肖 露

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 瓦斯研究分院，重慶 400037)

低濃度煤層氣深冷液化系統(tǒng)需要采用變壓吸附深度干燥系統(tǒng)除掉原料氣中的水及殘余的酸性氣體[1-2]，制冷系統(tǒng)需要采用變壓吸附工藝系統(tǒng)進(jìn)行空氣分離制氮，這兩個系統(tǒng)必須達(dá)到相應(yīng)的露點(diǎn)要求，才能避免造成后續(xù)冷箱內(nèi)流體通道“冰堵”停車[3]。變壓吸附工藝依靠多孔介質(zhì)完成氣體的干燥[4]，氣體壓縮、吸附及再生需要消耗較多的能量，能量的輸入主要依靠吸附塔前端的原料氣壓縮機(jī)，對于大規(guī)模用氣場所，控制設(shè)備運(yùn)行時的操作費(fèi)用顯然比控制投資更有意義[5]。文獻(xiàn)[6]在研究低濃度煤層氣干燥系統(tǒng)的可用能分析中，忽略了吸附過程中流體相的徑向速度梯度，采取近似的平推流模型對系統(tǒng)進(jìn)行分析，而在實際工況下通常是很難嚴(yán)格實現(xiàn)的。在實際工況下，氣體在吸附塔內(nèi)的流動通常是不均勻的，這主要與不合理的吸附塔進(jìn)口結(jié)構(gòu)有關(guān)，比如封頭和布?xì)庀到y(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計欠佳[7]，在高效的設(shè)備中，各種制造公差[8]等因素也可能引起吸附塔內(nèi)的物流分配不均。在干燥裝置中，水和酸性氣體作為吸附相被吸附劑吸附，如果裝置內(nèi)部的氣體分配不均的情況嚴(yán)重，吸附塔中心的流速過大，可能造成流體偏流，使塔中心吸附相穿透(即“水泄漏”)，影響干燥效果，進(jìn)而可能造成后端煤層氣液化冷箱因累積掛冰絮體而出現(xiàn)“冰堵”，此時如果減少吸附時間，則靠近吸附塔壁面的吸附劑無法得到充分利用。為了消除這個影響，防止物流分配不均，需在吸附塔入口處設(shè)置布?xì)庀到y(tǒng)。筆者基于計算流體力學(xué)(CFD)，對吸附塔進(jìn)口端的布?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，給出低濃度煤層氣吸附干燥裝置布?xì)庀到y(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化方法。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

低濃度煤層氣是黏性流體，在圓柱形吸附塔內(nèi)沿軸向流動時存在邊界層，氣流速度在徑向不可能均勻分布，會產(chǎn)生徑向梯度[9]。通過求解速度控制方程，可知速度大小沿徑向呈拋物線形分布，速度在中間最大，向兩側(cè)逐步減小，直至壁面上速度為0，如圖1 所示。

圖1 吸附塔截面不同位置上的速度矢量分布

要控制煤層氣在吸附塔內(nèi)流動的不均勻性，就應(yīng)抑制塔中心的氣體流動，減小氣流速率，使之與兩側(cè)的氣流速率接近，這就涉及到了塔底布?xì)庀到y(tǒng)的設(shè)計。Fleming[10]針對隔離型通道換熱器建立了一種物流分配不均模型，研究了物流分配不均對換熱器性能惡化帶來的影響；Ranganayakulu等[11]采用有限元分析法研究了錯流換熱器入口流體分配不均對換熱性能及阻力的影響。近年來，通過改進(jìn)物流分配結(jié)構(gòu)來改善設(shè)備入口物流分配不均的研究文章較少。Lalot等[12]針對電加熱器入口截面的物流分配不均問題進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)打孔的格柵能夠改善流體的分配狀況；Jiao等[13]通過試驗研究并理論分析了物流分配器的入口角度、結(jié)構(gòu)參數(shù)和封頭結(jié)構(gòu)對流速分布的綜合影響；Zhang等[14]提出了一種中間混合再分配結(jié)構(gòu)。筆者擬在吸附塔內(nèi)部安裝一塊打有小孔的擋板，通過增大吸附相的流動阻力，以降低煤層氣的不均勻性。然而，不同的吸附塔，布?xì)庀到y(tǒng)的孔的最佳分布形式不同。

