焦化分餾塔多噴頭噴淋脫除焦粉模擬研究

高有飛，趙遠(yuǎn)方，杜招鑫

(中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽 471003)

延遲焦化裝置是煉油廠重要的重質(zhì)油加工裝置,其焦化分餾塔脫過熱段工藝普遍采用人字形擋板脫除物料中的焦粉。然而,人字形擋板脫除焦粉的效果較差,導(dǎo)致大量焦粉被焦化油氣攜帶至油品分餾段,造成側(cè)線產(chǎn)品中普遍含有焦粉,尤其焦化蠟油、焦化柴油中含有大量焦粉,嚴(yán)重影響蠟油、柴油質(zhì)量及其后續(xù)加氫處理過程[1-2]。

噴淋洗滌技術(shù)既可用于氣-液傳質(zhì)系統(tǒng)[3],也可用于氣-液-固傳質(zhì)系統(tǒng),普遍應(yīng)用于鋼鐵、發(fā)電、礦業(yè)、化工等工業(yè)領(lǐng)域[4-5]。因此,將噴淋技術(shù)用于洗滌、脫除延遲焦化分餾塔進(jìn)料油氣中的焦炭粉末(焦粉)將有利于油品的凈化和品質(zhì)提升。研究表明[6-7],采用噴淋技術(shù)可以在主分餾塔塔底產(chǎn)生強(qiáng)大擾動,可在一定程度上防止焦粉沉積在塔底形成結(jié)焦。

為了大幅降低焦化分餾塔側(cè)線產(chǎn)品中的焦粉含量,本課題探索在焦化分餾塔下部油氣進(jìn)料段采用噴淋技術(shù),以洗滌、脫除主分餾塔進(jìn)料油氣中的焦粉,防止焦粉進(jìn)入主分餾塔上段,在降低焦化餾分油中焦粉含量的同時解決塔板堵塞問題。然而,由于受到高溫工況、環(huán)境安全、裝置建設(shè)、工業(yè)試驗成本等因素的影響,噴淋技術(shù)脫除油氣中焦粉的實際效果很難通過試驗驗證。隨著計算機(jī)智能學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展,通過數(shù)值模擬方法可以直觀地演示噴淋洗滌、脫除焦粉的過程[8],因此采用數(shù)值模擬方法研究噴淋技術(shù)洗滌、脫除焦粉的效果成為優(yōu)選。

在空塔噴淋系統(tǒng)中,塔徑和液體負(fù)荷的大小決定了噴頭的數(shù)量[9]。根據(jù)相關(guān)設(shè)計圖紙和文獻(xiàn),1.0 Mt/a延遲焦化裝置的焦化分餾塔直徑一般為4.0 m左右,為了脫除焦化分餾塔進(jìn)料油氣中的焦粉,需采用3個以上噴頭組合才能達(dá)到洗滌脫除焦粉的效果[9]。本研究基于前期單層單個噴頭單向(S-S-S)噴淋洗滌、脫除焦粉的研究結(jié)果[8],分別以常溫水-空氣-焦粉體系和焦化蠟油-焦化油氣-焦粉體系為研究對象,進(jìn)一步模擬研究單層多噴頭單向(S-T-S)噴淋洗滌、脫除進(jìn)料氣中焦粉的效果,并與S-S-S噴淋方式進(jìn)行對比,探究多噴頭組合噴淋洗滌、脫除焦粉過程的動力學(xué)規(guī)律,為技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用提供借鑒。

1 數(shù)值模型建立

通過建立先進(jìn)的數(shù)值模型,對噴淋洗滌焦化分餾塔脫過熱段進(jìn)料油氣中焦粉顆粒的過程進(jìn)行模擬,噴淋油滴溫度為290 ℃,進(jìn)料溫度為415 ℃;同時,模擬常溫、常壓下噴淋水滴洗滌含焦粉顆粒空氣的過程,比較不同噴淋系統(tǒng)洗滌脫除焦粉的性能。

