[发明专利]一种基于Fluent的变压吸附碳捕集的优化方法

权利要求书

1.一种基于Fluent的变压吸附碳捕集的优化方法，其特征在于，包括吸附CO₂的吸附床模型的建立和计算流体力学模型的建立；具体步骤如下：

步骤一、吸附CO₂的吸附床模型的建立

设定吸附床的基本参数，包括床层长度L、床层直径d_int、床层孔隙率ε和吸附床壁面厚度l；利用Fluent软件中的ICEM软件画出的吸附床几何模型，将吸附床的圆柱形结构简化为长方形结构，采用四边形结构网格进行网格划分，网格尺寸为0.3mm*0.3mm，从而建立了吸附CO₂的吸附床模型；

步骤二、吸附CO₂的计算流体力学模型的建立

首先，进行模型假设，设定：吸附床内填充的吸附剂材料为均质体；被吸附的气体为理想气体；气体流过吸附剂材料区域为层流；吸附剂材料物性恒定；

利用Fluent软件对CO₂吸附过程进行数值模拟，建立质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程；

质量守恒方程包括单个气体组分的质量守恒方程以及总质量守恒方程：

气相单相质量守恒方程：

总质量守恒方程：

式(1)至式(4)中：ρ_g为气体密度，kg/m³；y_i为组分i的质量分数；为速度矢量，m/s；D_disp是轴向扩散系数，m²/s；ε为床层孔隙率；S_c为总气相质量源项；S_i为气相单相质量源项；ρ_p是吸附剂颗粒密度，kg/m³；M_i是i组分摩尔质量，kg/mol；q_i是吸附剂对吸附组分i的吸附量，mol/kg；

对于式(2)和(4)中的偏微分方程用线性推动力模型表示如下：

式(5)中，k_L,i为组分i的传质系数，1/s；q_i^*是吸附剂对组分i的平衡吸附量，mol/kg，吸附平衡模型如下：

式(6)和(7)中，q_m,i是吸附剂对组分i的最大吸附量，mol/kg；P_i是组分i的分压，Pa；k₀是吸附平衡模型的吸附常数，1/Pa；n是吸附平衡模型的吸附常数；ΔH_i是组分i的吸附热，J/mol；

动量守恒方程：

式(8)和式(9)中，S_m为动量守恒方程源项；μ_g是气相黏度，Pa s；ρ_g是气相密度，kg/m³；d_p是吸附剂颗粒直径，m；

能量守恒方程包括热平衡模型和非热平衡模型；

热平衡模型如下：

式(10)和式(11)中，E_f为流体总能，J/m³；E_s为吸附床内吸附剂材料的总能，J/m³；S_e为能量方程的源项；k_eff为吸附床内吸附剂材料的有效导热系数，W/m K；

非热平衡模型包括气相能量守恒方程和固相能量守恒方程：

气相能量守恒方程：

固相能量守恒方程：

式(12)至(15)中，C_v,g为气体混合物在体积恒定时的比热容，J/kg k；C_p,g为气体混合物在恒压时的比热容，J/kg k；C_s为固体吸附剂的比热容，J/kg k；T_g为气体温度，K；T_s为固体温度，K；λ_L为轴向气体导热系数，W/m K；h_w为气相与壁面有效换热系数，W/m²K；d_int为床层直径，m；h_f为气相与吸附剂固相的有效换热系数，W/m² K；S_e1为气相能量方程的源项；S_e2为固相能量方程的源项；

步骤三、吸附CO₂的计算流体力学模型的求解，包括：

步骤3-1、编写用户自定义函数，对上述质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程进行求解，使用3个用户定义的标量和6个用户定义的内存；其中，3个用户自定义标量是为了计算吸附剂材料对气体的吸附量q_i，以及对固体温度T_s的求解；6个用户自定义内存是为了计算吸附剂材料对气体的平衡吸附量q_i^*，以及吸附剂材料吸附气体时产生的吸附热；

步骤3-2、设定变压吸附的初始及边界条件

初始条件包括初始时刻吸附床层内的温度、压力和气体组分；

吸附床层的边界条件如下：

进口采用速度进口，设定进气速度、进气温度、进气压力和气体组分；

出口采用压力出口；

吸附床壁面选用无滑移绝热边界条件；

步骤3-3、CO₂吸附过程的数值求解

Fluent软件通过离散控制方程从而模拟整个吸附过程，最终得到吸附结果，吸附结果吸附过程中吸附床层内的温度、压力、气体组分和吸附剂材料所吸附的CO₂质量随时间的变化；

控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程以及压力方程、密度方程和压力-速度耦合方程；

离散方法与控制方程的对应关系如下：

与质量守恒方程对应的离散方法是二阶迎风格式；

与动量守恒方程对应的离散方法是二阶迎风格式；

与能量守恒方程对应的离散方法是二阶迎风格式；

与压力方程对应的离散方法是PRESTO！；

与密度方程对应的离散方法是QUICK；

与压力-速度耦合方程对应的离散方法是Coupled；

在求解过程中，时间步长设为0.01s，计算过程中实时监测残差曲线，在瞬态计算中，计算过程中至少要保证各项参数的残差保持在10^-3以下，且进出口气体流量满足连续性条件时，则认为该CO₂吸附过程模拟结果有效；

步骤四、优化CO₂吸附过程

当一个吸附过程结束后，根据吸附结果，返回步骤3-2调整初始条件或边界条件，从而找到对应吸附床层最优的吸附条件。