基于響應(yīng)曲面法的雙切向環(huán)流式氣體分布器優(yōu)化設(shè)計

（西南石油大學(xué)，四川 成都 610500）

填料塔是天然氣預(yù)處理工藝的核心設(shè)備之一，其運行效果對天然氣處理能力、處理品質(zhì)以及整體經(jīng)濟效益具有重大意義。氣體是否在填料塔內(nèi)均勻分布關(guān)系到填料層的利用效率以及氣體品質(zhì)［1-2］。填料塔氣體分布器對于入口來流的均布至關(guān)重要，其性能好壞直接影響填料塔的運行效果。結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的氣體分布器應(yīng)能使塔內(nèi)預(yù)處理氣流在垂直于流向的截面上均勻分布，同時壓力損失還要盡可能的小，減少能耗。

目前，工業(yè)應(yīng)用較多的氣體分布器主要有雙錐導(dǎo)流式、雙列葉片式及雙切向環(huán)流式等［3-6］。其中，雙切向環(huán)流式氣體分布器應(yīng)用效果好，相關(guān)學(xué)者和技術(shù)人員對其進行的研究也較多。劉德新等［7］利用計算流體動力學(xué)（CFD）方法建立雙切向環(huán)流式氣體分布器內(nèi)三維氣液兩相模型，討論了導(dǎo)流葉片數(shù)量、導(dǎo)流板徑向夾角對分布器性能的影響。岳明［8］以變壓吸附塔的進口氣體分布器為研究對象，分析了運行工況、分布器結(jié)構(gòu)、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［9］建立了FLNG填料塔進口氣體分布器數(shù)值模型和在晃動工況下氣體分布器試驗裝置，研究了海上晃動工況對氣體分布器性能的影響，得到了晃動工況對氣體分布器性能的影響規(guī)律。李雪［10］針對大型火電廠CO2吸收塔的設(shè)計，采用CFD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［11］提出了一種雙層多環(huán)大孔徑氣液同軸噴射分布器，進行了單噴嘴冷模試驗和數(shù)值仿真論證，認(rèn)為新結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)進料氣液均布，而且其性能受負(fù)荷波動影響小。

文中應(yīng)用模擬軟件FLUENT建立雙切向環(huán)流式氣體分布器數(shù)值模型，分析結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)對其性能的影響，以期總結(jié)出最優(yōu)分布器設(shè)計參數(shù)，為工程項目的設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 氣體分布器結(jié)構(gòu)及模型

1.1 分布器結(jié)構(gòu)

雙切向環(huán)流式氣體分布器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,其主要結(jié)構(gòu)組件為分流板、導(dǎo)流葉片、環(huán)形頂板以及內(nèi)筒。環(huán)形頂板緊貼罐體內(nèi)壁面，在內(nèi)筒、頂板以及罐體內(nèi)壁面之間形成環(huán)形通道，導(dǎo)流葉片位于環(huán)形通道內(nèi)并緊貼內(nèi)筒及罐體內(nèi)壁面。從進口流入分布器的氣流被分流板一分為二，從其兩側(cè)進入環(huán)形通道，均勻分布的導(dǎo)流葉片將環(huán)形通道內(nèi)的氣流導(dǎo)入填料塔塔底，氣流由塔底向上流動并由分布器出口流出。

圖1 雙切向環(huán)流式氣體分布器結(jié)構(gòu)示圖

1.2 分布器結(jié)構(gòu)參數(shù)

雙切向環(huán)流式氣體分布器結(jié)構(gòu)幾何尺寸參數(shù)見表1［9］。為便于對數(shù)值模型的準(zhǔn)確性進行驗證，以此模型為分析設(shè)計的基準(zhǔn)模型。

