雙切向環(huán)流式氣體分布器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及分析

胡昌權(quán)，宋文明，馮小波，吳建祥，周加偉，張 梁

（1.中國石油 西南油氣田分公司 重慶氣礦，重慶 400021；2.西南石油大學 機電工程學院，四川 成都 610500）

填料塔是天然氣預處理工藝過程中的核心設(shè)備之一，氣體是否在填料層中均勻分布直接關(guān)系到塔中填料的利用率及氣體處理效果[1-3]。氣體分布器能使氣體在塔內(nèi)均勻分布，目前雙錐導流式、雙列葉片式及雙切向環(huán)流式氣體分布器在工業(yè)領(lǐng)用應用較多[4-9]。其中，雙切向環(huán)流式氣體分布器綜合性能優(yōu)良，但存在局部氣流速度小和回流現(xiàn)象明顯問題，技術(shù)人員和學者因此進行了改進性技術(shù)研究。劉德新等[10]應用計算流體力學（CFD）方法建立雙切向環(huán)流式氣體分布器內(nèi)三維瞬態(tài)氣液兩相流模型，探究了導流葉片數(shù)量、導流板徑向夾角對分布器綜合性能的影響。岳明[11]建立了變壓吸附塔進口氣體分布器數(shù)值模型，研究了操作工況、氣體分布器結(jié)構(gòu)參數(shù)、分布器安裝位置等因素對分布器性能的影響并提出優(yōu)化參數(shù)范圍。金新民[12]以FLNG填料塔內(nèi)氣體分布器為研究對象，搭建了在晃動工況下氣體分布器試驗裝置，并結(jié)合數(shù)值仿真方法，研究了晃動工況對氣體分布器性能的影響，得到了晃動對填料塔內(nèi)氣體分布器性能的影響規(guī)律。李雪[13]針對大型火電廠CO2吸收塔的設(shè)計，利用CFD模擬方法，研究了大直徑新型規(guī)整填料塔氣體分布器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。洪都等[14]提出了一種雙層多環(huán)大孔徑氣液同軸噴射分布器，進行了單噴嘴冷模實驗和分布器CFD模擬計算，結(jié)果表明新結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)進料氣、液的均勻分布，氣體均布性能受負荷波動影響較小。

文中提出了2種方案改進現(xiàn)有氣體分布器結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬的方法對比改進模型與原模型的性能差異，優(yōu)選分布器結(jié)構(gòu)。利用響應曲面方法(RSM)，研究不同結(jié)構(gòu)和流動參數(shù)交互作用下對分布器工作性能的影響規(guī)律。

1 雙切向環(huán)流式氣體分布器建模

1.1 結(jié)構(gòu)及改進模型

雙切向環(huán)流式氣體分布器裝配模型見圖1。雙切向環(huán)流式氣體分布器安裝在罐體內(nèi)，主要由分流板、導流葉片、頂板以及內(nèi)筒組成。頂板為環(huán)形，緊貼罐體內(nèi)壁面安裝。內(nèi)筒、頂板及罐體內(nèi)壁面構(gòu)成氣體流動的環(huán)形通道。導流葉片均布在環(huán)形通道內(nèi)，緊貼內(nèi)筒及罐體內(nèi)壁面安裝。氣流從罐壁進口流入，從分流板處分作兩股進入環(huán)形通道，從導流葉片向下流至塔底，再由塔底向上流動至分布器出口流出。對雙切向環(huán)流式氣體分布器進行結(jié)構(gòu)改進，改進后的模型1見圖2，改進后的模型 2見圖3。

圖1 雙切向環(huán)流式氣體分布器裝配模型

圖2 雙切向環(huán)流式氣體分布器改進模型1

圖3 雙切向環(huán)流式氣體分布器改進模型2

1.2 參數(shù)及尺寸

雙切向環(huán)流式氣體分布器模型結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸見表1[12]。為便于對數(shù)值模型的準確性進行驗證，以此模型為分析設(shè)計的基準模型。

