張賢福

(江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司 211112)

乙烯、丙烯等不飽和烯烴是生產(chǎn)各種重要有機(jī)化工產(chǎn)品的基礎(chǔ)，制取乙烯的方法很多，但目前以管式爐裂解技術(shù)最為成熟，所謂裂解是指石油系的烴類原料在高溫條件下，發(fā)生碳鏈斷裂或脫氫反應(yīng)，生成烯烴及其他產(chǎn)物的過程。本文所提及的急冷換熱器，就是負(fù)責(zé)將高溫裂解氣急速冷卻的設(shè)備。該設(shè)備為一立式管殼式換熱器，裂解氣走管程，冷卻水走殼程。裂解氣離開裂解爐后即進(jìn)入該急冷換熱器，在急冷換熱器的入口封頭處有一段絕熱段，即從入口至下管板這一段，工藝對這一段距離要求很高，因?yàn)榱呀鈿庠诟邷貭顟B(tài)下極不穩(wěn)定，容易發(fā)生二次反應(yīng)甚至結(jié)焦，所以該絕熱段不能太長，但因裂解氣離開裂解爐時(shí)的速度很高，約50～100 m/S，如果該絕熱段太短，裂解氣進(jìn)入急冷換熱器后，沒有完成均勻分布就高速?zèng)_入換熱管，那么正對著入口的那部分換熱管進(jìn)入的裂解氣量就很大，而分布在管板四周的換熱管進(jìn)入的裂解氣量就小，由此帶來的問題是裂解氣量大的換熱管內(nèi)裂解氣將不會(huì)得到充分冷卻，容易發(fā)生二次反應(yīng)并結(jié)焦，而裂解氣量小的換熱管因裂解氣得到充分冷卻又容易發(fā)生冷凝結(jié)焦，無論是高溫結(jié)焦還是冷凝結(jié)焦都易降低換熱效率，堵塞換熱管，縮短設(shè)備在線運(yùn)行時(shí)間，因此該段絕熱段的流動(dòng)分配就顯得格外重要。本文將應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對管程流道進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)計(jì)算，得出比較合理的結(jié)構(gòu)，并總結(jié)出一般的規(guī)律，以應(yīng)用實(shí)際設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文所采用的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件是C FX,C FX最初由英國A EA T EC H NOLOG Y公司開發(fā)，它采用了基于有限元的有限體積法，下面我們將應(yīng)用C FX軟件對本文所要關(guān)心的下封頭流道進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)計(jì)算，通過對三種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對比計(jì)算，選出比較好的結(jié)構(gòu)，總結(jié)出一些比較優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案。

一、結(jié)構(gòu)模型簡介

本文研究的模型是急冷換熱器的入口流道，一般形式裂解氣從入口法蘭進(jìn)入后，經(jīng)過封頭和管箱法蘭段進(jìn)入換熱管，封頭為橢圓形封頭，內(nèi)部襯耐高溫絕熱內(nèi)襯，換熱管為φ63.5×6，共37根，正方形排列，管間距為82.6。

二、三種結(jié)構(gòu)方案的對比計(jì)算

本文給出三種流道結(jié)構(gòu)，這三種結(jié)構(gòu)分別為：1.直邊段入口后傾角為30度，過渡到換熱管入口。2.直邊段入口后傾角為6度，到一定高度后再傾斜60度；3.在結(jié)構(gòu)2的基礎(chǔ)上，在管板處增加氣體分布器。這三個(gè)結(jié)構(gòu)的示意圖分別見圖1、圖2、圖3，以下分別簡稱為結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)3。利用C FX軟件進(jìn)行分析計(jì)算，研究管程進(jìn)口流道是否合理,能否讓裂解氣均勻的通過各換熱管，通過對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，選出比較好的結(jié)構(gòu)，同時(shí)總結(jié)出一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。