噴淋洗滌脫除氣相中焦粉數(shù)值模型選用離散相模型(DPM)。其中,噴淋液滴的運動路徑模擬采用拉格朗日法隨機(jī)漫步模型,液滴間相互碰撞過程模擬采用碰撞模型(O’Rourke),液滴破碎過程模擬采用泰勒比擬破碎模型。以單層多噴頭均勻布置的單向噴淋模型為例,進(jìn)行網(wǎng)格劃分與基本設(shè)置。S-T-S噴淋系統(tǒng)的設(shè)備設(shè)計及噴淋分布器布置如圖1所示。

圖1 S-T-S噴淋系統(tǒng)和噴頭布置示意

噴淋分布器具體使用噴頭的數(shù)目主要取決于其總液體負(fù)荷、噴頭操作彈性負(fù)荷、液滴分布均勻度等因素,多個噴頭的布置方式主要考慮噴淋液滴分布的均勻性。鑒于布置2個噴頭無法實現(xiàn)噴淋液滴的均勻分布,多噴頭設(shè)置一般不少于3個噴頭,其布置形式主要依據(jù)噴頭數(shù)量的多寡,有正三角形、菱形或正多邊形等,其中菱形和正多邊形的幾何基礎(chǔ)依然是正三角形,而且采用正三角形布置才有可能實現(xiàn)均勻分布的目標(biāo)。由此,噴頭布置采用正三角形布局,然后根據(jù)噴淋環(huán)境改變?nèi)切蔚倪呴L以達(dá)到最優(yōu)均勻分布。

考慮過程模擬的計算難度隨著噴頭個數(shù)的增加成指數(shù)級增大,為簡化計算過程,對某Φ1 800 mm主分餾塔,固定選用3個噴頭組合S-T-S噴淋系統(tǒng)洗滌脫除進(jìn)料中焦粉。設(shè)計模擬系統(tǒng)基本參數(shù):數(shù)值模擬的計算域為塔內(nèi)流體域,頂部氣相出口距離噴頭為1.5 m,底部氣相進(jìn)口距離噴頭也為1.5 m,液滴當(dāng)量直徑約為2 mm。由于設(shè)定計算域的最大/最小尺寸比超過3 000,為使模擬計算過程收斂,需對整場網(wǎng)格劃分不斷進(jìn)行優(yōu)化,因而模擬工作量和模擬難度很大。因此,劃分了多種不同尺寸的網(wǎng)格,并對其進(jìn)行獨立性驗證;同時,綜合考慮連續(xù)相與離散相的運動,對噴頭周邊液滴濃度較高的地方以及貼近壁面的層流區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密;整體上,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分,以獲得較高的計算速率與計算精度。

3個噴頭分別位于正三角形的3個頂點,見圖1(b)。設(shè)定噴頭所處位置與圓心O之間距離為r、塔內(nèi)半徑為R。噴頭布置會直接影響除焦粉的效果,噴頭間距過大或過小都會導(dǎo)致液滴分散不均勻。因此,優(yōu)化確定噴頭間距,實現(xiàn)最佳的噴淋洗滌、脫焦粉效果,成為研究的焦點之一。經(jīng)綜合考慮,對比研究了4種不同的噴頭布置方式:①r/R=0.38,②r/R=0.50,③r/R=0.56,④r/R=0.75。通過測定噴淋系統(tǒng)上方1.5 m處橫截面氣相中所含的焦粉量,來考察r/R的變化、噴頭間相互干涉等因素對氣體流動、液滴分布等產(chǎn)生的影響。相同工況下、相同橫截面位置的液滴質(zhì)量濃度模擬結(jié)果對比如圖2所示。

圖2 噴淋系統(tǒng)液滴濃度云圖

從圖2可以發(fā)現(xiàn):噴頭距離塔中心較近(r/R=0.38)時,壁面附近的液滴濃度過小,焦粉容易從壁面附近逃逸;噴頭距離塔中心較遠(yuǎn)(r/R=0.75)時,塔中心附近區(qū)域液滴濃度過低;相比之下,噴頭位于塔壁與塔中心的中間位置時液滴分布較好;與r/R=0.50時相比,噴頭位于r/R=0.56處的液滴分布更均勻。因此,3個噴頭優(yōu)選r/R=0.56正三角形布置。