表1 雙切向環(huán)流式氣體分布器結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝尺寸mm

1.3 性能評價指標

氣體分布器性能評價指標包括壓力損失和出口端氣體速度分布的不均度M。壓力損失定義為氣流進、出口壓差，壓力損失越小，分布器性能越好。不均度M越小，速度分布的均勻性越好。

式中，n為分布器出口端平面取點個數(shù)；ui為第i個出口測點的氣體流速，u為所有測點平均氣體流速，m/s。

1.4 網(wǎng)格劃分

雙切向環(huán)流式氣體分布器模型網(wǎng)格剖面圖見圖4。

圖4 雙切向環(huán)流式氣體分布器模型網(wǎng)格剖面圖

針對分布器結(jié)構(gòu)的不規(guī)則特點，采用非結(jié)構(gòu)化多面體網(wǎng)格對流場區(qū)域進行離散，對近壁面區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理，結(jié)果滿足條件壁面函數(shù)y+≤1。

為了在節(jié)省計算資源的同時避免求解出現(xiàn)離散誤差，對網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證 ，結(jié)果見圖5和表2。隨著網(wǎng)格數(shù)量的逐漸增加，氣體不均度M逐漸減小，壓降逐漸增大，但當網(wǎng)格數(shù)量增長至82萬（4號網(wǎng)格）之后，求解結(jié)果保持相對穩(wěn)定。因此，本文數(shù)值計算模型統(tǒng)一采用4號網(wǎng)格尺度。

圖5 雙切向環(huán)流式氣體分布器模型網(wǎng)格無關(guān)性驗證曲線

表2 氣體分布器模型網(wǎng)格無關(guān)性驗證數(shù)據(jù)

1.5 求解設(shè)置

模擬時，選擇 Realizable κ-ε 紊流模型，采用FLUENT作為模型求解器，采用SIMPLE算法耦合壓力與速度解，采用二階格式表述質(zhì)量、動量和能量控制方程，設(shè)置計算收斂條件為殘差值小于10-4。模擬使用的介質(zhì)為空氣，考慮為不可壓縮理想氣體，忽略重力，操作壓力為常壓，分別設(shè)置速度入口和壓力出口，其余邊界均為壁面無滑移邊界條件。

1.6 模擬準確性驗證

對比數(shù)值模擬計算結(jié)果與文獻[12]數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖6。文獻[12]數(shù)據(jù)包括實驗室試驗數(shù)據(jù)和數(shù)值仿真數(shù)據(jù)，本文對比試驗模型的參數(shù)設(shè)置與試驗相同。從圖6可知，本文的數(shù)值計算結(jié)果與文獻 [12]的實驗室試驗數(shù)據(jù)和數(shù)值計算結(jié)果吻合性較好[12]。壓降對比試驗誤差在5%以內(nèi)，不均度對比試驗誤差在12%以內(nèi)。因此，文中雙切向環(huán)流式氣體分布器的計算方法和結(jié)果準確可靠。

圖6 雙切向環(huán)流式氣體分布器模型模擬準確性驗證曲線

2 雙切向環(huán)流式氣體分布器優(yōu)化結(jié)果分析

2.1 優(yōu)化基礎(chǔ)與方法

探究改進模型與原模型性能間的差異。改進模型1去除了原模型結(jié)構(gòu)中的環(huán)形頂板，改進模型2在改進模型 1 的基礎(chǔ)上增設(shè)了多孔板[2，15]，多孔板與內(nèi)筒間距20 mm。模型間網(wǎng)格尺度相同，分布器導流葉片均為8個，設(shè)定相同的入口速度25 m/s。

2.2 出口軸向速度矢量

不同氣體分布器模型出口軸向速度矢量云圖見圖7，不同氣體分布器出口端回流面積百分數(shù)見圖8。由圖7可以看出，原模型與改進模型1的出口端均有回流形成，且原模型的回流區(qū)域大于改進模型1的。原模型出口速度梯度變化明顯，這表明氣體分布均一度較差。改進模型2則不同，出口端無回流，速度梯度變化也小，這表明改進模型2出口速度的均一度好。

圖7 不同分布氣體器模型出口軸向速度矢量云圖

圖8 不同氣體分布器出口端回流面積百分數(shù)