圖2為吸附塔入口的幾何體模型。圖2(a)吸附塔下端入口為一直徑16 mm的金屬管，管內(nèi)氣體流速11.2 m/s，與直徑為220 mm的吸附塔相接，封頭為一近似的半球體，上側(cè)圓柱塔體高220 mm(封頭末端與吸附劑之間的空間距離)。圖2(b)為該幾何體在Gambit下的網(wǎng)格劃分圖。

(a)吸附塔入口段幾何體

為了使計算準(zhǔn)確，可將吸附塔分成下端小管、半球體封頭、上端柱體3個部分。由于三者的幾何外形和尺寸不同，故分別采用TGrid、Cooper辦法對其進(jìn)行劃分，各部分之間采用interface聯(lián)結(jié)，網(wǎng)格單元的尺寸也不相同。上側(cè)柱體由于尺寸相對較大，給出了適當(dāng)?shù)倪吔鐚?。添加布?xì)庀到y(tǒng)的目的主要是緩沖吸附塔中部氣體的射流，減小邊緣與中部氣流速度的差異，使氣體進(jìn)入吸附劑前速度達(dá)到基本均勻。

用FLUENT軟件模擬幾何體的流動時，主要解算以下幾個方程：

1)連續(xù)性方程

?·(ρU)=0

(1)

2)動量方程

將吸附塔入口處的流動看作穩(wěn)態(tài)流動,則有：

(2)

式中:ν為黏度，Pa·s；p為流體相絕對壓力，Pa。

3)邊界條件及收斂條件

①下端入口：采用速度邊界條件，設(shè)為11.2 m/s；

②上端出口：采用壓力邊界條件，背壓為吸附壓力(0.35 MPa)；

③壁面：采用無滑移條件(u=v=w=0)；

④收斂條件：當(dāng)各殘差小于10-3時收斂。

求解控制方程式(1)、(2)時采用有限容積法，采用SIMPLE算法對速度和壓力進(jìn)行耦合，對流項采用一階迎風(fēng)差分格式，在計算過程中選用k-ε兩方程紊流模型[15-16]。數(shù)值計算的目的是分析流體相在進(jìn)入吸附劑前速度的不均勻性，因此在吸附塔出口直徑方向上均勻取100個點(diǎn)，對這些點(diǎn)的軸向速率值進(jìn)行處理，尋找控制速度不均勻的方法。用絕對不均勻系數(shù)S來評價速度的不均勻性，定義如下：

(3)

(4)

2 布?xì)庀到y(tǒng)設(shè)計計算

通過計算得出沒有布?xì)庀到y(tǒng)時吸附塔內(nèi)的流體速度分布，如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)，在不考慮布?xì)庀到y(tǒng)時，氣流分配不均現(xiàn)象極其嚴(yán)重，絕對不均勻系數(shù)S=1.028。由于流場中突擴(kuò)區(qū)域的存在，流體相中心速度與壁面附近速度相差很大，流體速度沿中軸線呈對稱分布。通過進(jìn)一步計算發(fā)現(xiàn)，不均勻性隨著入口速度的增大越來越嚴(yán)重，這也證明了氣流分配不均是由于封頭處結(jié)構(gòu)不當(dāng)而引起的。由于中心氣流速度過大，水分子容易過早穿透吸附劑，而周圍其余部分流體流速與吸附速度相對較慢，未形成同步穿透，造成該部分吸附劑無法被充分利用。因此在吸附塔入口處增加適當(dāng)結(jié)構(gòu)的布?xì)庀到y(tǒng)十分必要。

