新型扭曲片管在乙烯裂解爐中的數(shù)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(chǎn)的核心裝置，如何強化爐管內(nèi)的傳熱過程一直是從事裂解技術(shù)開發(fā)的工程人員所追求的目標(biāo)。對于裂解爐中應(yīng)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(shù)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(gòu)型的裂解爐強化傳熱管［1-10］，通過改變爐管內(nèi)外結(jié)構(gòu)改善爐管外的熱量向爐管內(nèi)流體傳遞的過程，在較短時間內(nèi)使管內(nèi)物料達到裂解反應(yīng)所需的溫度。比較有代表性的技術(shù)包括美國魯姆斯公司的內(nèi)螺旋梅花管和日本久保田公司的 MERT 管等［11］。

雖然這些技術(shù)可以有效改善爐管內(nèi)的傳熱過程，但由于爐管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使加工過程也比較復(fù)雜，而且在使用過程中容易出現(xiàn)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(nèi)置扭曲片的強化傳熱技術(shù)，通過在爐管內(nèi)分段加入扭曲片整鑄管，使管內(nèi)流體產(chǎn)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(yè)試驗結(jié)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(yīng)的主要產(chǎn)品收率影響不大［13-16］。為了增加爐管的通透性，在此基礎(chǔ)上，對扭曲片結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化和改進，提出了二代扭曲片強化傳熱技術(shù)［17］，作為對比，原扭曲片管稱為一代扭曲片管。

本工作利用數(shù)值模擬的方法研究了二代扭曲片管的應(yīng)用對爐管內(nèi)流體速度、溫度及裂解反應(yīng)主要產(chǎn)品收率的影響，并將模擬結(jié)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(wǎng)格進行劃分，并對管壁附近的網(wǎng)格進行了細化。裂解原料油為石腦油，裂解工藝參數(shù)如表1所示。

表1 裂解工藝參數(shù)Table 1 Cracking process parameters

1.2 模型求解

利用Fluent軟件對裂解爐管內(nèi)流體的動量方程、能量方程以及裂解反應(yīng)方程進行求解，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程求解，反應(yīng)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(yīng)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(zhì)量流量入口、出口為壓力出口。

2 結(jié)果與討論

2.1 管內(nèi)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(nèi)油氣的體積隨溫度的升高膨脹，另一方面爐管內(nèi)發(fā)生的熱裂解反應(yīng)為分子數(shù)增多的反應(yīng)，隨著反應(yīng)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(gòu)型改變所導(dǎo)致的管內(nèi)流體速度變化主要集中在扭曲片所在區(qū)域。對于二代扭曲片管，在該區(qū)域內(nèi)，流體速度會出現(xiàn)先增大后減小的變化，這是由于扭曲片構(gòu)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(qū)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(nèi)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(qū)域靠近，流體速度迅速增大。與圖1類似，扭曲片構(gòu)型的改變對爐管內(nèi)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(nèi)壓力的變化規(guī)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(nèi)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(jié)構(gòu)形式的改變對爐管內(nèi)沿管長的壓力分布影響不大。

2.3 管內(nèi)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(xiàn)上升趨勢，僅在扭曲片所在區(qū)域，油氣溫度會出現(xiàn)一個先上升后下降的變化，分析原因是由于在該區(qū)域，扭曲片構(gòu)型的改變導(dǎo)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(nèi)的傳熱。在入口管區(qū)域，爐管內(nèi)溫度較低的原料油氣吸收爐膛內(nèi)高溫?zé)煔獾臒崃浚瑴囟妊杆偕撸瑫r由于溫度較低，裂解反應(yīng)速率較小。隨著油氣溫度的升高，裂解反應(yīng)速率迅速增加，此時油氣吸收的熱量主要用于裂解反應(yīng)吸熱，從而導(dǎo)致了出口管區(qū)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(qū)域，二代扭曲片管內(nèi)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(qū)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(qū)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(nèi)溫度略高，最大溫差出現(xiàn)在靠近爐管出口位置的近壁區(qū)域，從管壁到爐管中心區(qū)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(nèi)裂解產(chǎn)物收率分布

兩代扭曲片管沿管長方向裂解產(chǎn)物收率的分布見圖6，圖6（a）是入口管產(chǎn)物收率分布，圖6（b）是出口管產(chǎn)物收率分布。從圖6可看出，與扭曲片構(gòu)型無關(guān)，在靠近爐管入口區(qū)域，裂解產(chǎn)物收率均較低。這是由于在該區(qū)域內(nèi)油氣溫度較低，裂解反應(yīng)速率較小，因此裂解產(chǎn)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(yīng)速率迅速增大，裂解產(chǎn)物收率隨之提高。此外，在入口管區(qū)域，二代扭曲片管的裂解產(chǎn)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(nèi)油氣溫度高于一代扭曲片管，高溫有利于裂解反應(yīng)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(qū)域，由于二代扭曲片的使用不會導(dǎo)致爐管內(nèi)流體溫度產(chǎn)生明顯變化，因此裂解產(chǎn)物收率基本一致。從圖6還可看出，扭曲片所在區(qū)域，裂解產(chǎn)物收率會出現(xiàn)一個較大幅度的增長。這是由于扭曲片的存在使得管內(nèi)流體流動產(chǎn)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(yīng)的進行。

圖6 兩代扭曲片管沿管長方向裂解產(chǎn)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(xiàn)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(yīng)速率較中心區(qū)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(jié)論

1）沿爐管徑向方向，管內(nèi)流體速度、溫度和裂解產(chǎn)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(qū)域的流體速度產(chǎn)生明顯的影響，流體速度先增大后減小。

3）沿管長方向，管內(nèi)壓力逐漸降低，且在扭曲片區(qū)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(qū)域，二代扭曲片管內(nèi)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(qū)域，二代扭曲片管內(nèi)裂解產(chǎn)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(qū)域，二代扭曲片管的使用對裂解反應(yīng)主產(chǎn)物收率影響不大。

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