由圖8可以看出，原模型、改進模型1、改進模型2的出口回流面積百分數(shù)依次為43%、36%、0，可見改進模型2極大地改善了原分布氣體器出口端回流的問題。

2.3 流場速度分布

不同氣體分布器內(nèi)流場速度分布對比 （十字切面圖）見圖9，分布器內(nèi)流場氣流運動軌跡對比見圖 10。

圖9 不同氣體分布器內(nèi)流場速度分布對比

從圖9可以看出，原模型與改進模型1的內(nèi)流場速度分布類似，有明顯的速度梯度。改進模型2則不同，多孔板下方區(qū)域流場速度梯度顯著，但經(jīng)過多孔板對氣流的整合、均布后，氣流的均勻度得到了極大改善。從圖10可以看出，原模型與改進模型1的出口氣流軌跡有局部聚集和擾動情況，而改進模型2的出口氣流軌跡均勻、有序。

圖10 不同氣體分布器內(nèi)流場氣流運動軌跡對比

2.4 性能參數(shù)綜合評價

不同氣體分布器性能參數(shù)對比見圖11。從圖11可以看出，相對于原模型，2種改進模型均能一定程度提升分布器性能，改進模型1降低了31.3%的壓力損失、18.8%的不均度，改進模型2降低了8.9%的壓力損失、75.3%的不均度。2種改進模型各有優(yōu)劣，改進模型1降低的壓降損失多，改進模型2降低的不均度多。從降低壓力損失和不均度的程度這2個方面綜合評價，改進模型2可以在同時降低壓力損失和不均度的前提下實現(xiàn)不均度的大幅下降，因此性能更優(yōu)。

圖11 不同氣體分布器性能參數(shù)對比

3 基于響應曲面法的優(yōu)選模型參數(shù)分析

RSM是一種統(tǒng)計方法。通過對回歸方法的分析、優(yōu)化，RSM可以預測工藝參數(shù)響應值，反映出不同因素間對試驗結(jié)果的交互影響，彌補普通正交優(yōu)化方法僅考慮單因素對試驗結(jié)果影響的不足，在分析研究中應用廣泛[16-18]。

3.1 試驗設(shè)計

3.1.1 因素與水平

以壓力損失和不均度為響應值，選取孔圈數(shù)A、首圈孔個數(shù)B及入口流速C為因素，應用RSM對選出的改進模型2展開進一步分析。試驗因素與水平設(shè)計見表3。多孔板為圓形，板面上開圓形孔，孔直徑25 mm，孔眼在板面直徑方向上成圈排布，每圈圓周方上的圓孔等間距分布。

表3 改進模型2試驗因素與水平

3.1.2 數(shù)據(jù)及擬合

改進模型2響應曲面分析數(shù)據(jù)見表4。

表4 改進模型2響應曲面試驗結(jié)果

對表4中壓降進行擬合，得方程：

3.1.3 顯著性分析

以不均度為例對回歸方程進行方差分析，結(jié)果見表5。

表5 改進模型2不均度多元模型回歸方差分析

根據(jù)表5得到的調(diào)整值R2=0.987 7，精確度為41.397。方差分析結(jié)果中，F(xiàn)值越大、P′值越小，表明分析結(jié)果越可靠。例如，P′=0.001，表示99.9%的概率認為結(jié)論是正確的。R2=0.987 7，表明不均度的變化有98.77%來源于參數(shù)變化。精確度數(shù)值遠大于4，表明此模型是可靠的。

由表5中F值可知，試驗中各因素對不均度的影響程度從大到小的排序是A、B、C，對壓降的影響程度順序是C、A、B。

3.1.4 擬合效果

為了評價各觀測數(shù)據(jù)相對于回歸擬合是否為異常點，進行擬合效果的學生化殘差分布分析，結(jié)果見圖12和圖13。

圖12 改進模型2壓降預測值殘差分布

圖13 改進模型2不均度預測值殘差分布

判斷的標準是，圖形中數(shù)據(jù)點偏離直線越遠，學生化殘差值越大，擬合效果越差。由圖12和圖13可知，數(shù)據(jù)點基本分布在直線或直線兩側(cè)，模型的擬合效果較好。

