基于響應曲面法的雙切向環流式氣體分布器優化設計

（西南石油大學，四川 成都 610500）

填料塔是天然氣預處理工藝的核心設備之一，其運行效果對天然氣處理能力、處理品質以及整體經濟效益具有重大意義。氣體是否在填料塔內均勻分布關系到填料層的利用效率以及氣體品質［1-2］。填料塔氣體分布器對于入口來流的均布至關重要，其性能好壞直接影響填料塔的運行效果。結構設計合理的氣體分布器應能使塔內預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，工業應用較多的氣體分布器主要有雙錐導流式、雙列葉片式及雙切向環流式等［3-6］。其中，雙切向環流式氣體分布器應用效果好，相關學者和技術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（CFD）方法建立雙切向環流式氣體分布器內三維氣液兩相模型，討論了導流葉片數量、導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、分布器結構、安裝位置等因素對分布器性能的影響并提出優化參數范圍。金新民［9］建立了FLNG填料塔進口氣體分布器數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律。李雪［10］針對大型火電廠CO2吸收塔的設計，采用CFD方法，研究了大直徑新型規整填料塔氣體分布器的結構優化問題。洪都等［11］提出了一種雙層多環大孔徑氣液同軸噴射分布器，進行了單噴嘴冷模試驗和數值仿真論證，認為新結構能實現進料氣液均布，而且其性能受負荷波動影響小。

文中應用模擬軟件FLUENT建立雙切向環流式氣體分布器數值模型，分析結構和運行參數對其性能的影響，以期總結出最優分布器設計參數，為工程項目的設計提供指導。

1 氣體分布器結構及模型

1.1 分布器結構

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

圖1 雙切向環流式氣體分布器結構示圖

1.2 分布器結構參數

雙切向環流式氣體分布器結構幾何尺寸參數見表1［9］。為便于對數值模型的準確性進行驗證，以此模型為分析設計的基準模型。

表1 分布器基準模型尺寸 mm

1.3 分布器網格劃分

雙切向環流式氣體分布器分析設計的基準模型及網格劃分見圖2。考慮到分布器結構不規則，采用非結構化多面體網格對流場區域進行離散，并對近壁面區域進行網格加密。

圖2 雙切向環流式分布器分析設計基準模型及網格劃分

1.4 分布器性能評價指標

氣體分布器的評價指標包括壓力損失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。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；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 網格無關性驗證

為了在節省計算資源的同時避免求解出現離散誤差，保證結果的準確性，對網格進行無關性驗證。驗證過程中使用的網格序號及其對應的網格數量、計算的壓降及壓降誤差、不均度及不均度誤差見表2。

表2 分布器網格無關性驗證

分布器網格無關性驗證結果見圖3。從圖3可以看出，當網格數量增長至820 000之后，進一步增加網格數量，求解結果無顯著變化，對比求解誤差較小。因此，文中數值計算模型統一采用第4種網格尺度。

圖3 分布器網格無關性驗證

1.6 FLUENT求解設置及模型準確性驗證

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］中的試驗和數值仿真結果為參照，驗證文中數值仿真計算模型的準確性，結果見圖4。從圖4可以看出，本文的數值計算結果與參照曲線的總體規律基本一致，據此判定本文數值計算方法和結果準確可靠。

圖4 分布器模型準確性驗證

2 氣體分布器優化設計

2.1 優化方法

采用響應曲面分析法 （response surface methodology,RSM）進行氣體分布器的優化設計。RSM是通過對回歸方法的分析、優化工藝參數預測響應值的一種統計方法，該方法可以反映出不同因素對試驗結果的交互影響，彌補普通正交優化方法僅考慮單因素對試驗結果的影響的不足，在分析研究中應用廣泛［12-15］。

2.2 數值模擬及顯著性分析

2.2.1 正交試驗方案及模擬結果

以壓力損失和不均度為響應值，以影響分布器性能的3個因素，即第一導流葉片高度A、導流葉片數量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。試驗結果與分析見表4。其中，導流葉片高度按等差均布。

表3 正交試驗因素與水平

表4 響應曲面正交試驗結果

2.2.2 響應面試驗數據擬合

擬合壓降和不均度數據，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果見表5，選擇因素模型綜合參數如下：標準偏差0.015、均質1.62、變異系數0.93%、預測模型的殘差平方和0.026、R2=0.997 4、R2調整值為 0.994 1、R2預測值為0.959、精確度 64.53。

表5 不均度多元模型回歸分析

表5中，F值是方差分析中的一個重要指標，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,其中F值越大、PP值越小，表明分析結果越可靠，例如PP等于0.001，表示99.9%的概率認為結論是正確的。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調整值為0.994 1，R2預測值為0.959，三者數值相差很小，說明此模型合理，能夠較好地解釋試驗數據。精確度是度量干擾系數的標志，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，證明建立的數學回歸模型可靠。

為了考慮各觀測數據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測值進行對比，結果見圖5和圖6，圖中散點代表預測值，實線代表實際值。由圖5、圖6可知，數據點基本分布在直線或直線兩側，模型的擬合效果較好。

圖5 分布器壓降預測值與實際值關系

圖6 分布器不均度預測值與實際值關系

2.2.3 響應面分析

參數A、B、C交互作用對壓降和不均度的響應曲面見圖7～圖10。

圖7 參數A、B、C對分布器壓降的交互影響曲面圖

圖8 參數A、B、C對分布器壓降的交互影響等值線圖

圖9 參數A、B、C對分布器不均度M的交互影響曲面圖

圖10 參數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A、B、C的增大而增大。當導流葉片高度增大時，氣流與葉片的接觸面積增大，氣流與葉片間產生的沖擊力也較大，導致分布器壓力損失增加。同理，導流葉片數量增加也會導致氣流擾動增大，摩阻增大。

由圖9和圖10可知，參數A、B交互作用明顯，參數A、C與B、C之間交互作用較小。參數C恒定，當導流葉片數量小于6時，隨著導流葉片數量的增加，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，當導流葉片數量較少，第一導流葉片高度較大時，會導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。

根據所得回歸方程，計算不同流速下多孔板最優結構參數，得到的不同入口速度下分布器最優結構參數見圖11。由圖11可知，隨著流速的逐漸增大，最優結構參數B在7～12呈逐漸減小趨勢，結構參數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結構參數

3 結語

以壓力損失和氣體速度不均度為評價指標，通過CFD方法建立了雙切向環流式氣體分布器數值模型，利用響應曲面法研究了不同結構參數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結構參數，具有工程指導意義。研究結果表明，當參數C恒定，導流葉片數量小于6時，隨著導流葉片數量的增加，速度不均度呈增長趨勢；反之，速度不均度呈下降趨勢。根據響應曲面法，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，最優結構參數B在7～12逐漸減小，結構參數 A在0.455～0.225 m逐漸減小。