伴生氣摻氫條件下KSM型靜態(tài)混合器參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號：TB9;TE832 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2025）07-0087-08

Abstract： The Kenics static mixer can promote the mixing of associated gas and hydrogen，and its structural parameters need to be further optimized in order to ensure the combustion safety of the mixed gas.Therefore， orthogonal experiments were designed and computational fluid dynamics software Fluent was used to simulate the effects of the number of diversion components，component distortionangle and vertical angle between diversion components on the mixing uniformity of Kenics static mixer（KSM），and the optimal structural parameters were obtained. The results show that the three factors have great influence on the mixing uniformity，the influence magnitude is： the number and length of components gt; the torsion angle of components gt; the vertical angle of components. The mixing non-uniformity decreases with the increase of the number of diversion components and the increase of the component torsion angle，and increases with the increase of the verticalangle of diversion components，showing a trend of first rising and then decreasing.The optimal structural parameters of the mixer are as follows： when the number and length ofthe diversion group are12×30mm ，the torsion angle of the component is 270^° ，and the vertical angle of the componentis 90^° ，the mixing non-uniformity is the lowest 0.23% .The research results can provide technical reference for the structure design of static mixer with high mixing uniformity in the background of hydrogen mixing.

Keywords： KSMstatic mixer;associated gas blended hydrogen;gas mixing; numerical simulation; orthogonal experimental; structure optimization

0 引言

在當今世界化石燃料供應不足的背景下，氫能因其清潔環(huán)保和可持續(xù)利用等優(yōu)勢成為新的研究熱點，發(fā)展氫能也是實現(xiàn)碳中和能源戰(zhàn)略目標的重要手段[1-2]。油田伴生氣中包含了大量甲烷及可燃性氣體，通過回收再利用，可以提高能源利用率[3]。但目前大量油田伴生氣在站場內直接被排空處理，在造成資源浪費的同時，還加重了碳排放。因此將油田產出的伴生氣與氫氣進行混合后，進入加熱爐進行燃燒供熱，是將伴生氣“變廢為寶\"的有效途徑。

氫氣燃燒具有著火范圍寬、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤旌忘c火能量低、燃燒效率高的特點，但同時因其反應活性高，極易發(fā)生燃爆[4-5]。而伴生氣組分復雜，且油田站場產出的伴生氣組分復雜，與氫氣混合進行燃燒時，若混合不夠均勻，會進一步增加爆炸可能性[5-6。因此常在氫氣與伴生氣混合管道內添加靜態(tài)混合器，促進氣體均勻混合。

靜態(tài)混合器通過若干靜止不動的混合元件來操縱流場，使流體流經混合器時發(fā)生扭轉、剪切和合流等現(xiàn)象，流體因多次切割、合成，達到良好的分散和混合效果，具有輸出恒速連續(xù)流、低停留時間以及避免回混等特點，能有效地促進混合、熱傳遞和熱均勻化[。常見的靜態(tài)混合器有KSM（Kenicsstaticmixer）型、SMV（Staticmixer）型、SX型、SV型、SH型等[7-9]，其中KSM靜態(tài)混合器因其制造簡單、元件流阻小和傳熱效果好等特點，被大量地應用于工業(yè)中[10]。

劉向陽等[1]構建了不同旋轉角度的KSM靜態(tài)混合器，利用Polyflow軟件對不同旋轉角度下不同組分粒子的分布混合效果進行分析，認為當旋轉角度為 180^° 時，混合效果最佳。蘇越等[12]采用數(shù)值模擬方法研究了氫氣和甲烷在隨動流量摻氫設備中不同類型靜態(tài)混合器內和不同工況下的摻混過程，研究結果表明混合器中擾流元件對摻混均勻度具有決定性作用，當擾流元件合理布置時，導流元件的氫氣進氣方向對摻混均勻度幾乎無影響。Meng等[13]及Liu等[4]對比了不同靜態(tài)混合器，發(fā)現(xiàn)KSM型靜態(tài)混合器在對比中性能最佳，且Liu等發(fā)現(xiàn)影響其混合效果的兩個重要因素是擾流葉片的軸向長度和旋轉角度。目前針對靜態(tài)混合器的研究主要集中在單因素研究，未考慮多種因素共同作用下對混合均勻度的影響，且現(xiàn)階段氣體混合研究對象主要集中在天然氣摻氫混合，未有伴生氣摻氫混合的相關研究。