基于單噴頭模擬經(jīng)驗[8],多噴頭模擬過程中油滴和水滴的噴淋密度(液滴總流量與塔體橫截面積之比)均設(shè)定為 2 m3/(m2·h),油氣與空氣的空塔動能因子均設(shè)定為0.5～4.0 (m/s)·(kg/m3)0.5,氣相中焦粉的質(zhì)量濃度設(shè)定為10 g/m3。

2 空氣流場和水滴流場模擬

2.1 S-S-S和S-T-S噴淋水滴空氣流場對比

為了研究S-T-S噴淋的特點與規(guī)律,在噴淋密度為2 m3/(m2·h)、氣相負(fù)荷空塔動能因子為2 (m/s)·(kg/m3)0.5的條件下,分別模擬對比了不同氣速下S-T-S與S-S-S噴淋水滴脫除焦粉的過程,結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出:S-T-S噴淋時,中心線附近區(qū)域3個噴頭相互干涉,導(dǎo)致該區(qū)域空氣速率比壁面附近空氣速率約小10%;同時,S-T-S噴淋時空氣的湍動更加強(qiáng)烈。需要說明的是,調(diào)節(jié)液相噴淋密度后,發(fā)現(xiàn)不同噴淋密度下S-T-S噴淋時的空氣運動規(guī)律與氣相負(fù)荷空塔動能因子的變化規(guī)律類似。

圖3 不同噴淋模式下主分餾塔內(nèi)空氣速度云圖

2.2 S-S-S和S-T-S噴淋水滴離散相分布對比

為了觀察多噴頭之間相互干涉對液滴分布的影響,在噴淋密度為2 m3/(m2·h)、空塔動能因子為2 (m/s)·(kg/m3)0.5的工況下,對比S-S-S噴淋和S-T-S噴淋的液滴分布,如圖4所示。

圖4 不同噴淋模式下主分餾塔內(nèi)液滴分布云圖

對比橫截面云圖可以發(fā)現(xiàn):在相同工況下,S-T-S噴淋時的中心區(qū)域是3個噴頭共同作用的區(qū)域,隨著液滴的逐漸下行,距離噴頭越遠(yuǎn)的橫截面,噴淋液滴相互疊加越多,且液滴碰撞越劇烈,使得中心區(qū)域的液滴分布越均勻;S-S-S噴淋時,由于水滴的徑向速度不斷增大,水滴逐漸向壁面運動,距離噴頭越遠(yuǎn)的橫截面,中心區(qū)域的水滴濃度相對越低。可見,相同工況下,S-T-S噴淋時的液滴數(shù)量和液滴分布均勻程度均高于S-S-S噴淋。

2.3 S-T-S和S-S-S噴淋水滴洗滌脫焦粉能力對比

為了研究S-T-S噴淋的洗滌脫焦粉效果,在固定液相噴淋密度為2 m3/(m2·h)、不同氣相負(fù)荷空塔動能因子的工況下,對比S-T-S與S-S-S噴淋水滴時空氣中焦粉的脫除率,結(jié)果如表1所示。

表1 S-T-S與S-S-S噴淋水滴除塵效果對比

由表1可知:S-T-S和S-S-S噴淋水滴空氣焦粉脫除率的變化規(guī)律相似,隨著氣相負(fù)荷空塔動能因子的增大,S-T-S和S-S-S噴淋水滴脫除空氣中焦粉的能力均先減小后增大;當(dāng)空塔動能因子為2.0 (m/s)·(kg/m3)0.5時,兩種噴淋方式的焦粉脫除能力均最弱。這主要是因為:在低氣相負(fù)荷下,氣體向上的曳力不足以將焦粉攜帶出去,因而噴淋洗滌脫除能力較強(qiáng);隨著氣相負(fù)荷增大,氣體向上的曳力逐漸增大,同時焦粉在氣相中分布的均勻性較差,尤其壁面處焦粉逃逸較多,導(dǎo)致除塵能力下降;當(dāng)氣相負(fù)荷增大到一定程度后,小粒徑焦粉幾乎被全部帶走,而此時氣體曳力還不能將較大焦粉顆粒帶走,噴淋水滴脫除焦粉的能力趨于穩(wěn)定,但氣相負(fù)荷增大后噴淋水滴因氣流擾動增強(qiáng)使分布更加均勻,從而降低了焦粉的逃逸量,焦粉脫除能力略有增強(qiáng)。

