急冷換熱器裂解氣流體分配CFD模擬

              李金科　劉韞硯　徐紅兵

                (天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院)

    摘　要：運(yùn)用CFD軟件對急冷換熱器內(nèi)管中的裂解氣流體分配情況進(jìn)行了模擬,得出了3種流道下的流體分配情況。模擬結(jié)果表明,通過增加流體分配器或者改變部分內(nèi)管結(jié)構(gòu)都可有效地改善內(nèi)管中的流體分配情況。

    關(guān)鍵詞：急冷換熱器　流體分配　數(shù)值模擬

    中圖分類號：TQ051·5　　　文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)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(nèi)管和外管。內(nèi)管走裂解氣,高壓給水通過下橢圓集流管后進(jìn)入外管和內(nèi)管之間的環(huán)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(dǎo)出[1]。傳統(tǒng)式雙套管急冷換熱器結(jié)構(gòu)簡單、制造方便且應(yīng)用廣泛,但由于裂解氣入口存在流體分配問題易造成內(nèi)管中裂解氣流量分配不均,即中心部位的內(nèi)管裂解氣流量較大,停留時間較短,結(jié)焦少,而周圍部位的內(nèi)管裂解氣流量較小,停留時間較長,結(jié)焦嚴(yán)重,有些內(nèi)管甚至被堵死,這就降低了換熱管(內(nèi)管)的利用率,導(dǎo)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(jìn)行合理設(shè)計,使進(jìn)入雙套管急冷換熱器的裂解氣盡可能均勻分布,使每根內(nèi)管中的裂解氣流量和結(jié)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(nèi)管的排布情況、裂解氣進(jìn)口處的流道形狀與結(jié)構(gòu)尺寸、裂解氣通過內(nèi)管時的阻力降大小以及裂解氣的流量等。筆者主要從結(jié)構(gòu)方面對裂解氣在內(nèi)管中的分布情況進(jìn)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(shè)計進(jìn)口流道的幾何尺寸;在前一方案基礎(chǔ)上增加流體分配器;在第1方案基礎(chǔ)上改變中心部位的內(nèi)管結(jié)構(gòu),借助于計算流體動力學(xué)(CFD)方法,通過對比3種方案下流體分配的模擬結(jié)果,得出最優(yōu)方案以指導(dǎo)設(shè)計。

    1  3種方案的簡介

    第1種方案對原設(shè)計的流道進(jìn)行了修改。裂解氣進(jìn)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(kuò)展角α大于6°則可能發(fā)生嚴(yán)重的邊界層脫離,并出現(xiàn)較大的漩渦區(qū)[2];若只采用一個擴(kuò)展角(即β=α),則必然導(dǎo)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(fèi)。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(dǎo)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(shè)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(jìn)口的內(nèi)管中流量較大,因此流體分配器設(shè)置在流道的正對中心部位,對流入中心區(qū)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(qū)域流量過小,在流體分配器中心以及兩側(cè)都開設(shè)了用于引導(dǎo)裂解氣的槽孔。

    第3種方案為改變中心部位內(nèi)管下端的尺寸,通過縮小內(nèi)管截面積的方法減少中心部位內(nèi)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(jié)構(gòu)簡單,但在換熱管上增加了一道焊縫。

    2　數(shù)值模擬

    模擬過程包括幾何建模、劃分網(wǎng)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(jìn)口流道和內(nèi)管,首先運(yùn)用建模軟件建立進(jìn)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(jié)構(gòu)比較復(fù)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(nèi)管的下部結(jié)構(gòu)。

               

           

               

    2.2　劃分網(wǎng)格

    采用ICEM 9. 0軟件對模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分(圖5),運(yùn)用的網(wǎng)格類型包括四面體、五面體和六面體網(wǎng)格。若全部采用六面體網(wǎng)格,則網(wǎng)格同流線的方向能基本保持一致,網(wǎng)格正交性較好,且其質(zhì)量和計算的精度能得到保證,但由于急冷換熱器內(nèi)管根數(shù)為幾十根,而流道進(jìn)口處的幾何結(jié)構(gòu)較為簡單,僅為一個圓形,若全部采用六面體網(wǎng)格容易導(dǎo)致進(jìn)口處的網(wǎng)格也較多,大大增加了計算時間。為此,在流道進(jìn)口和內(nèi)管流道之間設(shè)置了一個過渡段,過渡段網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格,四面體網(wǎng)格同六面體網(wǎng)格之間用五面體網(wǎng)格連接。這樣計算域內(nèi)大部分網(wǎng)格仍為六面體網(wǎng)格,且內(nèi)管中網(wǎng)格較密,流道進(jìn)口處網(wǎng)格較稀疏,即節(jié)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(wǎng)格較密,網(wǎng)格數(shù)目較多,而下部網(wǎng)格較少,兩部分的網(wǎng)格通過中間的四面體和五面體網(wǎng)格進(jìn)行連接,較好地控制了整體網(wǎng)格的數(shù)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(jìn)口的正上方,被分配器阻擋的部分流體將繞過中心區(qū)域向外圍內(nèi)管中流動,仍有一部分流體通過分配器中間的開槽結(jié)構(gòu)直接進(jìn)入內(nèi)管中,使各根內(nèi)管中的流量基本平衡。