表1 分布器基準(zhǔn)模型尺寸 mm

1.3 分布器網(wǎng)格劃分

雙切向環(huán)流式氣體分布器分析設(shè)計的基準(zhǔn)模型及網(wǎng)格劃分見圖2?？紤]到分布器結(jié)構(gòu)不規(guī)則，采用非結(jié)構(gòu)化多面體網(wǎng)格對流場區(qū)域進行離散，并對近壁面區(qū)域進行網(wǎng)格加密。

圖2 雙切向環(huán)流式分布器分析設(shè)計基準(zhǔn)模型及網(wǎng)格劃分

1.4 分布器性能評價指標(biāo)

氣體分布器的評價指標(biāo)包括壓力損失p和出口端氣體分布不均度M。p為氣流進、出口壓差，p越小，分布器性能越好。

氣體分布不均度M是衡量分布器出口端面速度均一度的常用評價指標(biāo)。M越小，表示速度的分布越均勻，M的計算公式為：

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為所用測點平均氣體流速，m/s。

1.5 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為了在節(jié)省計算資源的同時避免求解出現(xiàn)離散誤差，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，對網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證。驗證過程中使用的網(wǎng)格序號及其對應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量、計算的壓降及壓降誤差、不均度及不均度誤差見表2。

表2 分布器網(wǎng)格無關(guān)性驗證

分布器網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增長至820 000之后，進一步增加網(wǎng)格數(shù)量，求解結(jié)果無顯著變化，對比求解誤差較小。因此，文中數(shù)值計算模型統(tǒng)一采用第4種網(wǎng)格尺度。

圖3 分布器網(wǎng)格無關(guān)性驗證

1.6 FLUENT求解設(shè)置及模型準(zhǔn)確性驗證

文中采用FLUENT作為模型求解器，紊流模型選擇Realizable κ-ε模型，壓力與速度解耦采用SIMPLE算法，質(zhì)量、動量和能量控制方程均采用二階格式，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。以文獻［9］中的試驗和數(shù)值仿真結(jié)果為參照，驗證文中數(shù)值仿真計算模型的準(zhǔn)確性，結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，本文的數(shù)值計算結(jié)果與參照曲線的總體規(guī)律基本一致，據(jù)此判定本文數(shù)值計算方法和結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖4 分布器模型準(zhǔn)確性驗證

2 氣體分布器優(yōu)化設(shè)計

2.1 優(yōu)化方法

采用響應(yīng)曲面分析法 （response surface methodology,RSM）進行氣體分布器的優(yōu)化設(shè)計。RSM是通過對回歸方法的分析、優(yōu)化工藝參數(shù)預(yù)測響應(yīng)值的一種統(tǒng)計方法，該方法可以反映出不同因素對試驗結(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)果的影響的不足，在分析研究中應(yīng)用廣泛［12-15］。

2.2 數(shù)值模擬及顯著性分析

2.2.1 正交試驗方案及模擬結(jié)果

以壓力損失和不均度為響應(yīng)值，以影響分布器性能的3個因素，即第一導(dǎo)流葉片高度A、導(dǎo)流葉片數(shù)量B及入口流速C為考察因素，建立Box-Behnken試驗因素與水平正交表，見表3。試驗結(jié)果與分析見表4。其中，導(dǎo)流葉片高度按等差均布。

表3 正交試驗因素與水平

表4 響應(yīng)曲面正交試驗結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面試驗數(shù)據(jù)擬合

擬合壓降和不均度數(shù)據(jù)，得回歸方程：

以不均度為例對回歸方程進行方差分析，所得多元回歸模型方差分析結(jié)果見表5，選擇因素模型綜合參數(shù)如下：標(biāo)準(zhǔn)偏差0.015、均質(zhì)1.62、變異系數(shù)0.93%、預(yù)測模型的殘差平方和0.026、R2=0.997 4、R2調(diào)整值為 0.994 1、R2預(yù)測值為0.959、精確度 64.53。

