徑向流吸附器內(nèi)流動(dòng)與傳熱傳質(zhì)理論研究.pdf

1、隨著對(duì)氧、氮、氬等工業(yè)氣體的需求日益增大，我們亟需研發(fā)更大規(guī)模的、高效的低溫空分系統(tǒng)。在低溫空分過程中，為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，吸附純化過程至關(guān)重要;然而其能耗較高、吸附劑利用率較低，是目前制約空分系統(tǒng)大型化發(fā)展的突出瓶頸。徑向流吸附器具有占地面積小、床層壓降小、再生能耗低等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外大型和超大型空分系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，徑向流吸附器內(nèi)通常存在流體沿吸附床層軸向高度分布不均勻，這會(huì)降低床層吸附劑的利用率，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行安全問題。關(guān)于

2、徑向流吸附器內(nèi)流動(dòng)與傳熱傳質(zhì)耦合過程的理論研究尚不完善。針對(duì)上述問題，本文開展了以下研究工作:
　　(1)建立了H2O和CO2混合氣體在活性氧化鋁和分子篩吸附劑中競(jìng)爭(zhēng)吸附的二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型，采用多組分DA方程來描述二元混合氣體在活性氧化鋁和分子篩吸附劑中的吸附平衡，采用線性驅(qū)動(dòng)力模型描述吸附質(zhì)氣體與吸附劑的傳質(zhì)過程，采用有限體積法對(duì)偏微分方程組進(jìn)行離散，采用Fluent中Couple算法對(duì)離散后的組分方程、動(dòng)量方程和能量方程等進(jìn)

3、行耦合計(jì)算。
　　(2)基于上述非穩(wěn)態(tài)模型對(duì)徑向流吸附器內(nèi)吸附過程的流動(dòng)與傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行模擬計(jì)算，得到了H2O和CO2氣體濃度分布及吸附床穿透時(shí)間、床層溫度分布規(guī)律，分析了吸附源項(xiàng)對(duì)流場(chǎng)的影響。結(jié)果顯示，氣體較多地流過吸附床層的頂端，導(dǎo)致床層頂端吸附劑被穿透時(shí)，其他區(qū)域的吸附劑還未吸附飽和，吸附器切換時(shí)間變短，效率大為降低。另外，對(duì)中心流道內(nèi)置導(dǎo)流圓管結(jié)構(gòu)的徑向流吸附器進(jìn)行計(jì)算。發(fā)現(xiàn)內(nèi)置圓管后，吸附器內(nèi)的流場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布更加均勻

4、，吸附劑的利用率更高。在空氣處理量為750 m3/h時(shí)，吸附器對(duì)水蒸氣和二氧化碳的吸附量比不加導(dǎo)流圓管時(shí)分別增加了2.3％和1.2％。
　　(3)對(duì)Z型徑向流吸附器內(nèi)的壓降和流動(dòng)特性進(jìn)行分析，研究了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（床層軸向高度和吸附劑顆粒直徑）對(duì)吸附器內(nèi)流體分布的影響。同時(shí)針對(duì)實(shí)驗(yàn)室已有的一臺(tái)Z型徑向流吸附器，采用理論求解和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照的方法驗(yàn)證了模型的可靠性。結(jié)果表明，減小吸附床層軸向高度和吸附劑顆粒直徑能顯著提高Z型徑向流吸附器