・２８・ 程橙等径向吸附塔的流场模拟及优化 研究与开发 径向吸附塔的流场模拟及优化 程橙王 煤 陈 果涂开慧 （四川大学化工学院，成都６１００６５） 摘要利用计算流体力学方法和流体计算软件ＦＬＵＥＮＴ。对变压吸附系统常用的径向吸附 塔进行了数值模拟。对吸附塔内的流场进行了计算和分析。考察了吸附塔高径比对流场的 影响。结果表明，工业用径向吸附塔内部的流场分布不均匀，导致吸附剂利用率低，影响 吸附效果。为此，对吸附塔的结构进行了优化和改进。计算表明，改进后的吸附塔，流场 分布更为均匀。可明显改善吸附效果，提高吸附剂的利用率。 关键词变压吸附塔；ＦＬＵＥＮＴ；流场分布；优化。 中图分类号ＴＱ０５３．５ 文献标识码Ａ Ｄ０Ｉ １０．３９６９６．ｉｓｓｎ．１００６—６８２９．２０１２．Ｏ１．０１０ 目前，国内变压吸附系统使用的吸附塔大多是 从塔底部进气的固定床填料塔。由于吸附过程主要 １ 吸附塔模型的建立 １．１ 物理模型 是依靠气体通过吸附剂的传质过程完成，所以，气体 某工业用径向制氧吸附塔如图１所示，吸附塔 的布气系统由分流流道和集流流道组成，吸附塔床 层位于两流道之间 。被吸附气体从塔底进气口进 入，然后通过分流流道，由侧孔进入吸附剂床层。沿 径向流过吸附剂，进入集流流道。由吸附塔顶部出气 口流出。 在吸附剂床层的分布对于吸附剂的有效利用和气体 吸附效率有着重大的影响。径向吸附塔相对于轴向 吸附塔具有床层压降小、能强制气体均匀分布等优 点，有些变压吸附系统的吸附塔已经由传统的轴向 吸附塔改变为径向吸附塔ｌｌｉ。 近年来，对固定床内流场的研究越来越多地采 用计算流体力学的方法进行翻。钟思青等使用ＣＦＸ 软件对固定床反应器内流场进行了计算．并比较了加 入气体分布器后的流动状况，计算结果与实验吻合［３１； 刘永兵等建立了固定床内流体流动的数学模型，模 拟结果与实验结果吻合［４１：马素娟等数值模拟了径向 流固定床反应器内的流动，得到了反应器内的速度 和压力分布情况［５１；Ｓ Ｎａｔａｒａｊａｎ、Ａ Ｊａｆａｒｉ、Ｈ Ｆｒｅｕｎｄ等 集流流道 分流流道 吸附剂床层 人用ＣＦＤ计算了流体通过填料塔的流场分布并和 实验数据做了对Ｌ［４１。目前，工业上使用的径向吸附 塔的吸附剂利用率不高，吸附效率较低，而对此问题 的研究则较少。 图１ 吸附塔结构 Ｆｉｇ １ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｔｏｗｅｒ 本文采用计算流体力学软件ＦＬＵＥＮＴ，数值模 拟了工业用径向变压吸附制氧吸附塔内流场。考察 了吸附塔高径比对流场的影响，并对吸附塔的结构 进行了优化和改进。 因为吸附塔关于轴向对称，故计算区域只取一 半，计算区域及坐标系见图２（ｒ和 分别表示径向 和轴向，Ｖ，和Ｖ 分别表示径向速度和轴向速度）。 收稿日期：２０１１－１２—１０ ２０１２年第１９卷第１期 化工生产与技术 图２计算区域及坐标系 Ｆｉｇ ２ Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｒｅａ ａｎｄ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ １．２数学模型 假设径向流动吸附床等温且为牛顿型流体，其 数学模型如下［７－ｓ］。 连续性方程： ｝軎 ）ｒ Ｊ＋ ｝ ：）Ｊ一＝．ｕ．－； … （１１ 动量方程： （ ，）０ｖ — ＿ 。ｒｏ（ — —— —Ｊ） ‘‘ — ｉ Ｊ）一 一— ＿＋ ｒ；【；（２）ｚＪ ＝ （【 ＿Ｊ） ）Ｊ寺 一 一 ；【（３ｊ）Ｊ 湍动能： ．） ｒ 。＝ Ｏｒ ） 卜－ｇ－ ［Ｏ￣＋ ｘＩｔ ，Ｊ ｏｋ ］Ｊ＋Ｇ＾ ） 耗散能： ！ ． ！ ｒ 。