(a)速度分布云圖

為了減小中心部位的氣流速度，需要增大氣體的阻力，可在封頭上部安裝一個打有很多孔的擋板，稱之為布?xì)庀到y(tǒng)，如圖4所示。圖4中的布?xì)庀到y(tǒng)孔徑一致，孔徑為3.0 mm，按順序整體排列。本實驗裝置的布?xì)庀到y(tǒng)安裝在封頭上部柱體中部，離吸附劑入口約 110 mm。

圖4 吸附塔底布?xì)庀到y(tǒng)(孔徑一致、順序排列)

布?xì)庀到y(tǒng)由于孔板的作用，使得中間區(qū)域流體在流動過程中遇到了較大的阻力，大量流體被擠往周圍壁面附近，可有效改善原有塔內(nèi)流體相流速中間大、外側(cè)小的不均勻狀況，避免流速過大。增加布?xì)庀到y(tǒng)前后速度分布對比曲線如圖5所示。

圖5 增加布?xì)庀到y(tǒng)前后吸附塔出口截面速度比較

由圖5可以看出，增加了布?xì)庀到y(tǒng)后，軸線與壁面附近的氣流速度差異大大減小，絕對不均勻系數(shù)S由1.028減小到0.321，速度分布的均勻性得到了改善，但改善效果并沒有達(dá)到最佳。如果對孔的大小和布排方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，還可以進(jìn)一步減小絕對不均勻系數(shù)S。

3 布?xì)庀到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

孔板型布?xì)庀到y(tǒng)的引入改善了氣體分流的均勻性。如果要進(jìn)一步改善分流效果，使布?xì)庀到y(tǒng)在實際工程當(dāng)中得到更好的應(yīng)用，還需要通過對比分析，對布?xì)庀到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對孔的直徑和孔在擋板上的布排方式進(jìn)行優(yōu)化，使其在滿足經(jīng)濟(jì)性的前提下具有良好的氣流分配特性。

在增加如圖4所示的布?xì)庀到y(tǒng)后，氣流速度分布的均勻性雖然得到改善，但吸附塔軸線附近的氣流速度依然與壁面附近的氣流速度相差較大，可以考慮抑制中心氣流速度、增大靠近壁面的氣流速度。在原來布?xì)庀到y(tǒng)孔分布的基礎(chǔ)上，將中心部位孔的直徑由3.0 mm減小到1.5 mm，以增大中心部位氣流阻力；將壁面附近孔的直徑由3.0 mm增大到 4.5 mm，以減小壁面附近氣流阻力，如圖6 所示。

圖6 改進(jìn)后布?xì)庀到y(tǒng)(孔徑遞增、順序排列)

與均勻孔的布?xì)庀到y(tǒng)相比，中心部位軸線附近孔的直徑由3.0 mm減小到1.5 mm，壁面附近孔的直徑相應(yīng)地增大到4.5 mm，對此布?xì)庀到y(tǒng)氣流速度進(jìn)行計算分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 孔徑遞增、順序排列時的布?xì)庀到y(tǒng)吸附塔出口截面氣流速度比較

從圖7可以看出，布?xì)庀到y(tǒng)改進(jìn)以后，軸線附近的氣流速度明顯減小，靠近壁面的氣流速度明顯增大，絕對不均勻系數(shù)S減小到0.142，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場的“病態(tài)”分布形式進(jìn)一步得到了改善，而且比均勻孔徑的布?xì)庀到y(tǒng)(S=0.321)性能更加優(yōu)越。均勻孔徑的布?xì)庀到y(tǒng)僅僅使氣流通過孔板發(fā)生滲流，達(dá)到均勻分配的目的，并沒有特意改變氣流的分布。改進(jìn)后的布?xì)庀到y(tǒng)，由于孔徑由內(nèi)到外遞增，孔口的當(dāng)量截面面積呈不均勻分布，正好符合氣體流動的分配特征，較小的孔徑增大了軸線附近的流動阻力，從而使靠近壁面附近孔中的氣流增多，較大的孔徑又保證了分流來的氣體能夠順利通過，效果明顯好于均勻孔板型布?xì)庀到y(tǒng)。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，如果將圖6中的布?xì)庀到y(tǒng)的孔徑保持不變，但將孔的排列方式改為正三角形排列(孔徑相同的圓孔圓心可組成正三角形)，分流效果會更好，如圖8所示。

