乙苯蒸汽過熱器殼程流場模擬與換熱性能分析

劉 棒，李瑞江，史怡坤，朱學棟，朱子彬

(華東理工大學大型工業反應器工程教育部工程研究中心，上海 200237)

苯乙烯是一種重要的有機化工原料，主要用于生產樹脂和橡膠。2017年國內苯乙烯產能為8.927 Mt，2019年產量有望突破10 Mt[1]。由乙苯脫氫法生產的苯乙烯約占世界總產量的90%[2]，開發低水烴比(水與乙苯的質量比)催化劑和降低操作的水烴比成為苯乙烯企業關注的課題[3]。乙苯蒸汽過熱器作為回收脫氫產物顯熱的重要設備，具有管殼程溫差大、負壓等特點[4]，工業生產中經常出現換熱性能不良、乙苯內漏等問題。張中清等[5-6]對換熱管斷裂引起管束失效的問題提出了結構及材料的改進措施。李朋飛[7]分析解決了乙苯蒸汽過熱器內漏問題，顯著降低了乙苯脫氫單元的能耗。關于乙苯蒸汽過熱器換熱性能、殼程流場模擬以及支持板和防沖管對流場的影響研究鮮見報道。

數值模擬相比實驗方法具有成本低、流場可視化強等優點[8]，近年來國內外眾多學者對換熱器進行了很多模擬研究[9-13]。王定標等[14]基于相似準則建立模型，采用數值模擬方法研究換熱器結構參數對換熱性能和流動的影響。Ozden等[15]模擬小尺寸管殼式換熱器，分析折流板間距和切割率對換熱性能的影響。Pal 等[16]模擬了弓形折流板對換熱器殼程流場的影響，發現在折流板背風面存在回流區。Parikshit等[17]利用有限元方法計算窗口區不布管換熱器殼程壓降，結果與實驗值吻合良好。郭崇志等[18]對A、E流路的計算模型采用分段模擬，并與經驗方法對比，結果表明Bell-Delaware法與模擬結果吻合良好。

國內某企業乙苯蒸汽過熱器殼程出口溫度比設計值低40 ℃，嚴重影響脫氫反應溫度，致使加熱爐負荷和水烴比增大。為分析溫度偏低的原因，本研究基于幾何及雷諾數相似準則建立過熱器計算模型，通過流體動力學軟件Fluent 17.2模擬得到流場分布，考察殼程流量、折流板數目及支持板和防沖管對換熱性能、壓降及流動規律的影響，其結果可以為乙苯蒸汽過熱器的設計及優化提供參考。

1 數學模型

1.1 物理模型

基于幾何相似理論[19]建立過熱器模型，對殼程、管程、折流板、支持板、防沖管、旁路擋板、接管建模，支持板居中布置，殼程進口接管下方布置5根防沖管，防沖管幾何參數見表1。圖1為過熱器模型結構圖，旁路擋板、防沖管及折流板位置見圖1(b)，其中兩條直線表示支持板的缺口切割位置。模型長徑比(L/D)與原過熱器相同，殼體長度、殼體內徑、折流板間距均為實際尺寸的1/10。

圖1 過熱器結構模型

表1為過熱器詳細結構參數以及不同數量折流板對應的折流板間距，過熱器結構材料為304不銹鋼，折流板厚度為3 mm。殼程流體為乙苯和水蒸氣，管程流體為高溫脫氫產物。過熱器管程與殼程進出口溫差大，熱物理性質變化大，為準確模擬管殼程換熱狀況，利用ASPEN PLUS模擬得到各溫度下的管殼程流體熱物理性質，結果見表2。由于壓力變化小，忽略壓力對于物性的影響。

表1 過熱器結構參數

表2 管程、殼程流體熱物理性質擬合結果

注：T為流體溫度；ρ為流體密度；μ為流體動力黏度；Cp為流體比熱容；λ為流體熱導率。

1.2 守恒方程

模擬計算采用可實現k-ε湍流模型[20](Realizablek-εmodels)，該模型相比標準k-ε模型能更好地呈現管束區域流動特征。描述守恒方程、湍動能k及湍動耗散率ε的方程如下：