因此本文以氣體混合中應用最廣泛的KSM型靜態(tài)混合器為研究對象，以氫氣與伴生氣為混合介質，基于數(shù)值模擬方法，設計正交試驗，分析導流元件中組件長度、組件扭曲角度、組件間垂直角度三個因素相互作用下對KSM型混合器混合均勻度的影響，得到伴生氣摻氫條件下KSM型混合器內部導流元件結構優(yōu)化建議。

1物理與數(shù)學模型

1.1 物理模型

KSM型靜態(tài)混合器簡化的幾何結構如圖1所示，進行結構優(yōu)化時只改變內部導流元件的結構，不改變總體長度及進出口結構。混合器總體長560mm ，導流元件總長度 360mm ，混合器直徑為32mm ，伴生氣從左端進入，氫氣從底部進入，氫氣入口直徑為 14mm ，末端開有3排出氣孔，每排12個小孔，孔徑為 1mm ，可使氫氣更加分散地射入伴生氣氣流中，對氫氣和伴生氣進行充分預摻混，最后從右端混合流出。KSM型靜態(tài)混合器導流組件扭曲角度及組件間垂直角度示意圖見圖2。

1.2 數(shù)學模型

靜態(tài)混合器中氫氣和伴生氣的摻混傳質過程數(shù)學模型主要包括質量守恒方程、動量守恒方程、組分輸運方程以及湍流模型方程。伴生氣組分復雜，因此過程為氫氣和伴生氣的多元混合過程。

質量守恒方程：

動量守恒方程：

式中： P ——流體中作用在微元體上的壓力；τ—一由分子之間的黏性作用而在流體中微元體表面上產生的黏性應力。

Fluent軟件中有兩種氣體擴散模型（Mixture和Species），王浩等[15]探究了這兩種模型在低速通風管道中多組分氣體混合時的影響，結果表明，Species模型額外考慮了組分質量守恒定律，因此計算得到的氣體濃度分布均勻性明顯大于Mixture模型，因此本文選取Species模型模擬多種組分的伴生氣及氫氣的混合和輸運，本文研究內容中不涉及化學反應部分，故采用輸運有限速率模型（即Speciestransport），其控制方程如下：

式中： S_i —離散相及用戶定義的源項導致的額外產生速率;

第 i 種物質的擴散通量;

Y_i 第 i 種物質的質量分數(shù)。

式中： D_i，m 混合物中第 i 種物質的分子擴散系數(shù)，代表布朗運動造成的擴散;Sc_t ——湍流施密特數(shù)，代表湍流擴散作用，取0.7；μ_t 一 -湍流黏度。

2算例設置與數(shù)值方法

2.1 算例參數(shù)設置

研究中摻氫比固定為 20% （指體積比），伴生氣選用某油田產出伴生氣，參數(shù)設置見表1。

表1伴生氣組分

研究中固定導流元件總長度，改變導流組件個數(shù)及長度、導流組件扭曲角度及導流組件間垂直角度，各因素參數(shù)設置見表2。

2.2 網(wǎng)格劃分及無關性驗證

為保證模擬結果與網(wǎng)格數(shù)量無關[1，對KSM型靜態(tài)混合器模型（以導流組件個數(shù)及長度 10× 36mm ，導流板組件扭曲角度 180^° ，導流板間垂直角度 90^° 建立模型）建立 A，B，C，D 四種不同數(shù)量的網(wǎng)格，如表3所示，網(wǎng)格數(shù)依次遞增，網(wǎng)格劃分見圖3。

模擬達到穩(wěn)態(tài)后，以入口處中心為原點，對混合器內部及出口處1（0，280，0）、2（0，510.0）、3（ 0，560，0）_?4（ 8，560，0）_?5（-8，560，0）_?6（ 0，560，8）_? 7（0，560-8）共7個點的氫氣體積分數(shù)進行監(jiān)測分析（圖4）。網(wǎng)格數(shù)量對仿真模擬結果具有一定的影響，當網(wǎng)格數(shù)量為 A 時，模擬結果與高網(wǎng)格數(shù) B，C， D 存在較大差異，但網(wǎng)格數(shù)量由 B 繼續(xù)增加至 c 和 D 時，結果卻未有明顯變化，即網(wǎng)格數(shù)量增大到一定程度后計算結果趨于穩(wěn)定。由此，本模型采用數(shù)量為 B 的網(wǎng)格進行計算。

2.3 邊界條件

本研究采用計算流體力學軟件Fluent進行數(shù)值模擬，幾何模型中存在大量近壁區(qū)域，因此選用RNGk-ε湍流模型[17]。在邊界條件設置方面，伴生氣和氫氣的進口均為速度入口邊界條件，速度為5m/s ，混合氣體出口的邊界為自由流出邊界條件，靜態(tài)混合器內表面以及導流元件表面均為無滑移邊界條件。

