变压吸附系统气流分布器结构对分配性能的影响

　　1 引言

　　变压吸附(Pressure Swing Adsorption,简称PSA)是一种工业常用的气体分离技术,目前广泛应用于制氧、制氮等方面^[1-2]。小型PSA与其它气体分离技术相比,更具有经济性。随着工业的发展,PSA起的作用越来越重要,其发展前景也十分广泛^[3]。吸附剂的低效吸附性能是制约其发展的主要因素之一,如何改善吸附剂的吸附性能,提高吸附效率一直得到了很多学者的关注。吸附柱的入口气流分配不均匀,会造成空气在部分吸附剂中快速穿透,从而产生不纯氧气而影响产品的纯度,以及其它部分吸附剂未被利用的缺陷,这样严重影响了吸附剂的利用效率、产品质量及气体回收率^[4]。目前对于此方面的研究比较缺乏,仅仅文献^[5]做了类似研究。本文研究了分布器结构对入口流场的影响,为变压吸附系统的优化设计打下了基础。

　　2 数值模型

　　2.1 物理模型

　　图1为目前工业用的传统型吸附柱分布器的物理模型。模型尺寸是根据实际的吸附柱分布器的几何尺寸而来,其主要结构尺寸为入口管直径10mm,分布器为漏斗型结构,吸附柱分布器直径为82mm,长为50mm。为了以后方便讨论分布器结构对分配性能的影响,定义了分布器的结构参数,漏斗的倾斜角度B。

　　2.2 控制方程组

　　吸附柱入口内部流体流动的情况可用如下方程组来描述。

　　(a)连续方程

　　(b)动量方程

　　x方向动量方程:

　　y方向动量方程:

　　z方向动量方程:

　　2.3 边界条件及收敛条件

　　(1)入口条件:给定进口速度及进口扰动强度系数;

　　(2)出口条件:试验中所测定的背压;

　　(3)固体壁面条件:u=v=w=0;T=Tw;

　　(4)收敛条件:其残差绝对值小于10-5。

　　3 计算结果及其分析

　　3.1 不同入口平均Reynolds数对物流分配不均匀的影响为了方便形象地表述流体在分布器内部流动的情况及分布不均匀的问题,截取入口管中心线所在的二维平面作为表达的对象。图2是吸附柱中传统气体分布器(B=30b),在不同入口平均Reynolds数时的中心截面流场矢量图。从截面流速分布情况来看吸附柱入口内部的流场存在严重的不均匀性,整个分布器内部流体流动从入口到出口相当集中,大部分高速流体都集中在分布器中心位置。在分布器出口面上,大部分流体都是从分布器入口管对应的区域内喷射而出,由于流场中突扩区域的存在,形成一定程度的回流,流体在中心与两侧区域流速相差较大,流速由中间向两端递减,流速以入口管轴线成对称分布,同时这种速度分布的不均匀性随着入口平均Reyn-olds数的增大而增大。