换热器裂解气流体分配CFD模拟
摘 要：运用CFD软件对急冷换热器内管中的裂解气流体分配情况进行了模拟,得出了3种流道下的流体分配情况。模拟结果表明,通过增加流体分配器或者改变部分内管结构都可有效地改善内管中的流体分配情况。
关键词：急冷换热器 流体分配 数值模拟
中图分类号：TQ051·5 文献标识码：A 文章编号：0254-6094(2010)01-0043-05
在乙烯裂解装置中,裂解气急冷换热器用的最多的是传统式单入口双套管急冷换热器,其换热单元为上下椭圆形集流管、内管和外管。内管走裂解气,高压给水通过下椭圆集流管后进入外管和内管之间的环隙与裂解气换热,利用水汽的密度差上升并由上椭圆集流管导出[1]。传统式双套管急冷换热器结构简单、制造方便且应用广泛,但由于裂解气入口存在流体分配问题易造成内管中裂解气流量分配不均,即中心部位的内管裂解气流量较大,停留时间较短,结焦少,而周围部位的内管裂解气流量较小,停留时间较长,结焦严重,有些内管甚至被堵死,这就降低了换热管(内管)的利用率,导致裂解气出口温度上升较快,限制了急冷换热器的操作周期[2]。因此,必须对裂解气入口流道进行合理设计,使进入双套管急冷换热器的裂解气尽可能均匀分布,使每根内管中的裂解气流量和结焦程度基本相同,降低裂解气出口升温速度,从而有效延长急冷换热器的操作周期。
影响气体分配的因素较多,例如内管的排布情况、裂解气进口处的流道形状与结构尺寸、裂解气通过内管时的阻力降大小以及裂解气的流量等。笔者主要从结构方面对裂解气在内管中的分布情况进行分析,以解决某装置急冷换热器流体分配不均的问题。为解决这一问题选择了3种方案:改变原设计进口流道的几何尺寸;在前一方案基础上增加流体分配器;在第1方案基础上改变中心部位的内管结构,借助于计算流体动力学(CFD)方法,通过对比3种方案下流体分配的模拟结果,得出最优方案以指导设计。
1 3种方案的简介
第1种方案对原设计的流道进行了修改。裂解气进口流道(图1)的几何尺寸对裂解气的流体分配影响很大,若扩展角α大于6°则可能发生严重的边界层脱离,并出现较大的漩涡区[2];若只采用一个扩展角(即β=α),则必然导致H过长,不仅增加了绝热段停留时间,而且会造成不必要的资源浪费。另外,分配空间的长度h1对气体分配也有较大影响,h1较大有利于气体分布,但也延长了裂解气在绝热段的停留时间,导致烯烃损失增加。因此合理选择α、β、h和h1的大小十分重要。
第2种方案为在急冷换热器裂解气入口与管板之间设置流体分配器。流体分配器的主要作用是消除分配空间横截面上流动的不均匀性和捕集来自裂解炉管的焦块,并将之粉碎,由于正对裂解气进口的内管中流量较大,因此流体分配器设置在流道的正对中心部位,对流入中心区域的部分裂解气起阻挡作用,为了防止过多流体被阻挡而引起中心区域流量过小,在流体分配器中心以及两侧都开设了用于引导裂解气的槽孔。
第3种方案为改变中心部位内管下端的尺寸,通过缩小内管截面积的方法减少中心部位内管的裂解气流量。此种方案无需增加其他分配部件,不需要消耗外部能量,结构简单,但在换热管上增加了一道焊缝。
2 数值模拟
模拟过程包括几何建模、划分网格、前处理、迭代计算和后处理5个步骤。
2.1 几何建模
本次模拟的对象为某型裂解炉急冷换热器的进口流道和内管,首先运用建模软件建立进口处的流道模型。由于相比于第1种和第3种方案,装有流体分配器的第2种方案的结构比较复杂,因此以方案二为例介绍模拟的过程。
图2~4分别所示的是增加分配器后的流道模型、流体分配器的几何模型和采用第3种方案时中心部位内管的下部结构。
2.2 划分网格
采用ICEM 9. 0软件对模型进行了网格划分(图5),运用的网格类型包括四面体、五面体和六面体网格。若全部采用六面体网格,则网格同流线的方向能基本保持一致,网格正交性较好,且其质量和计算的精度能得到保证,但由于急冷换热器内管根数为几十根,而流道进口处的几何结构较为简单,仅为一个圆形,若全部采用六面体网格容易导致进口处的网格也较多,大大增加了计算时间。为此,在流道进口和内管流道之间设置了一个过渡段,过渡段网格为四面体网格,四面体网格同六面体网格之间用五面体网格连接。这样计算域内大部分网格仍为六面体网格,且内管中网格较密,流道进口处网格较稀疏,即节约了计算时间也保证了计算精度。