3.2 響應面分析

3.2.1 壓降

因素A、B、C交互影響改進模型2壓力等高線圖見圖14，壓力響應面圖見圖15。因素A、B越大，表明多孔板孔隙率越大，多孔板阻力系數(shù)越小，壓力損失越小。

圖14 因素A、B、C交互影響改進模型2壓力等高線圖

圖15 因素A、B、C交互影響改進模型2壓力響應面圖

由圖14和圖15可以知道，分布器壓力損失隨著因素A、B的增大而減小，隨著因素C的增大而增大。

3.2.2 不均度

因素A、B、C交互影響改進模型2不均度等高線圖見圖16，不均度響應面圖見圖17。由圖16和圖17可知，因素A、B交互作用明顯。因素C恒定、因素B小于9時，隨著因素A的增大，不均度逐漸降低；因素C恒定、因素B大于9時，隨著因素A的增加，不均度首先下降，然后增大。因素A、C間和因素B、C間交互較弱。當因素B恒定，隨著因素A的增大，不均度逐漸減?。划斠蛩谹恒定，隨著因素B的增大，不均度逐漸減小。

圖16 因素A、B、C交互影響改進模型2不均度等高線圖

圖17 因素A、B、C交互影響改進模型2不均度響應面圖

3.2.3 最優(yōu)設(shè)計參數(shù)

多孔板參數(shù)A和參數(shù)B的增大，會導致多孔板孔隙率的增加。根據(jù)多孔板參數(shù)A和參數(shù)B計算多孔板孔隙率（孔隙面積/圓截面面積），得到的多孔板孔隙率與氣體分布器不均度散點關(guān)系圖見圖18，多孔板孔隙率與氣體分布器出口端回流面積百分數(shù)散點關(guān)系圖見圖19。根據(jù)所得回歸方程計算，得到不同入口速度下氣體分布器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系曲線，見圖20。

圖18 多孔板孔隙率與不均度關(guān)系圖

圖19 多孔板孔隙率與氣體分布器出口端回流面積百分數(shù)關(guān)系圖

圖20 不同入口速度下氣體分布器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

由圖18可看出，隨著多孔板孔隙率的增大，不均度首先減小，然后逐漸增大。因此，在孔隙率變化的范圍內(nèi)，不均度存在最小值。由圖19可以看出，當孔隙率小于10%，分布器出口出現(xiàn)回流；當孔隙率大于10%，分布器出口端無回流。由圖20可以看出，隨著流速的逐漸增大，最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)B在7～10逐漸增大，結(jié)構(gòu)參數(shù)A小范圍波動。

4 結(jié)語

以壓力損失和氣體速度不均度為評價指標，對雙切向環(huán)流式氣體分布器的結(jié)構(gòu)進行了改進，利用數(shù)值模擬的方法對比了不同模型間的性能差異，優(yōu)選出了加設(shè)多孔板的氣體分布器。對于優(yōu)選出的多孔板氣體分布器，利用RSM研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)與工況條件的交互作用對分布器性能的影響，得到了不同流速下分布器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，具有一定工程指導意義。

相比于原分布器模型，加設(shè)多孔板的雙切向環(huán)流氣體分布器具有更低的壓力損失和更均勻的氣體分布，且能夠通過控制多孔板的孔隙率抑制分布器出口端的回流現(xiàn)象，當多孔板孔隙率大于10%時，分布器出口不會出現(xiàn)回流現(xiàn)象。多孔板孔隙率與分布器出口速度不均度的關(guān)系是非線性的，隨著多孔板孔隙率的增大，速度不均度首先迅速下降，然后緩慢回升，因此存在最優(yōu)多孔板孔隙率值。根據(jù)RSM，試驗中各因素對不均度的影響順序是 A、B、C，對壓降的影響順序是 C、A、B。 隨著流速的增大，最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)B在7～10逐漸增大，結(jié)構(gòu)參數(shù)A小范圍波動。