氣固兩相流變壓吸附制氧的CFD模擬.pdf

1、變壓吸附空氣分離制氧過程涉及傳質(zhì)、傳熱和動量傳遞，體系內(nèi)壓力、濃度和溫度變化復(fù)雜，測量困難。依靠單純實驗研究存在很大的局限，難于獲得吸附分離過程的內(nèi)在機理。因此，相對迅速推廣的工業(yè)應(yīng)用而言，有許多研究工作需要加強。
　　采用計算流體力學(xué)(CFD)軟件FLUENT進行變壓吸附制氧數(shù)值模擬，針對氣相單相多孔介質(zhì)模型不能表現(xiàn)氣體與固體吸附顆粒之間的傳質(zhì)、傳熱問題，通過自定義編程表現(xiàn)變壓吸附分離過程中氣固兩相傳質(zhì)、傳熱，將單相模型完善成氣

2、-固兩相流變壓吸附模型，分析變壓吸附循環(huán)過程氣-固兩相的相互作用，探索變壓吸附內(nèi)在機理。采用CFD方法研究了顆粒直徑、反吹率對變壓吸附制氧性能的影響，以更好地指導(dǎo)試驗和分析吸附填充床內(nèi)的流動分布規(guī)律，主要內(nèi)容有:
　　根據(jù)變壓吸附空氣分離制氧基本原理，確定其傳質(zhì)速率模型和兩相平衡模型，采用FLUENT的用戶自定義函數(shù)(UDF)功能，將傳質(zhì)模型和平衡模型與多孔介質(zhì)模型耦合，以反映氣-固兩相傳質(zhì)作用。通過用戶自定義標量(UDS)功能，

3、引入固相能量方程，將多孔介質(zhì)單相模型整合為更加完善的氣-固兩相流變壓吸附制氧固定填充床模型。從組分Langmuir等溫曲線模擬與實驗對比、網(wǎng)格獨立性測試、粘性模型使用對比及出口平均氧氣摩爾分數(shù)模擬與實驗對比等方面，驗證氣固兩相流變壓吸附模型的可靠性。
　　基于建立的可靠兩相流變壓吸附模型，對常用兩床四步變壓吸附制氧循環(huán)進行模擬分析，得到不同循環(huán)內(nèi)四步結(jié)束時吸附床內(nèi)氣相氧氣摩爾分數(shù)分布，組分在固相中的吸附濃度及兩相溫度的變化等情況。

4、結(jié)果表明:首次循環(huán)結(jié)束氧氣最高摩爾分數(shù)可達72.0％，回收率在31.4％左右，氣固兩相溫度波動在10K左右。非穩(wěn)態(tài)循環(huán)期間，氧氣摩爾分數(shù)和回收率都隨循環(huán)次數(shù)增加而增加，但增加速度逐漸減小，在第6個循環(huán)時達到穩(wěn)態(tài)。循環(huán)穩(wěn)定后，氧氣最高摩爾分數(shù)可達99.9％，氧氣回收率在39.5％左右。固相中組分的吸附濃度只取決于氣相中組分的摩爾濃度，與氣相組分的摩爾分數(shù)沒有必然關(guān)系。多孔介質(zhì)兩相區(qū)氣-固溫度變化主要是因為氮氣吸附和脫附作用。
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