从图5可看出,流道上部的网格较密,网格数目较多,而下部网格较少,两部分的网格通过中间的四面体和五面体网格进行连接,较好地控制了整体网格的数量。从图6、7可看出,流体分配器在流道中的位置,其位于流道进口的正上方,被分配器阻挡的部分流体将绕过中心区域向外围内管中流动,仍有一部分流体通过分配器中间的开槽结构直接进入内管中,使各根内管中的流量基本平衡。
2.3 前处理(边界条件设置和模型选取)
模拟采用了CFX 9. 0商用软件,计算域的边界条件主要有入口、出口和壁面:入口采用了质量流量入口;出口采用了压力出口,入口的静压则根据内流场的计算结果确定;壁面则采用无滑移的固壁[3]。
计算采用了标准k-ε湍流模型[4]。由于本次模拟的重点在于观察流体的分配情况,它与流道的几何形状有很大关系,而受温度的影响较小,因此本次模拟忽略了温度的影响。
2.4 迭代计算
数值计算方法的基本思想都是把连续问题离散成不连续问题,然后来求解。CFX采用了基于有限元的有限体积法,保证了在有限体积法的守恒特性的基础上,吸收了有限元法的数值精确性。CFX是第一个发展和使用全隐式多网格耦合求解技术的商业化软件,这种求解技术避免了传统算法需要“假设压力项—求解—修正压力项”的反复迭代过程,而同时求解动量方程和连续方程,加上其多网格技术, CFX的计算速度和稳定性较传统方法提高了许多。
2.5 后处理(计算结果)
2.5.1 方案一的计算结果(改变流道几何尺寸)
由于裂解气进入急冷换热器后本身流速较高,因此正对着进口的区域即中心区域的内管中流量较大,而在外围内管中的流量较小。通过观察图8也可看出,在急冷换热器的中心位置,流线较为密集集中。
为了更好的观察流体的分配情况,从计算结果中提取了每根内管中的裂解气质量流量,具体情况如图9所示。
图中带有“+”号的圆表示质量流量最大的内管,而带有“-”号的圆表示质量流量最小的内管,从而可以得出内管中流体分配的均匀度(流量最小值/最大值)为87. 32%。
2.5.2 方案二的计算结果(增加流体分配器)
图10所示为增加了流体分配器后流道内的流线,对比图8可见,当流体流经分配器时,从流道进口进入的裂解气发生了分流,此时靠近中心区域的流线有所减少,而外围区域的流体流线有所增加,有效地降低了中心区域的流量。
同样从计算结果中提取了每根内管中的裂解气质量流量用于对比流体分配的情况,具体情况如图11所示。
此时内管中流体分配的均匀度(流量最小值/最大值)为92. 25%,同时可看出中心区域内管中的质量流量得到了控制,流体分配更加均匀。
2.5.3 方案三的计算结果(改变中心区域的内管结构)
图12所示为改变中心区域内管结构后流道内的流线图。相比于图8,从流线分布上看没有太大区别,但中心区域内管下端管径的减小可以降低裂解气通过内管时的流量,从而使分配变的更加均匀。
如图13所示为流体的具体分配情况。虽然流量最大的内管仍位于中心区域,但其数值有明显降低,此时内管中流体分配的均匀度(流量最小值/最大值)为92. 24%,从而使流体的总体分配情况得到了明显改善。
3 结论
笔者借助于CFX 9. 0流体分析软件,以数值计算为基础,对急冷换热器内裂解气的流体分配情况进行了模拟。从模拟的结果来看,仅改变入口流道几何形状和结构尺寸时流体分配的均匀度为87. 32%;增加流体分配器后此值可上升至92. 25%;改变中心区域内管的下部结构后均匀度为92. 24%。由此可见,通过增加流体分配器或改变中心区域内管下部结构可以使急冷换热器中的流体分配更加均匀。
由于急冷换热器的排管、内管根数、进口流道的几何形状及尺寸不同,在采用流体分配器改善分配情况时,分配器的结构尺寸应根据流道的不同而相应变化。在采用改变中心区域内管下部结构的方案改善流体分配时,也需确定最佳的内管下部结构尺寸、中心区域的内管数和范围等。总之,对于不同的情况必须运用CFD软件进行分析,从而确定最佳的流体分配改善方案。
参考文献
1·王松汉.乙烯装置技术与运行.北京:中国石化出版社, 2009
2·古大田,方子风.化工设备设计全书———废热锅炉.北京:化学工业出版社, 2002
3·韩占忠,王敬,兰小平. FLUENT流体工程仿真计算实例与应用.北京:北京理工大学出版社, 2004
4·王福军.计算流体动力学分析———CFD软件原理与应用.北京:清华大学出版社, 2004
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