李金科　劉韞硯　徐紅兵

                (天華化工機械及自動化研究設計院)

    摘　要：運用CFD軟件對急冷換熱器內管中的裂解氣流體分配情況進行了模擬,得出了3種流道下的流體分配情況。模擬結果表明,通過增加流體分配器或者改變部分內管結構都可有效地改善內管中的流體分配情況。

    關鍵詞：急冷換熱器　流體分配　數值模擬

    中圖分類號：TQ051·5　　　文獻標識碼：A　　　文章編號：0254-6094(2010)01-0043-05

    在乙烯裂解裝置中,裂解氣急冷換熱器用的最多的是傳統式單入口雙套管急冷換熱器,其換熱單元為上下橢圓形集流管、內管和外管。內管走裂解氣,高壓給水通過下橢圓集流管后進入外管和內管之間的環隙與裂解氣換熱,利用水汽的密度差上升并由上橢圓集流管導出[1]。傳統式雙套管急冷換熱器結構簡單、制造方便且應用廣泛,但由于裂解氣入口存在流體分配問題易造成內管中裂解氣流量分配不均,即中心部位的內管裂解氣流量較大,停留時間較短,結焦少,而周圍部位的內管裂解氣流量較小,停留時間較長,結焦嚴重,有些內管甚至被堵死,這就降低了換熱管(內管)的利用率,導致裂解氣出口溫度上升較快,限制了急冷換熱器的操作周期[2]。因此,必須對裂解氣入口流道進行合理設計,使進入雙套管急冷換熱器的裂解氣盡可能均勻分布,使每根內管中的裂解氣流量和結焦程度基本相同,降低裂解氣出口升溫速度,從而有效延長急冷換熱器的操作周期。

    影響氣體分配的因素較多,例如內管的排布情況、裂解氣進口處的流道形狀與結構尺寸、裂解氣通過內管時的阻力降大小以及裂解氣的流量等。筆者主要從結構方面對裂解氣在內管中的分布情況進行分析,以解決某裝置急冷換熱器流體分配不均的問題。為解決這一問題選擇了3種方案:改變原設計進口流道的幾何尺寸;在前一方案基礎上增加流體分配器;在第1方案基礎上改變中心部位的內管結構,借助于計算流體動力學(CFD)方法,通過對比3種方案下流體分配的模擬結果,得出最優方案以指導設計。

    1  3種方案的簡介

    第1種方案對原設計的流道進行了修改。裂解氣進口流道(圖1)的幾何尺寸對裂解氣的流體分配影響很大,若擴展角α大于6°則可能發生嚴重的邊界層脫離,并出現較大的漩渦區[2];若只采用一個擴展角(即β=α),則必然導致H過長,不僅增加了絕熱段停留時間,而且會造成不必要的資源浪費。另外,分配空間的長度h1對氣體分配也有較大影響,h1較大有利于氣體分布,但也延長了裂解氣在絕熱段的停留時間,導致烯烴損失增加。因此合理選擇α、β、h和h1的大小十分重要。

              

    第2種方案為在急冷換熱器裂解氣入口與管板之間設置流體分配器。流體分配器的主要作用是消除分配空間橫截面上流動的不均勻性和捕集來自裂解爐管的焦塊,并將之粉碎,由于正對裂解氣進口的內管中流量較大,因此流體分配器設置在流道的正對中心部位,對流入中心區域的部分裂解氣起阻擋作用,為了防止過多流體被阻擋而引起中心區域流量過小,在流體分配器中心以及兩側都開設了用于引導裂解氣的槽孔。

    第3種方案為改變中心部位內管下端的尺寸,通過縮小內管截面積的方法減少中心部位內管的裂解氣流量。此種方案無需增加其他分配部件,不需要消耗外部能量,結構簡單,但在換熱管上增加了一道焊縫。

    2　數值模擬

    模擬過程包括幾何建模、劃分網格、前處理、迭代計算和后處理5個步驟。

    2.1　幾何建模

    本次模擬的對象為某型裂解爐急冷換熱器的進口流道和內管,首先運用建模軟件建立進口處的流道模型。由于相比于第1種和第3種方案,裝有流體分配器的第2種方案的結構比較復雜,因此以方案二為例介紹模擬的過程。

    圖2~4分別所示的是增加分配器后的流道模型、流體分配器的幾何模型和采用第3種方案時中心部位內管的下部結構。

               

           

               

    2.2　劃分網格

    采用ICEM 9. 0軟件對模型進行了網格劃分(圖5),運用的網格類型包括四面體、五面體和六面體網格。若全部采用六面體網格,則網格同流線的方向能基本保持一致,網格正交性較好,且其質量和計算的精度能得到保證,但由于急冷換熱器內管根數為幾十根,而流道進口處的幾何結構較為簡單,僅為一個圓形,若全部采用六面體網格容易導致進口處的網格也較多,大大增加了計算時間。為此,在流道進口和內管流道之間設置了一個過渡段,過渡段網格為四面體網格,四面體網格同六面體網格之間用五面體網格連接。這樣計算域內大部分網格仍為六面體網格,且內管中網格較密,流道進口處網格較稀疏,即節約了計算時間也保證了計算精度。