表5 不均度多元模型回歸分析

表5中，F(xiàn)值是方差分析中的一個重要指標(biāo)，含義為回歸模型的試驗方差，PP為衡量控制組和試驗組差異大小的指標(biāo),其中F值越大、PP值越小，表明分析結(jié)果越可靠，例如PP等于0.001，表示99.9%的概率認(rèn)為結(jié)論是正確的。通過F值可知，試驗中各因素對不均度的影響大小順序是B、C、A；對壓降的影響順序是 C、B、A。

選擇因素模型的 R2為 0.997 4，R2調(diào)整值為0.994 1，R2預(yù)測值為0.959，三者數(shù)值相差很小，說明此模型合理，能夠較好地解釋試驗數(shù)據(jù)。精確度是度量干擾系數(shù)的標(biāo)志，一般精度大于4是合理的，本模型中精確度為64.53，說明所用模型與試驗擬合契合度較好，證明建立的數(shù)學(xué)回歸模型可靠。

為了考慮各觀測數(shù)據(jù)相對于回歸擬合是否為異常點，通過作圖對壓降和不均勻度的實際值與預(yù)測值進行對比，結(jié)果見圖5和圖6，圖中散點代表預(yù)測值，實線代表實際值。由圖5、圖6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。

圖5 分布器壓降預(yù)測值與實際值關(guān)系

圖6 分布器不均度預(yù)測值與實際值關(guān)系

2.2.3 響應(yīng)面分析

參數(shù)A、B、C交互作用對壓降和不均度的響應(yīng)曲面見圖7～圖10。

圖7 參數(shù)A、B、C對分布器壓降的交互影響曲面圖

圖8 參數(shù)A、B、C對分布器壓降的交互影響等值線圖

圖9 參數(shù)A、B、C對分布器不均度M的交互影響曲面圖

圖10 參數(shù)A、B、C對分布器不均度M的交互影響等值線圖

由圖7和圖8可知，分布器壓力損失隨著參數(shù)A、B、C的增大而增大。當(dāng)導(dǎo)流葉片高度增大時，氣流與葉片的接觸面積增大，氣流與葉片間產(chǎn)生的沖擊力也較大，導(dǎo)致分布器壓力損失增加。同理，導(dǎo)流葉片數(shù)量增加也會導(dǎo)致氣流擾動增大，摩阻增大。

由圖9和圖10可知，參數(shù)A、B交互作用明顯，參數(shù)A、C與B、C之間交互作用較小。參數(shù)C恒定，當(dāng)導(dǎo)流葉片數(shù)量小于6時，隨著導(dǎo)流葉片數(shù)量的增加，速度不均度呈增長趨勢；反之，速度不均度呈下降趨勢。其原因在于，當(dāng)導(dǎo)流葉片數(shù)量較少，第一導(dǎo)流葉片高度較大時，會導(dǎo)致分布器出口端前端氣流聚集，不利于氣流在出口端的均布。

根據(jù)所得回歸方程，計算不同流速下多孔板最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到的不同入口速度下分布器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖11。由圖11可知，隨著流速的逐漸增大，最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)B在7～12呈逐漸減小趨勢，結(jié)構(gòu)參數(shù)A在0.455～0.225 m且呈逐漸減小趨勢。

圖11 不同入口速度下分布器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 結(jié)語

以壓力損失和氣體速度不均度為評價指標(biāo)，通過CFD方法建立了雙切向環(huán)流式氣體分布器數(shù)值模型，利用響應(yīng)曲面法研究了不同結(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)，具有工程指導(dǎo)意義。研究結(jié)果表明，當(dāng)參數(shù)C恒定，導(dǎo)流葉片數(shù)量小于6時，隨著導(dǎo)流葉片數(shù)量的增加，速度不均度呈增長趨勢；反之，速度不均度呈下降趨勢。根據(jù)響應(yīng)曲面法，試驗中各因素對不均度的影響從大到小排序為B、C、A，對壓降的影響從大到小排序為C、B、A。隨著流速的增加，最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)B在7～12逐漸減小，結(jié)構(gòu)參數(shù) A在0.455～0.225 m逐漸減小。