新型扭曲片管在乙烯裂解爐中的數值模擬研究

劉豐合，魏月娥，王 勇

（中國石化 北京燕山分公司，北京 102500）

裂解爐是乙烯生產的核心裝置，如何強化爐管內的傳熱過程一直是從事裂解技術開發的工程人員所追求的目標。對于裂解爐中應用較多的光滑圓管，在不改變爐管形狀的前提下，大多采用改變管徑、管程數等較為單一的方式來改善傳熱過程，但總體來說潛力不大。為了解決這一問題，許多公司和研究者開始推出不同構型的裂解爐強化傳熱管［1-10］，通過改變爐管內外結構改善爐管外的熱量向爐管內流體傳遞的過程，在較短時間內使管內物料達到裂解反應所需的溫度。比較有代表性的技術包括美國魯姆斯公司的內螺旋梅花管和日本久保田公司的 MERT 管等［11］。

雖然這些技術可以有效改善爐管內的傳熱過程，但由于爐管內部結構的復雜性，使加工過程也比較復雜，而且在使用過程中容易出現燒焦不徹底的問題。針對上述問題，王國清等［12］提出了一種爐管內置扭曲片的強化傳熱技術，通過在爐管內分段加入扭曲片整鑄管，使管內流體產生徑向擾動，有利于減薄壁面附近的流動邊界層，從而強化了傳熱。工業試驗結果表明，扭曲片的加入可大幅延長裂解爐的運行周期，且對裂解反應的主要產品收率影響不大［13-16］。為了增加爐管的通透性，在此基礎上，對扭曲片結構進行了優化和改進，提出了二代扭曲片強化傳熱技術［17］，作為對比，原扭曲片管稱為一代扭曲片管。

本工作利用數值模擬的方法研究了二代扭曲片管的應用對爐管內流體速度、溫度及裂解反應主要產品收率的影響，并將模擬結果與一代扭曲片管進行了對比。

1 模擬對象及求解

1.1 模擬對象和工藝條件

模擬的爐管為U型管布局（2-1程），利用Gambit軟件對網格進行劃分，并對管壁附近的網格進行了細化。裂解原料油為石腦油，裂解工藝參數如表1所示。

表1 裂解工藝參數Table 1 Cracking process parameters

1.2 模型求解

利用Fluent軟件對裂解爐管內流體的動量方程、能量方程以及裂解反應方程進行求解，湍流模型采用標準k-ε方程求解，反應模型采用Finite-Rate/Eddy-Dissipation模型，采用SIMPLE算法求解壓力-速率耦合方程。裂解反應所需的熱通量利用UDF的形式加載到爐管壁面邊界上，爐管入口為質量流量入口、出口為壓力出口。

2 結果與討論

2.1 管內流體速度分布

兩代扭曲片管流體速度沿管長方向的分布見圖1。從圖1可看出，沿管長方向，流體速度整體呈逐漸增大的趨勢。這是由于一方面爐管內油氣的體積隨溫度的升高膨脹，另一方面爐管內發生的熱裂解反應為分子數增多的反應，隨著反應不斷進行，油氣體積增大，從而使得流動速度增大。由于扭曲片構型改變所導致的管內流體速度變化主要集中在扭曲片所在區域。對于二代扭曲片管，在該區域內，流體速度會出現先增大后減小的變化，這是由于扭曲片構型的改變使得此處流體的流通面積先減小后增大。對于一代扭曲片管，扭曲片所在區域流體速度會迅速降為0，這是由于此處為扭曲片的固體壁面，流體不能通過。除此之外，二代扭曲片管與一代扭曲片管沿管長方向的流體速度基本相同。

圖1 兩代扭曲片管沿管長方向的流體速度分布Fig.1 The fluid velocity distribution along the length direction of the two generation twisted tube.

兩代扭曲片管出口管流體速度的徑向分布見圖2。由圖2可看出，管內流體速度沿徑向存在較大的速度梯度。管壁附近由于層流邊界層的存在，流體速度較小，隨著向爐管中心區域靠近，流體速度迅速增大。與圖1類似，扭曲片構型的改變對爐管內流體速度的影響不大。

圖2 兩代扭曲片管出口管徑向流體的速度分布Fig.2 Radial fluid velocity distribution of two generation twisted tube in outlet tube.

2.2 管內壓力的變化規律

兩代扭曲片管沿管長方向的壓力分布見圖3。

圖3 兩代扭曲片管沿管長方向壓力的分布Fig.3 Pressure distribution along the length direction of two generation twisted tube.