＝ ｒＯ ｘＩｔ ， ０６］＋軎 Ｉｘｔ ， ０￣：】＋ Ｔ。－（ＣｋＧ —Ｃ２：ＪＤ ）。 （５） 式中，Ｐ为空气密度，Ｐ为压力，５ 和 分别为 径向和轴向动量源项， 和 分别为粘度和漩涡粘 度，ｋ和ｓ分别为湍动能和耗散能，Ｇ 为由层流速度 梯度产生湍流动能； ，ｕ￣＝ｐｃｙ／６。常数取值： Ｃ ０．０９，Ｃｌ １．４４，Ｃ ＝１．９２，ｏｒ ＝１．３，ｏｒ ＝１．０。 １．３边界条件 １）进１５：忽略吸附塔内的压降，且待处理气体作 为不可压缩气体处理，进１：３边界条件设为速度进口， 根据工业实际操作情况，人１５速度设为１２ ｍ／ｓ： ２）出口：设为压力出口； ３）壁面：无滑移，各项速度为０。 Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ・２９・ １．４网格划分和计算方法 选择结构化网格，网格节点３９ ５２２个。采用有 限体积法离散．压力和速度的耦合采用ＳＩＭＰＬＥＣ方 法。离散化方程的收敛标准为残差小于１０ 。 ２分析与讨论 ２．１ 速度分布 图３为吸附塔ｚ＝５ ｍ处径向速度 ，的分布。 ｒ／ｍ 图３径向速度分布（ｚ＝５ ｍ） Ｆｉｇ ３ Ｒａｄｉａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ＝５ ｍ） 由图３可知，因吸附塔结构的对称性．塔中心 ， 为０，分流流道中的气体都向塔中心流动和集中。塔 壁处速度为０，然后沿着径向逐渐增大．在ｒ＝１．２ ｍ 处速度达到最大。气体进入吸附剂层后，受到的阻力 逐渐增大，速度会逐渐减小。这样的结果是ｒ＝１．２ ｍ 附近的吸附剂可能很快被穿透而塔壁附近的吸附剂 尚未吸附饱和，造成了吸附不均匀，吸附剂利用率低。 图４是吸附塔ｚ＝４ ｍ、５ ｍ和６ ｍ处的轴向速 度 ：的分布。 ５ ４ ３ １ ０ ．１ ０ ０ ０ ５ ｌ ０ ｌ ５ ２．０ ２ ５ ｒ／ｍ 图４不同高度处轴向速度分布 Ｆｉｇ ４ Ａｘｉａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈ 从图４可以看出，分流流道中气体流速很大．但 是随着进入吸附剂，气体轴向速度降低很快。在 ＝４ ｍ和ｚ＝５ ｍ处，集流流道中气体速度较小，随着高度 的增加速度增加，到ｚ＝６ ｍ处增加到２．５ ｍ／ｓ。这说 明大量的待处理气体还来不及从径向完全穿透吸附 ・３０・ 程橙等径向吸附塔的流场模拟及优化 研究与开发 剂床层到达集流流道，就通过分流流道从上部吸附 ３ ２剂床层穿过，这样导致了分流流道２侧和靠近上部 ｆ ．邑 不一致的情况会得到改善。而当高径比再继续增大 ，０ ０ ４ Ｎ３．０时，吸附剂床层中气体速度反而有所降低。这 的吸附剂很快被穿透，而靠近集流流道的吸附剂尚 是因为当附剂床层太高时，床层中对于待处理气体 未达到吸附饱和。同时，吸附剂床层各处气体的流速 非常不均匀，各处吸附剂穿透不一致，影响吸附效率。 通过以上分析可知，改造和优化径向吸附塔结 的阻力太大，会大大降低气体流速。达不到提高工作 效率的目的。 从计算看出，吸附塔的高径比太大，吸附剂对于 气体的阻力太大．造成气体速度太小，吸附时间会太 构对于改善吸附效果和提高吸附剂的使用效率都是 非常重要的。 ２．２高径比的影响 径向吸附塔中待处理气体的流动状况不仅受到 吸附塔内部结构的影响，也受到吸附塔的高径比的 影响。图５比较了高径比（ｈ／ｄ）为１．７５、２．５和３．０这 ３种情况下，高度５ ｍ与６ ｍ处轴向速度分布。 ０．０ ０ ５ １．０ １．５ ２ ０ ２ ５ ｒ／ｍ ｆａ）ｚ＝５ ｍ ４ ３ ２ 一 ｌ ● 邑０ 一１ —２ —３ ．４ ０ Ｕ ０ ５ ｌ ０ １．５ ２．