                 

                 

    2.3　前處理(邊界條件設(shè)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(zhì)量流量入口;出口采用了壓力出口,入口的靜壓則根據(jù)內(nèi)流場的計算結(jié)果確定;壁面則采用無滑移的固壁[3]。

    計算采用了標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[4]。由于本次模擬的重點(diǎn)在于觀察流體的分配情況,它與流道的幾何形狀有很大關(guān)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(shù)值計算方法的基本思想都是把連續(xù)問題離散成不連續(xù)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(chǔ)上,吸收了有限元法的數(shù)值精確性。CFX是第一個發(fā)展和使用全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù)的商業(yè)化軟件,這種求解技術(shù)避免了傳統(tǒng)算法需要“假設(shè)壓力項(xiàng)—求解—修正壓力項(xiàng)”的反復(fù)迭代過程,而同時求解動量方程和連續(xù)方程,加上其多網(wǎng)格技術(shù), CFX的計算速度和穩(wěn)定性較傳統(tǒng)方法提高了許多。

    2.5　后處理(計算結(jié)果)

    2.5.1　方案一的計算結(jié)果(改變流道幾何尺寸)

    由于裂解氣進(jìn)入急冷換熱器后本身流速較高,因此正對著進(jìn)口的區(qū)域即中心區(qū)域的內(nèi)管中流量較大,而在外圍內(nèi)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(jié)果中提取了每根內(nèi)管中的裂解氣質(zhì)量流量,具體情況如圖9所示。

               

    圖中帶有“+”號的圓表示質(zhì)量流量最大的內(nèi)管,而帶有“-”號的圓表示質(zhì)量流量最小的內(nèi)管,從而可以得出內(nèi)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(jié)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(nèi)的流線,對比圖8可見,當(dāng)流體流經(jīng)分配器時,從流道進(jìn)口進(jìn)入的裂解氣發(fā)生了分流,此時靠近中心區(qū)域的流線有所減少,而外圍區(qū)域的流體流線有所增加,有效地降低了中心區(qū)域的流量。

                

    同樣從計算結(jié)果中提取了每根內(nèi)管中的裂解氣質(zhì)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(nèi)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(qū)域內(nèi)管中的質(zhì)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(jié)果(改變中心區(qū)域的內(nèi)管結(jié)構(gòu))

    圖12所示為改變中心區(qū)域內(nèi)管結(jié)構(gòu)后流道內(nèi)的流線圖。相比于圖8,從流線分布上看沒有太大區(qū)別,但中心區(qū)域內(nèi)管下端管徑的減小可以降低裂解氣通過內(nèi)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(nèi)管仍位于中心區(qū)域,但其數(shù)值有明顯降低,此時內(nèi)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(jié)論

    筆者借助于CFX 9. 0流體分析軟件,以數(shù)值計算為基礎(chǔ),對急冷換熱器內(nèi)裂解氣的流體分配情況進(jìn)行了模擬。從模擬的結(jié)果來看,僅改變?nèi)肟诹鞯缼缀涡螤詈徒Y(jié)構(gòu)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(qū)域內(nèi)管的下部結(jié)構(gòu)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(qū)域內(nèi)管下部結(jié)構(gòu)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(nèi)管根數(shù)、進(jìn)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(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)根據(jù)流道的不同而相應(yīng)變化。在采用改變中心區(qū)域內(nèi)管下部結(jié)構(gòu)的方案改善流體分配時,也需確定最佳的內(nèi)管下部結(jié)構(gòu)尺寸、中心區(qū)域的內(nèi)管數(shù)和范圍等?？傊?對于不同的情況必須運(yùn)用CFD軟件進(jìn)行分析,從而確定最佳的流體分配改善方案。

    參考文獻(xiàn)

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

    2·古大田,方子風(fēng).化工設(shè)備設(shè)計全書———廢熱鍋爐.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2002

    3·韓占忠,王敬,蘭小平. FLUENT流體工程仿真計算實(shí)例與應(yīng)用.北京:北京理工大學(xué)出版社, 2004

    4·王福軍.計算流體動力學(xué)分析———CFD軟件原理與應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社, 2004