大型空分设备卧式垂直气流分子筛吸附器流场特性研究

摘要

分子筛纯化系统是空分设备中必不可少的部分，用于净化原料空气中的水分、二氧化碳和碳氢化合物等杂质，起着保障空分设备安全运行的重要作用。纯化系统中吸附器性能直接影响着分子筛纯化系统的效能，内部流场的均布与否是其重要性能指标，与结构设计上的合理程度有着密切的关系。随着空分设备容量规模的扩大，分子筛纯化系统的吸附器也相应增大，更容易出现吸附、再生效果不佳等问题。通过优化吸附器结构，使分子筛纯化系统在稳定运行的基础上达到节能的目的已成为空分领域所关注的焦点，对此开展研究和优化设计工作具有现实意义。
　　本文基于计算流体力学(CFD)相关知识，采用商用CFD软件FLUENT，针对卧式垂直气流吸附器内流场的流动特性开展研究，旨在为空分设备的吸附器提供优化设计方案。为此，本文主要开展了如下几方面的工作：
　　(1)探讨了传统结构吸附器随容积增大所表现出的不足之处。在此基础上，建立若干不同结构的卧式垂直气流吸附器数值模型，并对其内部流场开展模拟分析，旨在通过调整吸附器内分布器结构而优化其内部流场分布。在模型建立过程中，把多孔管、多孔板和吸附剂床层处理为多孔介质。
　　(2)将20000m3/h空分设备卧式垂直气流分子筛吸附器内的气流分布器由传统挡流板结构替换为多孔管结构，并比较分析了两模型内部速度场的分布。结果表明，传统缓冲板结构作为分布器的在吸附剂床层和壁面均存在诸多问题，而采用多孔管的吸附器能较好地弥补传统结构的缺点，有利于更充分发挥分子筛吸附器的性能。
　　(3)将60000m3/h空分设备卧式垂直气流分子筛吸附器内的气流分布器由单根多孔管结构替换为多根多孔管结构，通过该结构的调整，旨在弥补单根多孔管结构由于吸附器体积增大所带来的不利因素。比较分析单根、两根和三根多孔管结构，综合考虑加工工艺、流程复杂性和制造成本等因素，确定两根多孔管较为合适。
　　(4)验证所采用的吸附器内流场数值计算模型在网格密度上的数值独立性，并对数值计算结果与实际运行吸附器的参数进行比较。结果表明，吸附器进出口的压降和速度的实测结果都与计算值均比较接近，误差在可控范围之内。此外，还通过实际运行吸附器内吸附剂和污氮用量的比较来证明模拟结果的准确性。