                  

    從圖5可看出,流道上部的網格較密,網格數目較多,而下部網格較少,兩部分的網格通過中間的四面體和五面體網格進行連接,較好地控制了整體網格的數量。從圖6、7可看出,流體分配器在流道中的位置,其位于流道進口的正上方,被分配器阻擋的部分流體將繞過中心區域向外圍內管中流動,仍有一部分流體通過分配器中間的開槽結構直接進入內管中,使各根內管中的流量基本平衡。

                 

                 

    2.3　前處理(邊界條件設置和模型選取)

    模擬采用了CFX 9. 0商用軟件,計算域的邊界條件主要有入口、出口和壁面:入口采用了質量流量入口;出口采用了壓力出口,入口的靜壓則根據內流場的計算結果確定;壁面則采用無滑移的固壁[3]。

    計算采用了標準k-ε湍流模型[4]。由于本次模擬的重點在于觀察流體的分配情況,它與流道的幾何形狀有很大關系,而受溫度的影響較小,因此本次模擬忽略了溫度的影響。

    2.4　迭代計算

    數值計算方法的基本思想都是把連續問題離散成不連續問題,然后來求解。CFX采用了基于有限元的有限體積法,保證了在有限體積法的守恒特性的基礎上,吸收了有限元法的數值精確性。CFX是第一個發展和使用全隱式多網格耦合求解技術的商業化軟件,這種求解技術避免了傳統算法需要“假設壓力項—求解—修正壓力項”的反復迭代過程,而同時求解動量方程和連續方程,加上其多網格技術, CFX的計算速度和穩定性較傳統方法提高了許多。

    2.5　后處理(計算結果)

    2.5.1　方案一的計算結果(改變流道幾何尺寸)

    由于裂解氣進入急冷換熱器后本身流速較高,因此正對著進口的區域即中心區域的內管中流量較大,而在外圍內管中的流量較小。通過觀察圖8也可看出,在急冷換熱器的中心位置,流線較為密集集中。

                 

    為了更好的觀察流體的分配情況,從計算結果中提取了每根內管中的裂解氣質量流量,具體情況如圖9所示。

               

    圖中帶有“+”號的圓表示質量流量最大的內管,而帶有“-”號的圓表示質量流量最小的內管,從而可以得出內管中流體分配的均勻度(流量最小值/最大值)為87. 32%。

    2.5.2　方案二的計算結果(增加流體分配器)

    圖10所示為增加了流體分配器后流道內的流線,對比圖8可見,當流體流經分配器時,從流道進口進入的裂解氣發生了分流,此時靠近中心區域的流線有所減少,而外圍區域的流體流線有所增加,有效地降低了中心區域的流量。

                

    同樣從計算結果中提取了每根內管中的裂解氣質量流量用于對比流體分配的情況,具體情況如圖11所示。

               

    此時內管中流體分配的均勻度(流量最小值/最大值)為92. 25%,同時可看出中心區域內管中的質量流量得到了控制,流體分配更加均勻。

    2.5.3　方案三的計算結果(改變中心區域的內管結構)

    圖12所示為改變中心區域內管結構后流道內的流線圖。相比于圖8,從流線分布上看沒有太大區別,但中心區域內管下端管徑的減小可以降低裂解氣通過內管時的流量,從而使分配變的更加均勻。

               

    如圖13所示為流體的具體分配情況。雖然流量最大的內管仍位于中心區域,但其數值有明顯降低,此時內管中流體分配的均勻度(流量最小值/最大值)為92. 24%,從而使流體的總體分配情況得到了明顯改善。

               

    3　結論

    筆者借助于CFX 9. 0流體分析軟件,以數值計算為基礎,對急冷換熱器內裂解氣的流體分配情況進行了模擬。從模擬的結果來看,僅改變入口流道幾何形狀和結構尺寸時流體分配的均勻度為87. 32%;增加流體分配器后此值可上升至92. 25%;改變中心區域內管的下部結構后均勻度為92. 24%。由此可見,通過增加流體分配器或改變中心區域內管下部結構可以使急冷換熱器中的流體分配更加均勻。

    由于急冷換熱器的排管、內管根數、進口流道的幾何形狀及尺寸不同,在采用流體分配器改善分配情況時,分配器的結構尺寸應根據流道的不同而相應變化。在采用改變中心區域內管下部結構的方案改善流體分配時,也需確定最佳的內管下部結構尺寸、中心區域的內管數和范圍等。總之,對于不同的情況必須運用CFD軟件進行分析,從而確定最佳的流體分配改善方案。

    參考文獻

    1·王松漢.乙烯裝置技術與運行.北京:中國石化出版社, 2009

    2·古大田,方子風.化工設備設計全書———廢熱鍋爐.北京:化學工業出版社, 2002

    3·韓占忠,王敬,蘭小平. FLUENT流體工程仿真計算實例與應用.北京:北京理工大學出版社, 2004

    4·王福軍.計算流體動力學分析———CFD軟件原理與應用.北京:清華大學出版社, 2004