变压吸附空分制氧循环过程模拟研究

发布时间：2017-10-03 05:33

  本文关键词：变压吸附空分制氧循环过程模拟研究

  更多相关文章： 变压吸附 空分制氧 FLUENT 气固两相模型 颗粒直径

【摘要】：变压吸附技术具有适用性强、可靠性高、成本低、效率高、环境友好等优点,应用广泛。本文采用FLUENT软件对两床Skarstrom变压吸附空分制氧循环过程进行了模拟研究,分析了循环过程中氧气浓度、气相温度、气体流速及床层压降等的分布情况,同时研究了吸附剂颗粒直径对变压吸附空分制氧的影响,为生产实践提供指导。主要研究内容如下:根据变压吸附空分制氧原理,采用FLUENT用户自定义函数(UDF)功能将传质速率模型和两相平衡模型与多孔介质模型耦合,并利用FLUENT用户自定义标量(UDS)功能引入固相能量守恒方程,建立气固两相流变压吸附空分制氧模型,以反映气固两相的传质、传热和动量传递。通过对七种不同网格数的模型进行模拟来考核网格独立性,得到网格数为50854的模型可满足要求。将各循环出口氧气平均摩尔分数模拟结果与文献中实验结果对比,误差在2%左右,表明所建吸附床模型正确。基于建立的气固两相变压吸附模型,对两床四步Skarstrom循环进行模拟分析,得到各个循环四步结束时吸附床内气相氧气摩尔分数分布、组分在固相中的浓度分布及两相温度变化情况等。结果表明:第一个变压吸附循环结束时,吸附床最高氧气摩尔分数可达58.7%,固相氧气、氮气浓度分别可达0.12mol/kg、1.19mol/kg,氧收率为32.55%。随着循环数的增加,氧气摩尔分数和氧收率都不断升高,并在第六个循环时达到稳定状态,此时,氧气最高摩尔分数为99%,氧收率为53.35%。采用气固两相变压吸附模型,研究了吸附剂颗粒直径对氧气浓度和氧收率的影响。反吹率为0.5时,采用吸附剂颗粒直径0.8mm、1.6mm、2.4mm、3.2mm、4.0mm的模型进行模拟,对比表明:相同条件下,吸附剂颗粒直径越大,床层均流效果越差,不能有效抵挡床层入口气体急流,导致床层易被穿透,氧气浓度大大降低。颗粒直径越小,床层压降越大,同样会减弱吸附效果。吸附剂颗粒直径1.6mm表现最优。
【关键词】：变压吸附 空分制氧 FLUENT 气固两相模型 颗粒直径
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ116.14
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-26
• 1.1 课题的研究背景及意义10-11
• 1.2 空分制氧技术简介11-12
• 1.2.1 低温深冷法11
• 1.2.2 膜分离法11
• 1.2.3 变压吸附法11-12
• 1.3 变压吸附制氧12-16
• 1.3.1 吸附的定义及类型12
• 1.3.2 变压吸附制氧原理12-13
• 1.3.3 变压吸附制氧循环过程13-14
• 1.3.4 变压吸附制氧的步骤14-15
• 1.3.5 变压吸附制氧的应用15-16
• 1.4 变压吸附制氧过程模拟研究16-24
• 1.4.1 吸附分离模型16-22
• 1.4.2 多孔介质固定床的模拟研究22-24
• 1.5 本文主要研究内容24-26
• 2 模型建立与验证26-42
• 2.1 数学模型及模型的处理26-33
• 2.1.1 数学模型26-29
• 2.1.2 传质速率模型和两相平衡模型的耦合29-31
• 2.1.3 吸附源项的求解31-33
• 2.2 物理模型与网格划分33-35
• 2.2.1 物理模型34
• 2.2.2 网格划分34-35
• 2.3 初始条件和模型参数35-36
• 2.4 边界条件36-38
• 2.5 FLUENT设置38-39
• 2.6 模型有效性验证39-41
• 2.6.1 网格独立性考核39-40
• 2.6.2 氧气摩尔分数的模拟与实验对比40-41
• 2.7 小结41-42
• 3 变压吸附循环过程模拟结果与分析42-60
• 3.1 吸附热对制氧过程的影响42-45
• 3.1.1 吸附热对床层温度的影响42-44
• 3.1.2 吸附热对氧气摩尔分数的影响44-45
• 3.2 吸附时间对氧气摩尔分数的影响45-48
• 3.3 第一个循环模拟结果分析48-56
• 3.3.1 两床气体浓度分布48-52
• 3.3.2 床层气体轴向温度分布52-54
• 3.3.3 床层气体轴向速度分布54-55
• 3.3.4 床层气体轴向压力分布55-56
• 3.4 循环稳定前后各循环过程模拟结果分析56-59
• 3.4.1 各循环出口氧气摩尔分数变化56-57
• 3.4.2 各个循环氧收率变化57-59
• 3.5 小结59-60
• 4 吸附剂颗粒直径对制氧过程的影响及动态仿真60-69
• 4.1 吸附剂颗粒直径对制氧过程的影响60-66
• 4.1.1 对氧气浓度分布的影响60-63
• 4.1.2 对氧收率的影响63-64
• 4.1.3 对流速的影响64
• 4.1.4 对压力、压降的影响64-66
• 4.2 动态仿真66-67
• 4.3 小结67-69
• 5 总结与展望69-71
• 5.1 总结69-70
• 5.2 展望70-71
• 参考文献71-76
• 个人简历及攻读硕士学位期间发表论文情况76-77
• 致谢77

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本文编号：963427