3計算結果分析

3.1 混合不均勻系數(shù)

為了定量對比各算例的混合均勻性，本文引入不均勻系數(shù) N_C^[12] 為，

式中： r —剖面上的采樣點個數(shù)即網(wǎng)格數(shù)；X_i 一 ?H₂ 在采樣點 i 上的體積分數(shù);（20 μ —該計算剖面上 r 個點 H₂ 的體積分數(shù)的平均值。N_C 值越小表明氣體混合得越均勻。

3.2 正交試驗方案設計

改變KSM型靜態(tài)混合器內部導流元件的三個影響因素的參數(shù)，并考慮各影響因素間的相互作用，需進行 3×4×4 共48組試驗，工作量繁重且重復試驗較多，為提高工作效率且保持模擬準確性，采用正交試驗的方法來研究各因素（表4）對混合均勻性的影響，以找到最優(yōu)組合。運用Minitab軟件設計出正交表，只需進行16組試驗就可以得到全部試驗數(shù)據(jù)[18]。模擬計算結束后，輸出16組混合器出口處混合不均勻度數(shù)值，為明確各影響因素的影響大小，引入極差分析法，計算出各影響因素的極差（表5）。極差越大，表明該因素在不同變量下，相應的混合不均勻度之間差異大，該因素對混合均勻度的影響也較大，是主要因素。反之，極差越小，該因素對混合不均勻度的影響越小，是次要因素。各因素影響力大小為：組件個數(shù)及長度 gt; 組件扭轉角度 gt; 組件垂直角度。在該研究中，三種因素的極差值均較大，均對混合器混合均勻度具有影響。

3.3組件個數(shù)及長度對混合均勻性的影響

在本文研究的三種因素中，組件個數(shù)及長度對混合器混合均勻度影響最大。其中組件個數(shù)及長度為 12×30mm 時混合器混合不均勻度最小，混合效果最好，而組件個數(shù)及長度為 6×60mm 時混合器混合不均勻度最大，混合效果最差，其混合不均勻度高于組件個數(shù)及長度為 12×30mm 時13倍，約為8×45mm 的二倍，見圖5。隨著組件個數(shù)的上升（組件長度減小），混合不均勻度下降明顯。

選取四組不同組件個數(shù)及長度的混合器，因為試驗號1、試驗號5、試驗號9、試驗號13組件個數(shù)遞增，且組件扭轉角度相同，因此選擇該四組進行分析，對比不同組件個數(shù)及長度時導流元件進口處、中部、出口處的氫氣的體積分數(shù)云圖，分析氫氣在混合器內的體積分布（表6）。不同組件個數(shù)及長度的導流元件進口處云圖分布規(guī)律基本相同；導流元件中部由于組件差異，呈現(xiàn)的云圖存在差異，但整體表現(xiàn)為導流板兩側氫氣體積分數(shù)差異大，呈現(xiàn)較為明顯的\"藍、綠分布\"；導流元件出口處，云圖分布差異較大，試驗號1、2氫氣體積分數(shù)在 10%～35% 之間，混合不均勻度較高。隨著組件個數(shù)的增加，試驗號4氫氣體積分數(shù)在 20%～30% 之間，混合不均勻度下降，更加接近模擬設置的摻氫比 20% 。因此可以判斷，導流元件長度一定時，組件個數(shù)越多，氣體混合越均勻。這主要是由于組件個數(shù)的增加導致湍流變得愈發(fā)劇烈，增強了傳質效果，從而混合均勻性提升。

3.4組件扭轉角度對混合均勻性的影響

在本文研究的三種因素中，組件扭轉角度對混合器混合均勻度影響在三種因素中居中。其中組件扭轉角度為 270^° 時混合器混合不均勻度最小，混合效果最好，而組件扭轉角度為 135^° 時混合器混合不均勻度最大，混合效果最差，其混合不均勻度約為組件扭轉角度為 135^° 時的17倍，見圖6。隨著組件扭轉角度的變大，混合不均勻度下降明顯。