從圖3可看出，管內壓力沿管長是逐漸降低的，在扭曲片處壓力下降較多，無論是一程管還是二程管，二代扭曲片管的壓降均比一代扭曲片管的壓降略大，扭曲片結構形式的改變對爐管內沿管長的壓力分布影響不大。

2.3 管內油氣溫度分布

兩代扭曲片管沿管長方向油氣溫度的分布見圖4。從圖4可看出，沿爐管長度方向，油氣溫度整體呈現上升趨勢，僅在扭曲片所在區域，油氣溫度會出現一個先上升后下降的變化，分析原因是由于在該區域，扭曲片構型的改變導致此處流通面積先減小后增大，從而使得流體速度先增大后減小，進而影響了爐管內的傳熱。在入口管區域，爐管內溫度較低的原料油氣吸收爐膛內高溫煙氣的熱量，溫度迅速升高，同時由于溫度較低，裂解反應速率較小。隨著油氣溫度的升高，裂解反應速率迅速增加，此時油氣吸收的熱量主要用于裂解反應吸熱，從而導致了出口管區域溫度上升減緩。

圖4 兩代扭曲片管沿管長方向油氣溫度的分布Fig.4 The distribution of oil and gas temperature along the length direction of two generation twisted tube.

與一代扭曲片管相比，在入口管區域，二代扭曲片管內油氣溫度略高，沿爐管長度方向，溫度差異逐漸減小。

兩代扭曲片管出口管油氣溫度的徑向分布見圖5。從圖5可看出，由于管壁附近層流區的存在，流體流動速度較慢，傳熱速率較小，存在較大的溫度梯度，在爐管中心區域，溫度分布趨于一致。與一代扭曲片管相比，二代扭曲片管內溫度略高，最大溫差出現在靠近爐管出口位置的近壁區域，從管壁到爐管中心區域，溫度差逐漸減小。

圖5 兩代扭曲片管出口管油氣溫度的徑向分布Fig.5 Radial distribution of oil and gas temperature at two generations twisted tube in outlet bube.

2.4 管內裂解產物收率分布

兩代扭曲片管沿管長方向裂解產物收率的分布見圖6，圖6（a）是入口管產物收率分布，圖6（b）是出口管產物收率分布。從圖6可看出，與扭曲片構型無關，在靠近爐管入口區域，裂解產物收率均較低。這是由于在該區域內油氣溫度較低，裂解反應速率較小，因此裂解產物收率較低；隨著與入口距離的增大，油氣溫度逐漸升高，反應速率迅速增大，裂解產物收率隨之提高。此外，在入口管區域，二代扭曲片管的裂解產物收率稍高于一代扭曲片管，但相差不大，這是由于二代扭曲片管內油氣溫度高于一代扭曲片管，高溫有利于裂解反應的進行，乙烯、丙烯和丁二烯收率的最大差值分別為1.52%、0.95%和0.61%；在出口管區域，由于二代扭曲片的使用不會導致爐管內流體溫度產生明顯變化，因此裂解產物收率基本一致。從圖6還可看出，扭曲片所在區域，裂解產物收率會出現一個較大幅度的增長。這是由于扭曲片的存在使得管內流體流動產生徑向擾動，增強了流體對爐管壁面的剪切作用，使得管壁附近的流動邊界層減薄，強化了傳熱，促進了裂解反應的進行。

圖6 兩代扭曲片管沿管長方向裂解產物收率的分布Fig.6 Pyrolysis products yield distribution along the length direction of two generation twisted tube.

兩代扭曲片管出口管徑向乙烯收率的分布見圖7。從圖7可看出，乙烯收率從管壁到爐管中心呈現遞減的趨勢。這是由于管壁附近存在層流邊界層，油氣流動速度較慢，溫度較高，裂解反應速率較中心區域快。沿爐管長度方向，乙烯收率逐漸增大，在爐管出口附近達到最大值。

圖7 兩代扭曲片管出口管徑向乙烯收率的分布Fig.7 Radial C2H4 yield distribution of two generation twisted tube in outlet tube.

3 結論

1）沿爐管徑向方向，管內流體速度、溫度和裂解產物收率存在明顯的梯度變化。

2）與一代扭曲片管相比，二代扭曲片的加入對扭曲片所在區域的流體速度產生明顯的影響，流體速度先增大后減小。

3）沿管長方向，管內壓力逐漸降低，且在扭曲片區域下降較多，二代扭曲片管的壓降比一代扭曲片管的壓降略大，但不影響爐管的整體壓力分布。

4）在入口管區域，二代扭曲片管內油氣溫度略高于一代扭曲片管，沿管長方向，二者差異逐漸減小。

5）在入口管區域，二代扭曲片管內裂解產物收率高于一代扭曲片管，乙烯、丙烯和丁二烯收率的最大差值分別為1.52%、0.95%和0.61%。在出口管區域，二代扭曲片管的使用對裂解反應主產物收率影響不大。

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