本套空分采用分子筛吸附器将被压缩的空气中的H2O、C2H2、CCOO22等杂质相继吸附清除, 吸附器成对交替使用, 一只工作时, 另一只再生。吸附饱和的吸附器利用污氮对分子筛进行加热再生, 再生完全后继续使用。除了在空分正常运行时需要再生分子筛, 在空分设备分子筛吸附器第一次使用前需要对分子筛进行活化处理, 也即需要高温污氮气或者高温减压的纯净空气进行加热再生分子筛。[1,2]本套空分处理空气量为75000Nm3/h, 再生用污氮气量为16500 Nm3/h, 加热流程采用0.4-0.6MPa (G) 蒸汽加热器后串联电加热器使用。
电加热器是空分纯化系统中常用的加热再生污氮气用的加热设备, 在空分纯化系统中起到了重要的作用。本套空分采用易检修更换的U型电加热管电加热器结构型式, 污氮气进入电加热器设备后与电加热管进行气-固热交换, 获得再生分子筛用的高温污氮气, 因此, 污氮气在进入电加热器的过程中的气体分布状态对电加热器电加热管安全稳定使用起到重要的作用。
1 电加热器结构及工作原理
电加热器设备由壳体、接管和电加热管等组件组成, 污氮气从上管口进入电加热器设备, 在上接管及壳体内上段空间进行均布再分配, 其中电加热管上段在污氮气进入换热前起到一定的扰流分布作用, 污氮气在壳体及电加热器内件导向作用下与电加热管进行换热接触, 进行热交换后, 电加热管本身的温度降低, 污氮气吸收了电加热管散发出的热量后, 从下管口出电加热器。因此, 电加热器上接管及壳体上段对污氮气的导向和分布起到关键作用, 均匀分布的气体有利于防止电加热管的局部高温, 防止电加热管烧坏。本文以15000 Nm3/h空分纯化系统用再生电加热器为研究对象, 采用了FLUENT软件对电加热器上段进行模拟分析, 电加热器结构示意图如图1所示。
2 气体流动原理
流体的运动一般遵循三个最基本的守恒定律, 那就是质量守恒、动量守恒和能量守恒。对质量守恒、动量守恒和能量守恒的数学方程进行统一表达, 如下公式所示。
其中, ϕ代表某一个变量, Γ是扩散系数, S是源项, 注意这里Γ和S是对应特定的变量ϕ来说的。公式中从左到右的四项分别是时间项、对流项、扩散项和源项。将ϕ取为不同的变量, 并取扩散系数和源项为适当的表达式, 就可以得到连续性方程、动量方程和能量方程。[3]
3 Fluent软件模拟及分析
3.1 模型建立及网格边界条件
基于电加热器设备结构参数对模型进行了假设和简化, 建立了三维对称模型, 进行网格划分。模型结构示意图如图2所示。
边界条件设置选择速度入口、自由出流, 求解模型采用Simple算法的非耦合型求解器。入口速度为23.13m/s, 入口温度为144℃, 入口压力为7KPa。
3.2 模拟及分析
对模型进行了Fluent流场模拟分析, 得到了模型的压力场分布, 进出口压力差值为1.27KPa, 模型压力场分布图如图3所示。分析模型的流场流动轨迹线, 污氮气在电加热器顶部空间内, 由于电加热管的扰流作用得到了一定程度的缓冲和均布, 流动轨迹线分布图如图4所示。对模型的出口截面速度分布进行分析, 模型出口截面速度分布图如图5所示, 由于电加热管束的结构和电加热器的管束排布原因, 污氮气的流动集中在电加热管束的中间位置, 而电加热器的中间部分管束的流量值相对较大, 并且在各个管束之间存在流动的不均匀现象, 取各个管束的流量值进行对比, 模型出口截面速度分布表见表1所示, 流量最大的管束为序号3, 流量最小的管束为序号6, 流量最大和最小的偏差值约为-7.10~3.20%。从图5中可以发现流量值相对较大的管束分布在圆截面的中间位置, 流量值相对较小的管束分布在圆截面的圆周附近, 其中流量最小的管束1和管束6将会散热效率最差造成该管束的电加热管发热温度最高, 也就是靠近入口管位置和远离入口管位置的管束1和管束6的电加热管最容易烧坏。
4 结语
通过本文的研究, 可以知道:
4.1模型的压力场分布计算得出进出口压力差值为1.27KPa, 可以估算出该电加热器的通过阻力降约为2.5KPa左右。
4.2 电加热管的扰流作用能够起到一定程度的气流缓冲和均布作用, 具体的均布作用大小需要进一步的对比研究。
4.3污氮气在电加热器中的流动存在不均匀现象, 流量较大的位置集中在电加热器截面中间位置的电加热管束, 流动的偏差约为-7.10~3.20%。4.4
4.4 电加热器的管束在工作时, 靠近入口管位置和远离入口管位置的电加热管最易烧坏。
4.5 电加热器管束中的流动集中在电加热管环绕的中心位置, 均布较差, 即电加热管束的结构具有一定的改进空间。
本文的研究由于计算机处理能力的限制, 没有对电加热器整体进行研究, 因此, 没有考虑到电加热器下段、电加热管固定结构和电加热管与污氮气热交换因素的影响, 需要在下一步的研究中进一步的分析。
摘要：本文研究了15000Nm3/h空分纯化系统用再生电加热器的流场分布, 计算得到了流量分布的不均匀偏差约为-7.103.20%, 确定了电加热器中最易烧坏的电加热管位置点, 估算该电加热器的通过阻力降约为2.5KPa左右。
关键词：空分,纯化系统,再生,电加热器,流场分析
参考文献
[1] 毛绍融, 朱朔元, 周智勇.现代空分设备技术与操作原理[M].杭州:杭州出版社, 2005.
[2] 叶必楠, 沈雪传, 顾福民.现代小型空分操作与安全答疑[M].杭州:杭州出版社, 2007.
[3] 王瑞金, 张凯, 王刚.Fluent技术基础与应用实例[M].北京:清华大学出版社, 2007:35.