) 后 N2被从 吸附剂上大量置换出来，多方面因素使得反吹初期 床内气体速度较大． 随着过程的进行，N2的脱附量 逐渐减少，所以床中速度又会有所下降． 2. 4 气体的吸附对速度和压力的影响 图 5( a) 和( b) 给出了升压阶段质量源项对 M 点压力和速度的影响，其中 M 点位于轴线中点处， 如图 1 所示． 由图 5( a) 可以看出，当不考虑质量源 项时，经过大约 1 s 充压后吸附床即达到吸附压力， 远小于该步骤的设定时间( 9 s) ． 由图 5( b) 可以看 出，不考虑气体吸附的 M 点速度与考虑吸附时的速 度差别也比较大． 说明在重组分的吸附分离过程 中，气体的吸附对过程参数有着重要影响，忽略气体 的吸附作用会给预测带来很大的误差． 图 5 在升压阶段质量源项对 M 点压力和速度的影响 . ( a) 压力; ( b) 速度 Fig． 5 Effect of the mass source on the pressure and velocity at Point M during the pressurization step: ( a) pressure; ( b) velocity 3 结论 本文借助二维模型分析了吸附床内的速度分布 规律，模型中考虑了吸附引起的变质量流动，另外对 径向空隙率分布也予以考虑，数值结果直观地显示 了吸附床内的速度场及其分布规律，并据此讨论了 吸附床内速度分布及其演变过程，得到如下结论． ( 1) 多孔介质本身的阻力对流动有着自均布特 性，当不考虑此阻力时床内流动会很不均匀． ( 2) 吸附床的进气端受入口效应的影响较大， 速度在此区域呈现 W 形分布，并且部分气流的流动 速度已经超过颗粒的流化速度，会引起颗粒的摩擦 和粉化，所以在实际设计气体分布板时可以采用开 孔规律与此速度分布相反的设计． ( 3) 吸附床内轴向速度随着操作步骤和时间是 不断变化的． 在吸附阶段，由于强吸附组分的大量 吸附，在传质区附近速度曲线有着较大的转折; 在其 他三个步骤内，速度沿床层近似线性变化． ( 4) 在降压阶段，短时间内从床内排出大量气 体，使得床层内的速度较高，这也加速了吸附剂颗粒 间的摩擦，所以在降压阶段应该控制降压速度，如在 降压初期采用较小的阀门开度，然后逐渐加大，以使 得床内速度平稳过渡． 气体吸附引起的质量变化对 压力和速度有着重要影响，不能轻易忽略． 参 考 文 献 ［1］ Ruthven D M，Farooq S，Knaebel K S． Pressure Swing Adsorp￾tion． New York: VCH Publishers，1994 ［2］ Ji A M，Li J，Zhang J． Study on optimization design of vertical air absorber． J Harbin Univ Commer Nat Sci Ed，2003，19( 6) : 714 ( 季阿敏，李杰，张君． 立式轴向流吸附器优化设计． 哈尔滨 商业大学学报: 自然科学版，2003，19( 6) : 714) ［3］ Grahl M，Leitgeb P，Jiang C B． Oxygen production by pressure swing adsorption． Cryogenics，2001，( 5) : 19 ( Grahl M，Leitgeb P，江楚标． 变压吸附生产氧气． 深冷技术， 2001，( 5) : 19) ［4］ Ning P，Chen Y X，Gu J J，et al． Influence of maldistribution on breakthrough of fixed bed adsorber． Environ Sci，1998，19 ( 5) : 69 ( 宁平，陈亚雄，谷俊杰，等． 边流效应对固定床吸附容量的 影响． 环境科学，1998，19( 5) : 69) ［5］ Zhang Y W，Wu Y Y，Gong J Y． The experimental study on the performance of a small-scale oxygen concentration by PSA． Sep Purif Technol，2005，42( 2) : 123 ［6］ Tian J J，Zhang Y W，Wang R． Numerical simulation of flow dis- ·1417·