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

湍動能k方程：

(4)

湍動能耗散率ε方程：

(5)

Φ表示湍動能k的增加速率:

(6)

(7)

1.3 邊界條件和模擬方法

邊界條件設定如下：殼程流體進口溫度366 K，絕對壓力103 kPa，管程進口溫度833 K，絕對壓力40 kPa。殼程內壁面和計算域內的所有固體壁面設為無滑移壁面，并設定標準壁面函數。管程與殼程進口均為速度進口邊界條件且速度分布均勻，方向垂直于入口面，出口邊界條件設為壓力出口，表壓為0。模擬計算設置中換熱管壁熱狀態采用coupled選項。FLUENT 17.2模擬流動和熱傳遞過程，有限體積方法離散守恒方程，QUICK格式離散對流源項，SIMPLE算法處理壓力與速度的耦合。設定收斂準則能量殘差小于1×10-6，速度、壓力等殘差小于1×10-5。

1.4 網格獨立性檢查

殼程結構復雜，包括管束、殼體、折流板、接管等，利用ICEM CFD軟件對計算域劃分四面體非結構網格。為驗證模擬結果與網格數量的相關性，對3塊折流板過熱器模型劃分4組網格，分別為2.18×106，2.80×106，3.70×106，4.54×106，對比結果最后兩組模型在換熱系數和壓降的差值小于1%，綜合考慮精度和計算時間，采用網格數為3.70×106的模型。

2 結果與討論

2.1 過熱器流場分析

模型1結構參數采用表1數據，3塊折流板，不考慮支持板、防沖管、旁路擋板，簡記為模型1。根據雷諾數相同確定殼程流量，依據工業操作數據，模擬的殼程流量為0.232 kg/s，管程流量為0.450 kg/s。

圖2為模型1的溫度流線分布，可以觀察到在殼程進口區域因流道的突然擴大，在管束上部存在回流區，流體有效流動不充分。管束外側與殼體間隙大，產生大的渦流，造成較大的動量和壓降損失。同時部分流體從管束外側流過，形成短路，沒有進行有效的換熱。

圖2 模型1的殼程溫度流線分布

2.2 殼程流量對換熱和壓降的影響

經驗方法Bell-Delaware法[21]常用來計算管殼式換熱器壓降和換熱系數，模擬換熱系數的計算詳見參考文獻[22]。采用模型1研究殼程流量ms對換熱系數hs和壓降ΔPs的影響，并將數值模擬結果與Bell-Delaware經驗方法得到的結果作對比以檢驗數值模擬的準確性，結果見圖3和圖4。由圖3可見，隨殼程流量的增大，換熱系數增大，模擬結果與由經驗方法得到的結果最大差值為11.9%。

圖3 殼程流量對換熱系數的影響■—數值模擬結果； ▲—Bell-Delaware方法結果。圖4、圖5同

圖4 殼程流量對殼程壓降的影響

由圖4可見，隨殼程流量的增大，殼程壓降逐漸增加，數值模擬結果與由Bell-Delaware經驗方法得到的結果最大差值不超過15%。圖3和圖4結果表明，數值模擬結果可信度較高。

圖5為數值模擬結果與Bell-Delaware經驗方法得到的殼程平均雷諾數Res與綜合評價因子(Nu×Pr-1/3)的關系。由圖5可見，隨殼程平均Res的增大，Nu×Pr-1/3也增大，結果均有良好的線性關系，數值模擬結果與經驗方法得到的Nu的差值不超過12%。

圖5 殼程Res對Nu×Pr-13的影響

根據圖5擬合出數值模擬結果與Bell-Delaware經驗方法得到的Nu與Res的關系式：

數值模擬擬合關系式：

Nu×Pr-1/3=0.036 6Res0.805，14 508

(8)

Bell-Delaware擬合關系式：

Nu×Pr-1/3=0.062 4Res0.746，14 508

(9)