０ ２． ｒ／ｍ （ｂ）ｚ＝６ ｍ 图５不同高径比轴向速度 Ｆｉｇ ５ Ａｘｉａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈ／ｄ 由图５可知，高径比为１．７５时，分流流道中气 体最大速度为Ｏ．４ ｍ，床层中气体最大速度为０．５ ｍ／ｓ， 气体速度不均匀；当高径比增加到２．５时，分流流道 中气体最大速度增大至４．８ ｍ／ｓ，吸附剂床层中气体 速度均在２．５ ｍ／ｓ左右。这说明，高径比由１．７５增加 到２．５时．气体进入吸附剂中速度明显增大，提高了 工作效率。虽然此时气体与吸附剂的接触时间会有 所减少，但是气体速度均匀性大大增加，吸附剂穿透 长．而且大高径比的装置生产费用较高；吸附剂高径 比太小，待处理气体速度太大，气体在塔内的停留时 间太短，还未达到吸附饱和就流出吸附塔．造成吸附 剂的浪费。所以综合考虑，高径比为２．５时比为１．７５ 和３．０时都好 ３改进和优化 对于原结构吸附塔的模拟计算可知，分流流道 中气体的速度较大，而吸附剂床层和集流流道中气 体速度很小，导致大量待处理气体未达到吸附效果， 就分流流道快速穿透上部吸附剂床层而流出。改进 的思路是在集流流道两侧增加挡板，强迫待处理气 体通过吸附床层（如图６所示）。改进后的吸附塔的 挡板跟集流流道的距离是２４０ ｍｍ。挡板下部与下 挡板的距离是３５０ ｍｍ。这样做，不仅可以迫使气体 通过吸附床层．而且可以增大气体通过吸附床层的 速度，使整个吸附床层得到更有效的利用。 板 图６改进后吸附塔结构 Ｆｉｇ ６ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｔｏｗｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 图７是改进后的吸附塔４ ｍ、５ ｍ和６ ｍ处的 轴向速度分布。 从图７中可以看出，与改进前相比，待处理气体 在吸附剂床层中的流速和集流流道中的速度显著提 高。说明从分流流道穿透吸附剂床层各处到达集流 流道的气体大大增加。这不仅大大改善了出口气体 ２０１２年第１９卷第１期 化工生产与技术 Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ・３１・ ２ Ｏ ８ ６ ４ ２ ０ ２ ４ ６ ４ 结论 １１对径向变压吸附制氧塔中气体的流动情况进 行了计算，发现改进前大量气体未完全吸附就直接 流出吸附塔，吸附效果不理想：吸附塔高径比对塔内 气体的分布有比较明显的影响： ２１在此基础上，对径向吸附塔的结构进行了改 进，增加了挡板，通过挡板的作用，改善了气体在塔 ０ Ｕ Ｕ ｌ Ｕ Ｉ． ２．ｏ ２ ｒｉｍ 内的流动状况．初步优化了气体在吸附塔内的流动 图７改进后轴向速度分布 状况；同时考虑了开孑Ｌ调节，进一步优化了吸附塔的 Ｆｉｇ ７ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｘｉａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ 结构： 的质量，也大大提高了吸附剂的使用效率，达到了预 ３）改进后的吸附塔达到了预期的优化效果，不 期的改进效果。从图７中也可以看到，气体穿透的不 但增加了处理气体通过吸附床层的速度和速度分布 均匀性也得到了较好的改善。轴向速度大大的提高。 的均匀性，同时也保证了气体的停留时间。这对于工 使得待处理气体在吸附剂床层中的停留时间大大减 业上的实际应用非常重要的： 少，这样容易出现气体吸附不够充分的问题。因此对 ４１计算结果表明，即使优化了吸附塔的某些部 吸附塔做进一步的改进．即对孔进行了双向调节．