急冷換熱器入口流道設計

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)各種重要有機化工產(chǎn)品的基礎，制取乙烯的方法很多，但目前以管式爐裂解技術最為成熟，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，生成烯烴及其他產(chǎn)物的過程。本文所提及的急冷換熱器，就是負責將高溫裂解氣急速冷卻的設備。該設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，因為裂解氣在高溫狀態(tài)下極不穩(wěn)定，容易發(fā)生二次反應甚至結焦，所以該絕熱段不能太長，但因裂解氣離開裂解爐時的速度很高，約50～100 m/S，如果該絕熱段太短，裂解氣進入急冷換熱器后，沒有完成均勻分布就高速沖入換熱管，那么正對著入口的那部分換熱管進入的裂解氣量就很大，而分布在管板四周的換熱管進入的裂解氣量就小，由此帶來的問題是裂解氣量大的換熱管內(nèi)裂解氣將不會得到充分冷卻，容易發(fā)生二次反應并結焦，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)生冷凝結焦，無論是高溫結焦還是冷凝結焦都易降低換熱效率，堵塞換熱管，縮短設備在線運行時間，因此該段絕熱段的流動分配就顯得格外重要。本文將應用計算流體動力學軟件對管程流道進行模擬設計計算，得出比較合理的結構，并總結出一般的規(guī)律，以應用實際設備的結構設計。

本文所采用的計算流體動力學軟件是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，下面我們將應用C FX軟件對本文所要關心的下封頭流道進行模擬設計計算，通過對三種結構方案進行對比計算，選出比較好的結構，總結出一些比較優(yōu)化的結構方案。

一、結構模型簡介

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入后，經(jīng)過封頭和管箱法蘭段進入換熱管，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、三種結構方案的對比計算

本文給出三種流道結構，這三種結構分別為：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.在結構2的基礎上，在管板處增加氣體分布器。這三個結構的示意圖分別見圖1、圖2、圖3，以下分別簡稱為結構1、結構2、結構3。利用C FX軟件進行分析計算，研究管程進口流道是否合理,能否讓裂解氣均勻的通過各換熱管，通過對計算結果進行對比，選出比較好的結構，同時總結出一些結構設計原則。

圖1 結構1

圖2 結構2

圖3結構3

對于這三種結構，我們分析計算的步驟為：1.利用三維建模軟件對流道進行建模。2.將建好的模型導入到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能自動生成的四面體網(wǎng)格，而是通過手動劃分，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，進入C FX進行求解計算。在其前處理器中，我們設置邊界條件，設定求解控制方案。我們用空氣代替裂解氣模擬其流動情況。設定如下這些條件：進口氣體質(zhì)量流量為3.446 k g/s，出口為靜壓0 M Pa，換熱管內(nèi)壁粗糙度設置為0.3 mm，湍流模型選k-ε模型，然后進入求解器進行求解。求解進行到什么程度才算收斂，我們是通過兩點進行核對，一是對比進出口流量，即出口流量等于進口流量才算收斂，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，一般讓計算的殘差降低的10 E-4級以下才停止運行。4.計算收斂后輸出計算結果。

結論

三種結構模擬計算結果對比如下：

1.三種結構各換熱管流量對比結果見下表

表1 三種結構流量計算對比

從表1我們可以看出：a.三種計算均已收斂，因為進出口質(zhì)量達到守恒。b.流量分配的均勻度：結構3>結構2>結構1，這個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，結構3的流量數(shù)組方差遠遠小于結構1和結構2的，這說明結構3的分配均勻度遠大于結構1和結構2。

2.三種結構入口段流速及總壓降的對比結果見下表

表2 三種結構在入口段的停留時間與壓降對比

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，所以當裂解氣從輻射段出來后，我們需要它迅速進入換熱管被冷卻，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)的停留時間。一般工藝要求停留時間需在40 ms左右，從表2可以看出，三種結構的停留時間均能滿足要求，但結構2和結構3的停留時間比結構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)，這三種結構從模擬的計算結果可以看出，壓降均能滿足要求。

3.對三種結構計算結果的速度矢量圖對比我們會發(fā)現(xiàn)：結構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），這種回流會導致裂解氣滯留，延長裂解氣在高溫區(qū)的停留時間，容易發(fā)生二次反應甚至結焦，影響烯烴的收率，所以我們不希望流道中出現(xiàn)這種回流。而結構2和結構3因流道變寬較遲，減小了回流區(qū)域，優(yōu)化了流量分配。特別是結構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。當然，增加分布器除了提高流量的分布均勻度外還有一個重要作用就是保護管板，裂解爐內(nèi)出來的裂解氣會夾帶一些焦塊，這個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，同時也能避免流道正中高速氣流對管板的直接沖刷，提高設備使用壽命。

通過對三種結構流道的模擬計算，得出如下結論：1.急冷換熱器入口處降速擴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)，從而導致停留時間和壓降增加，進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行保護。

[1]王松漢.乙烯裝置技術與運行[M].北京：中國石化出版社，2009.

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

[3]陳濱.乙烯工學[M].北京：化學工業(yè)出版社，1997.

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