圖8 正三角形排列、孔徑遞增布?xì)庀到y(tǒng)

正三角形排列時絕對不均勻系數(shù)S減小到0.101。當(dāng)圓孔改為正三角形排列時，壁面附近的打孔率增大(軸線附近孔徑小，打孔率變化不明顯)，從而增大了氣體的流動面積，由擋板引起的流動阻力必然減小，絕對不均勻系數(shù)S進(jìn)一步減小。各種布?xì)庀到y(tǒng)分流效果比較如圖9所示。

圖9 各種布?xì)庀到y(tǒng)吸附塔出口截面氣流速度比較

由圖9可以看出，在吸附塔中增加布?xì)庀到y(tǒng)后，其出口截面氣流速度分布得到了明顯的改善。然而，對于長期使用的低濃度煤層氣干燥系統(tǒng)，必須從耗能的角度進(jìn)行考慮，增加布?xì)庀到y(tǒng)后，必然會增大干燥裝置的阻力，影響氣體的流量，增加壓縮機(jī)的功耗，這個結(jié)果是難以避免的，但卻不是所期望的。所以除了對布?xì)庀到y(tǒng)孔徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計外，還必須配置適當(dāng)?shù)膿醢褰Y(jié)構(gòu)，以得到氣流均勻分配和阻力大小的最佳結(jié)合點(diǎn)。圖8中有3種孔徑，接近中心的流體速度大，靠近壁面的流體速度小。打有小孔的區(qū)域是氣流入口流動小管對應(yīng)截面的中心。文獻(xiàn)[7]顯示了中孔的面積比(中孔面積占所有孔面積的比例)對氣流分布和壓降的影響最大，而且還存在最佳的中孔面積比。

4 結(jié)論

增加布?xì)庀到y(tǒng)可以較好地改善氣體速度的分布。由于布?xì)庀到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，無需對原有設(shè)備結(jié)構(gòu)與流程進(jìn)行較大的改造，具有較好的應(yīng)用價值。通過對低濃度煤層氣吸附干燥裝置入口的布?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)論如下：

1)對于實際應(yīng)用中的基本圓柱干燥塔，由于進(jìn)氣管與塔體連接處結(jié)構(gòu)設(shè)計欠佳，軸向氣流分配不均的情況非常嚴(yán)重。

2)在吸附塔內(nèi)安裝孔板型布?xì)庀到y(tǒng)，如果擋板上小孔整體排列，孔徑均為3.0 mm，吸附塔出口截面氣流速度的絕對不均勻系數(shù)S由1.028下降到0.321，均勻性得到改善。

3)改進(jìn)型的布?xì)庀到y(tǒng)可進(jìn)一步減小氣流速度的絕對不均勻系數(shù)。如果將布?xì)庀到y(tǒng)中心的孔徑減小到1.5 mm，將靠近壁面的孔徑增大到4.5 mm，絕對不均勻系數(shù)S可進(jìn)一步下降到0.142；如果再將小孔改為正三角形排列，絕對不均勻系數(shù)S還會下降到0.101。

4)通過對擋板型布?xì)庀到y(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，吸附塔入口處的氣流分布更加均勻。計算和定量分析表明，改進(jìn)型擋板結(jié)構(gòu)可顯著改善布?xì)庀到y(tǒng)的布?xì)饩鶆蛐浴?/p>