圖1 結(jié)構(gòu)1

圖2 結(jié)構(gòu)2

圖3結(jié)構(gòu)3

對于這三種結(jié)構(gòu)，我們分析計(jì)算的步驟為：1.利用三維建模軟件對流道進(jìn)行建模。2.將建好的模型導(dǎo)入到C FX的前處理軟件I C EM C FD中，利用I C EM C FD生成C FX計(jì)算所需要的網(wǎng)格。為了減少網(wǎng)格數(shù)量，不使用I C EM C FD能自動(dòng)生成的四面體網(wǎng)格，而是通過手動(dòng)劃分，形成網(wǎng)格質(zhì)量較好的六面體網(wǎng)格。在封頭與換熱管的交界處，利用四面體網(wǎng)格進(jìn)行耦合，避免直接使用交界面帶來的數(shù)據(jù)失真。3.網(wǎng)格劃分完成后，進(jìn)入C FX進(jìn)行求解計(jì)算。在其前處理器中，我們設(shè)置邊界條件，設(shè)定求解控制方案。我們用空氣代替裂解氣模擬其流動(dòng)情況。設(shè)定如下這些條件：進(jìn)口氣體質(zhì)量流量為3.446 k g/s，出口為靜壓0 M Pa，換熱管內(nèi)壁粗糙度設(shè)置為0.3 mm，湍流模型選k-ε模型，然后進(jìn)入求解器進(jìn)行求解。求解進(jìn)行到什么程度才算收斂，我們是通過兩點(diǎn)進(jìn)行核對，一是對比進(jìn)出口流量，即出口流量等于進(jìn)口流量才算收斂，二是控制殘差，本文的模型較簡單，生成的網(wǎng)格質(zhì)量較高，一般讓計(jì)算的殘差降低的10 E-4級以下才停止運(yùn)行。4.計(jì)算收斂后輸出計(jì)算結(jié)果。

結(jié)論

三種結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算結(jié)果對比如下：

1.三種結(jié)構(gòu)各換熱管流量對比結(jié)果見下表

表1 三種結(jié)構(gòu)流量計(jì)算對比

從表1我們可以看出：a.三種計(jì)算均已收斂，因?yàn)檫M(jìn)出口質(zhì)量達(dá)到守恒。b.流量分配的均勻度：結(jié)構(gòu)3>結(jié)構(gòu)2>結(jié)構(gòu)1，這個(gè)從換熱管最大流量與最小流量比值及流量數(shù)組的方差可以看出，方差越小，流量分配越均勻，結(jié)構(gòu)3的流量數(shù)組方差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的，這說明結(jié)構(gòu)3的分配均勻度遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2。

2.三種結(jié)構(gòu)入口段流速及總壓降的對比結(jié)果見下表

表2 三種結(jié)構(gòu)在入口段的停留時(shí)間與壓降對比

因裂解氣在高溫狀態(tài)下性能不穩(wěn)定，容易發(fā)生二次反應(yīng)，所以當(dāng)裂解氣從輻射段出來后，我們需要它迅速進(jìn)入換熱管被冷卻，因此我們需要入口段的軸向平均流速要盡可能的高，以縮短裂解氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間。一般工藝要求停留時(shí)間需在40 ms左右，從表2可以看出，三種結(jié)構(gòu)的停留時(shí)間均能滿足要求，但結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3的停留時(shí)間比結(jié)構(gòu)1要縮短了13%左右。對于壓降，工藝一般要求控制在10 k Pa以內(nèi)，這三種結(jié)構(gòu)從模擬的計(jì)算結(jié)果可以看出，壓降均能滿足要求。

3.對三種結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的速度矢量圖對比我們會(huì)發(fā)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)1因流道變寬太快，在變寬流道的中部形成了很明顯的回流區(qū)（漩渦），這種回流會(huì)導(dǎo)致裂解氣滯留，延長裂解氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間，容易發(fā)生二次反應(yīng)甚至結(jié)焦，影響烯烴的收率，所以我們不希望流道中出現(xiàn)這種回流。而結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3因流道變寬較遲，減小了回流區(qū)域，優(yōu)化了流量分配。特別是結(jié)構(gòu)3，增加了分布器，流量分布均勻度明顯得到提高，雖然它增加了壓降，但總壓降仍在工藝許可范圍內(nèi)，相對于提高分布均勻度來說，壓降的影響還是可以接受的。當(dāng)然，增加分布器除了提高流量的分布均勻度外還有一個(gè)重要作用就是保護(hù)管板，裂解爐內(nèi)出來的裂解氣會(huì)夾帶一些焦塊，這個(gè)分布器可以破碎這些焦塊，避免焦塊對管板的長期磨損，提高管板的壽命，同時(shí)也能避免流道正中高速氣流對管板的直接沖刷，提高設(shè)備使用壽命。

通過對三種結(jié)構(gòu)流道的模擬計(jì)算，得出如下結(jié)論：1.急冷換熱器入口處降速擴(kuò)壓段要盡可能接近換熱管的入口，防止出現(xiàn)較大的回流區(qū)，從而導(dǎo)致停留時(shí)間和壓降增加，進(jìn)入各換熱管的裂解氣量也不相等，這些均不是我們所想要的。2.在條件許可的情況下，盡可能使用氣流分配裝置，提高流量分配均勻度并對管板進(jìn)行保護(hù)。

[1]王松漢.乙烯裝置技術(shù)與運(yùn)行[M].北京：中國石化出版社，2009.

[2]王松漢，何細(xì)藕.乙烯工藝與技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2000.

[3]陳濱.乙烯工學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997.

[4]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.