主 位还是存在“死区”，“死区”的存在减少了吸附剂的 要是针对孔径、开孔密度、孔间的间距作为调整参数。 有效利用。对于“死区”的存在，还是应该通过改变吸 图８比较了３种情况下吸附塔在同一半径处的 附塔的结构来进行优化。 轴向速度分布。 参考文献 １５ ［１］张成芳，朱子彬，徐懋生，等．径向反应器流体均布设计的研 究［Ｊ】．化学学报，１９７９（１）：６７—９０． ｌ０ ［２】穆斌，高韦，贾金明，等．计算流体力学在填充床反应器中的 ’们 应用进展『Ｊ］．化学反应工程与工艺，２００５，２１（２）：１４９—１５６． 毒５ ［３】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ｉｉＥ［Ｊ］．化工学报，２００５，５６（４）：６３２—６３６． ０ 】刘永兵，陈纪忠，阳永荣．固定床流体流动特征数值模拟【Ｊ１． 化学工程，２００６，３４（６）：２６—２８． ．５ ０ ０ ０ ５ ｌ Ｏ ｌ ５ ２．Ｏ ２ ５ ［５】马素娟，蓝兴英，高金森，等．径向流固定床反应器内流动规 ｒｉｍ 律的数值模拟［Ｊ］．石油化工高等学校学报，２００７，２Ｏｆ４）：６８— 图８优化前后ｚ＝５处轴向速度分布 ７１． Ｆｉｇ ８ Ａｘｉａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ（ｚ＝５） 【６】王金福，汪展文．重整径向反应器变况流动布气系统模拟 由８图可知，改进后的２种结构，气体在吸附剂 ［Ｊ］．石油化工，１９９７，２６（９）：５９８—６０５． 床层的速度增大，优化后的吸附塔结构，在增大吸附 ［７］王福军．计算流体动力学分析【Ｍ】．北京：清华大学出版社， 剂床层气体速度的情况下，气体速度均匀性也得到 ２００４． 改善，吸附效果会更好。 ［８］Ｒ Ｄ博德．传递现象［Ｍ１．北京：化学工业出版社，２００４． （上接第３页） Ｃｈｅｍ．２００５．２３３（１）：９９—１０４． ［３Ｏ】范春雷．催化剂五氯化锑使用寿命影响因素的探究［Ｊ］． ［３３】津田武夫，山田康夫，柴沼俊．二氟甲烷的制备方法：中国， 氯碱工业。２００６（４）：２４—３２． １ １６８６６０［Ｐ１．１９９７—１２—２４． 【３１】Ｌｏｕｉｓ Ｌ Ｆｅｒｓｔａｎｄｌｇ，Ｒｉｄｇｅｗｏｏｄ Ｎ Ｊ．Ｆｌｕｏｒｉｎｅ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｉｎ ［３４】Ｇｅｒｒｉ Ｇｕｓｔａｖｏ，Ｈｕｎｔ Ｍａｕｒｉｃｅ ｗｉｌｌｉａｍ，Ｋｅｅｌｅｒ Ｄａｖｉｄ Ｗ，ｅｔ １，１，１－ｔｒｉｈａｌｏｍｅｔｈａｎｅｓ：ＵＳ，４１３８３５５［Ｐ］．１９７９—０２—０６． ａ１．Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｌｆｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅ：Ｗ０。 ［３２】Ｈｕｉ—ｅ Ｙａｎｇ，Ｈｅｎｇ－ｄａｏ Ｑｕａｎ，Ｍａｓａｎｏｒｉ Ｔａｍｕｒａ，ｅｔ ａ１． ９９２５６７０［Ｐ］．１９９９－０５—２７． Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｉｎｔｏ ａｎｔｉｍｏｎｙ ｐｅｎｔａｆｌｕｏｒｉｄｅ－ｂａｓｅｄ ｃａｔａｌｙｓｔ ｉｎ ［３５】山田康夫，柴沼俊，津田武英．二氟甲烷的制造方法：中国， ｐｒｅｐａｒｉｎｇ ｏｒｇａｎｏ—ｆｌｕｏｒｉｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ［Ｊ１．Ｊ Ｍｏｌ Ｃａｔａｌ Ａ： ｌ１５１７２４［Ｐ］．１９９７—０６—１ １．