2.3 折流板數對流場和換熱性能的影響

圖6 折流板數對溫度流線分布的影響

NbΔPs∕Pahs∕(W·m-2·K-1)hs×ΔP-1s∕(W·m-2·K-1·kPa-1)模擬值經驗值模擬值經驗值模擬值經驗值31 660.31 427.884.782.250.9857.5441 987.71 781.692.589.446.5550.2052 355.02 254.299.194.442.7041.87

2.4 殼程附件對流場及換熱性能的影響

為考察支持板數量對換熱性能和流場的影響，分別建立了3個模型，其中折流板數為3塊，均包括防沖管和旁路擋板，其中模型2在折流板間不布置支持板，模型3在折流板間布置1塊支持板，模型4在折流板間布置2塊支持板。管程、殼程進口條件及與2.1節所述相同，模擬方法設置與1.3節相同。圖7為模型4的殼程溫度流線分布，可以看出在折流板與支持板進出口處存在回流區，與無支持板模型(見圖2)相比，回流區明顯減小。

圖7 模型4的殼程溫度流線分布

依據折流板位置將殼程分為A，B，C，D 4個區域(具體劃分見圖7)，表4為模型4的殼程各區域流量的分布。由表4可見，殼程進口端流量分布相對均勻，支持板會造成錯流區流量分布的嚴重不均，從區域B，C，D可以得出，1區流量約為3區的1/6，這會造成換熱面積的有效利用率降低。因此支持板會造成殼程流量分布的嚴重不均，可能是工業上過熱器出口溫度比設計值偏低的一個重要因素。

表4 模型4的殼程各區域流量分布

表5為支持板數量對殼程換熱系數、殼程出口溫度Ts，out及殼程壓降的影響。由表5可見，隨支持板數的增加，殼程換熱系數和壓降均減小，因為支持板將折流板間區域分為多個部分，造成各區域流量分布嚴重不均。另外增加支持板會導致大渦流減小，動量損耗降低，壓降減小，這與工業實際中壓降相比設計值偏低相符。

表5 支持板數對殼程壓降和換熱系數的影響

圖8為關于防沖管和旁路擋板對殼程速度流場影響的對比，以換熱管中心為原點，x=400 mm為殼程進口中心截面，x=100 mm為折流板之間截面，其中圖8(a)、(c)為模型1(無防沖管和旁路擋板)截面流場，圖8(b)、(d)為模型2(有防沖管和旁路擋板)截面流場。圖8(a)、(b)比較了防沖管對過熱器進口端流場的影響，為簡化計算布置5根防沖管。對比得出防沖管能夠有效地避免流體直接沖刷管束，并且流體的分布更加均勻。進口中軸線位置因為防沖管的阻礙作用，導致這部分流體速度偏低。圖8(c)、(d)比較了旁路擋板對殼程流場的影響，(c)中沒有設置旁路擋板，殼程中部分流體從殼體與管束邊緣旁路間隙流過，沒有進行有效地換熱。通過設置旁路擋板，大部分流體從管束流過，流體從而能夠在管束中充分流動，殼程換熱增強。

圖8 防沖管和旁路擋板對殼程流場的影響

3 結 論

(1)利用FLUENT17.2軟件模擬乙苯蒸汽過熱器換熱性能，可實現k-ε湍流模型能很好地模擬過熱器流場；隨殼程流量的提高，殼程壓降和換熱系數增大，擬合得到的換熱關系式線性良好，模擬結果與經驗方法得到數值的相對偏差在工程范圍內。

(2)增加折流板數，殼程壓降和換熱系數增加，流場流動死區減小；增加支持板數，造成殼程流量分布嚴重不均，導致換熱面積的有效利用率降低，殼程換熱系數減小；同時由于流體產生的回流區減小，流體動量損耗降低，壓降減小；防沖管對于進口端流場的分布起到了積極的作用。

(3)通過流場模擬和換熱性能分析，得出工業乙苯蒸汽過熱器殼程出口溫度偏低，可能是因為支持板的設置不當造成的。