選取四組不同組件個數(shù)及長度的混合器，因為試驗號1、試驗號2、試驗號3、試驗號4組件個數(shù)相同，且扭轉角度遞增，因此選擇該四組進行分析，對比不同組件扭轉角度時導流元件進口處、中部、出口處的氫氣的體積分數(shù)云圖，分析氫氣在混合器內的體積分布（表7）。不同組件扭轉角度的導流元件進口處云圖分布規(guī)律基本相同；導流元件中部由于組件差異，呈現(xiàn)的云圖存在差異，但整體表現(xiàn)為氫氣體積分數(shù)差異大，主要為 35%～40% 和 15%～ 20% 兩種體積分數(shù)；導流元件出口處，云圖分布差異較大，其中試驗號2氫氣體積分數(shù)在 10%～40% 之間，混合不均勻度較高。隨著組件扭轉角度的增加，試驗號4氫氣體積分數(shù)在 20%～30% 之間，混合不均勻度下降，更加接近模擬設置的摻氫比 20% 。因此可以判斷，導流組件扭轉角度越大，氣體混合越均勻。分析其原因，是由于扭轉角度變大導致混合氣體流動路徑更加扭曲，湍流流動更加劇烈，傳質效果增強，混合均勻性提高。

3.5 組件垂直角度對混合均勻性的影響

在本文研究的三種因素中，組件垂直角度對混合器混合均勻度影響最小。其中組件垂直角度為90^° 時混合器混合不均勻度最小，混合效果最好，而組件個數(shù)及長度為 54^° 時混合器混合不均勻度最大，混合效果最差，其混合不均勻度約為組件垂直角度為 90^° 的8倍，如圖7所示。混合均勻度隨組件垂直角度增加呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢。

選取四組不同組件垂直角度的混合器，因為試驗號6、試驗號5、試驗號8、試驗號7這4組試驗組件個數(shù)相同，且垂直角度遞增，因此選擇該四組進行分析，對比不同組件垂直角度時導流元件進口處、中部、出口處的氫氣的體積分數(shù)云圖，分析氫氣在混合器內的體積分布（表8）。不同組件垂直角度的導流元件進口處云圖分布規(guī)律基本相同；導流元件中部由于組件差異，呈現(xiàn)的云圖存在差異，但整體表現(xiàn)為氫氣體積分數(shù)差異大，主要為 35%～40% 和 15%～20% 兩種體積分數(shù)；導流元件出口處，云圖分布差異較大，試驗號5氫氣體積分數(shù)在10%～35% 之間，混合不均勻度最高。

3.6 結構優(yōu)化建議

通過上述模擬計算確定在本文設定工況下，導流組件個數(shù)及長度為 12×30mm ，組件扭轉角度為270^° ，垂直角度為 90^° 時，混合效果最好，建立該數(shù)值下的模擬模型，得到此時混合器出口的混合不均勻度為 0.23% 。從氫氣體積分數(shù)云圖（圖8）可以看出，在該結構下混合器出口處氫氣體積分數(shù)穩(wěn)定，該結構可將氫氣與伴生氣均勻混合。

4結束語

基于數(shù)值模擬方法，采用正交試驗方法分析KSM型靜態(tài)混合器內伴生氣與氫氣的混合均勻度，分析了混合器內部導流元件的組件個數(shù)及長度、組件扭轉角度、組件垂直角度三個因素共同作用時對氣體混合均勻度的影響，得到以下結論：

1）基于正交試驗模擬結果進行極差分析，得到組件個數(shù)及長度、組件扭轉角度及組件垂直角度混合不均勻極差分別為 20.34%.18.55%.16.24%， 各因素影響力大小為：組件個數(shù)及長度 gt; 組件扭轉角度 gt; 組件垂直角度，且三個因素均對混合均勻度有較大影響。

2）進一步對比分析16組試驗模擬結果，發(fā)現(xiàn)導流組件個數(shù)從6增加到12時，混合不均勻度從21.97% 降低至 1.63% ；組件扭轉角從 135^° 增大到270^° 時，混合不均勻度從 19.69% 下降到 1.14% ；組件垂直角度為 54^° 時，混合不均勻度最大為 18.57% 組件垂直角度為 90^° 時，混合不均勻度最小為 2.33% 。

3）建立最優(yōu)混合器結構模型，即當導流組件個數(shù)為12，扭轉角度為 270^° ，垂直角度為 90^° 時，混合器混合不均勻度最低為 0.23% ，可有效將氫氣與伴生氣混合。此時組件個數(shù)最多，扭轉角度最大，混合氣體途徑路徑復雜可以加劇混合氣體間的碰撞，使混合更加均勻。

該研究結論明確了伴生氣摻氫條件下KSM型靜態(tài)混合器內部結構優(yōu)化方向，多因素相互作用的研究思想也可用于其他混合氣體介質及其他靜態(tài)分離器的結構優(yōu)化。但目前國內大部分摻氫項目摻氫比并未達到 20% （摻氫比 20% 是國外示范項目選取的較為安全的摻氫上限），且伴生氣組分復雜多樣，下一步擬開展不同摻氫比與不同組分伴生氣的混合均勻性研究。

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（編輯：譚玉龍）