大型空分设备卧式垂直气流分子筛吸附器内的流场特征分析

　　前 言

　　空分行业通过不断扩大空分设备的规模来满足各行各业对氧、氮、氩等产品持续上升的需求,应对日益突出的能耗问题,但某些单元设备自身的局限性制约着其进一步发展[1],空气纯化系统就是这类单元设备一,其研究难题关键在于如何提高空气处理量、降低能耗等性能指标。目前,国内外大型空分设备对原料空气的净化均采用分子筛纯化系统[2],一般由吸附器、再生加热设备以及阀门、管路和仪电控制设备等组成。分子筛纯化系统通过氧化铝和分子筛吸附净化原料空气中的水分、二氧化碳和碳氢化合物等杂质,避免低温管道的冻结和堵塞,确保空分系统安全运行,具有产品提取量大、操作简便、运转周期长和使用安全、可靠等诸多优点,是空分设备中的重要组成部分[3]。研究表明,分子筛纯化系统的效能不仅受空气温度、湿度、流速、压力以及吸附剂的再生完善程度和吸附床高度等因素的影响,还很大程度上与吸附器的结构设计有关[4]。随着吸附装置规模的扩大,容易出现吸附、再生效果不佳等问题,主要体现在气体分布不均匀、死空间区域增大、边流效应、偏流现象和分子筛粉化等现象,使得分子筛吸附层提前/穿透0,致使其性能下降,能耗增加[5]。目前,通过优化吸附器结构来攻克上述难题已成为空分技术领域重点关注的问题之一。

　　分子筛纯化系统的主要设备是分子筛吸附器,其结构按照气流穿过床层的形式大致可分为以下3种[6]:¹立式轴向气流吸附器;º卧式垂直气流吸附器;»立式径向气流吸附器。卧式垂直气流吸附器是目前国内大中型空分设备所采用的主流形式,该结构的吸附器空气处理量较大,但是随着其结构尺寸的不断增大,气流分配不均匀、难以保持分子筛床层平整且占地面积大等缺点也越加突出[7]。

　　在20000 m3/h空分设备分子筛吸附器内,林秀娜提出了采用以单根多孔管作为气流分布器代替传统缓冲板,使分子筛吸附器内部流场分布得以明显改善,主要体现在分子筛床层的不均匀度变小、吸附器内偏流现象减弱等方面,于是分子筛纯化系统的吸附净化性能更佳,能耗更低[8,9]。相比之下,在特大型空分设备中,例如60000 m3/h空分设备的分子筛吸附器,由于其流场空间更为庞大,若吸附器内径不变,则其长度约为20000 m3/h空分设备分子筛吸附器的3倍,这样势必会影响流场的均匀性。下面通过数值模拟,对采用单根多孔管结构的20000 m3/h和60000 m3/h空分设备分子筛吸附器的流场进行比较分析,结果显示:采用单根多孔管结构的60000 m3/h空分设备分子筛吸附器内流场均匀性和压降均不理想。在此基础上,提出采用多根多孔管取代单根多孔管作为气流分布器,继而综合分析分别采用单根、2根和3根多孔管结构分子筛吸附器内的流场特征。