径向流吸附器内流动与传热传质理论研究

发布时间：2017-10-23 21:11

  本文关键词：径向流吸附器内流动与传热传质理论研究

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【摘要】：随着对氧、氮、氩等工业气体的需求日益增大,我们亟需研发更大规模的、高效的低温空分系统。在低温空分过程中,为保证系统安全运行,吸附纯化过程至关重要；然而其能耗较高、吸附剂利用率较低,是目前制约空分系统大型化发展的突出瓶颈。径向流吸附器具有占地面积小、床层压降小、再生能耗低等优点,在国内外大型和超大型空分系统中得到了广泛应用。然而,径向流吸附器内通常存在流体沿吸附床层轴向高度分布不均匀,这会降低床层吸附剂的利用率,导致系统运行安全问题。关于径向流吸附器内流动与传热传质耦合过程的理论研究尚不完善。针对上述问题,本文开展了以下研究工作： (1)建立了H20和C02混合气体在活性氧化铝和分子筛吸附剂中竞争吸附的二维非稳态数值模型,采用多组分DA方程来描述二元混合气体在活性氧化铝和分子筛吸附剂中的吸附平衡,采用线性驱动力模型描述吸附质气体与吸附剂的传质过程,采用有限体积法对偏微分方程组进行离散,采用Fluent中Couple算法对离散后的组分方程、动量方程和能量方程等进行耦合计算。 (2)基于上述非稳态模型对径向流吸附器内吸附过程的流动与传热传质过程进行模拟计算,得到了H20和C02气体浓度分布及吸附床穿透时间、床层温度分布规律,分析了吸附源项对流场的影响。结果显示,气体较多地流过吸附床层的顶端,导致床层顶端吸附剂被穿透时,其他区域的吸附剂还未吸附饱和,吸附器切换时间变短,效率大为降低。另外,对中心流道内置导流圆管结构的径向流吸附器进行计算。发现内置圆管后,吸附器内的流场和浓度场分布更加均匀,吸附剂的利用率更高。在空气处理量为750m3/h时,吸附器对水蒸气和二氧化碳的吸附量比不加导流圆管时分别增加了2.3%和1.2%。 (3)对Z型径向流吸附器内的压降和流动特性进行分析,研究了主要结构参数(床层轴向高度和吸附剂颗粒直径)对吸附器内流体分布的影响。同时针对实验室已有的一台Z型径向流吸附器,采用理论求解和实验数据对照的方法验证了模型的可靠性。结果表明,减小吸附床层轴向高度和吸附剂颗粒直径能显著提高Z型径向流吸附器内流体分布的均匀性；当空气的运动粘度和其他结构参数不变时,吸附器的空气处理量在一定范围内变化对吸附床层内流体的均匀性影响不大。
【关键词】：径向流吸附器 竞争吸附 数值计算 结构优化 空气分离
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 主要符号表8-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 研究背景和意义12-15
• 1.2 国内外研究现状15-23
• 1.2.1 径向流容器流动特性15-16
• 1.2.2 分子筛吸附实验研究16-19
• 1.2.3 吸附模型的建立19-23
• 1.3 存在的问题23
• 1.4 本文的主要研究工作23-26
• 第2章 竞争吸附过程中的流动与传热传质模型建立26-38
• 2.1 模型建立26-31
• 2.1.1 条件假设26
• 2.1.2 数学模型26-30
• 2.1.3 模型求解相关参数值30
• 2.1.4 求解方法30-31
• 2.2 模型验证31-36
• 2.2.1 单组分气体吸附平衡量计算值与实验数据对比31-34
• 2.2.2 组分气体竞争吸附穿透时间计算值与实验数据对比34-36
• 2.3 本章小结36-38
• 第3章 径向流吸附器内流动与传热传质过程计算与分析38-54
• 3.1 模型建立38-40
• 3.1.1 物理模型38
• 3.1.2 网格划分38-39
• 3.1.3 初始及边界条件39
• 3.1.4 数值求解39-40
• 3.2 结果与分析40-46
• 3.2.1 吸附床浓度分布40-42
• 3.2.2 吸附床温度分布42-44
• 3.2.3 各组分气体的吸附量44-46
• 3.3 吸附源项对流场的影响46-47
• 3.4 导流圆管对流场和浓度场的影响47-52
• 3.5 本章小结52-54
• 第4章 径向流吸附器流动特性及结构参数优化54-66
• 4.1 引言54
• 4.2 数学模型54-57
• 4.3 求解及结构参数优化57-63
• 4.3.1 求解58-59
• 4.3.2 结构参数优化59-63
• 4.4 优化结果63-65
• 4.5 本章小结65-66
• 第5章 总结与展望66-68
• 5.1 全文工作总结66
• 5.2 主要创新点66-67
• 5.3 展望67-68
• 附录68-74
• 参考文献74-76
• 攻读硕士学位期间所取得的科研成果76-78
• 致谢78

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