S-T-S噴淋水滴時空氣中焦粉脫除率最高為95.15%,最低為85.88%,平均為90.06%;S-S-S噴淋水滴時空氣中焦粉脫除率最高為95.26%,最低為84.92%,平均為89.05%。可見S-T-S噴淋水滴時空氣中焦粉平均脫除率僅比S-S-S噴淋水滴時略高。需要說明的是,高氣相負(fù)荷下S-T-S噴淋水滴時空氣焦粉脫除率比S-S-S噴淋高約3%。

3 S-T-S噴淋油滴/水滴效果對比

在焦化蠟油-焦化油氣-焦粉體系中,以焦化蠟油為噴淋介質(zhì)時,油滴在塔內(nèi)與焦化油氣接觸,會發(fā)生減速運動,從而增加停留時間。因此,為了研究S-T-S噴淋油滴的洗滌脫除效果,模擬了噴淋油滴的脫除焦粉過程,并與噴淋水滴的效果進(jìn)行了對比分析。

3.1 空氣與油氣流場對比

在液相噴淋密度為2 m3/(m2·h)、氣相空塔動能因子為2 (m/s)·(kg/m3)0.5的工況下,S-T-S噴淋水滴和油滴時的氣相運動情況如圖5所示。

圖5 S-T-S噴淋水滴和油滴時的氣相流場對比

對比圖5(a)和圖5(b)可知:噴淋油滴時,主分餾塔出口向上方向各橫截面的油氣速率分布很不均勻、相差很大,且油氣擾動十分強(qiáng)烈,出現(xiàn)了旋渦;噴淋水滴時,則無旋渦出現(xiàn),空氣速率在噴頭附近較小,壁面附近較大。無論是噴淋水滴,還是噴淋油滴,噴頭下方各橫截面的空氣速率相差較小,分布相對均勻,向下距離噴頭越遠(yuǎn)的橫截面,氣相分布越均勻,當(dāng)橫截面距離噴頭出口超過1.0 m時,氣相分布已非常均勻。

3.2 水滴與油滴離散相分布對比

在噴淋密度為2 m3/(m2·h)、空塔動能因子為2 (m/s)·(kg/m3)0.5的工況下,對比S-T-S噴淋水滴和油滴速率及其液滴濃度,見圖6和圖7。

圖6 S-T-S噴淋水滴與油滴的速率分布

圖7 S-T-S噴淋水滴與油滴的濃度云圖

由圖6可以看出,下行油滴比下行水滴速率更小,主要是因為S-T-S噴淋油滴比噴淋水滴碰撞更加劇烈,使液滴破碎、速率減小程度更高。對比S-T-S噴淋油滴與水滴的大小,發(fā)現(xiàn)油滴的直徑比水滴更小,可見油滴比水滴更容易破碎。水滴從入口截面逃逸時速率約增大了15%,而油滴速率則減小了約50%。

從圖7可以看出,在相同工況下,噴淋油滴時中心區(qū)域紅色部分綿密且面積大,而噴淋水滴時中心區(qū)域紅色部分相對稀疏且面積小,說明中心區(qū)域水滴濃度明顯小于油滴濃度,而靠近塔壁的部分區(qū)域的水滴濃度更小,這主要是因為3個噴頭噴淋時,靠近塔壁區(qū)域的干涉重疊區(qū)域較少,而中心區(qū)域的干涉重疊區(qū)域較多。在噴頭上方區(qū)域,水滴和油滴濃度都非常小,說明噴淋時產(chǎn)生的霧沫夾帶量極小,這為提高噴淋洗滌脫除焦粉效率提供了有力保障。相比之下,S-T-S噴淋油滴能夠更好地覆蓋塔的整個橫截面,有助于噴淋洗滌脫焦粉。

3.3 S-T-S噴淋水滴和油滴焦粉脫除能力對比

在液相噴淋密度為2 m3/(m2·h)、氣相空塔動能因子為2 (m/s)·(kg/m3)0.5的工況下,對比S-T-S噴淋水滴和油滴時的焦粉濃度分布,如圖8所示。由圖8可知,S-T-S噴淋水滴與噴淋油滴時主分餾塔內(nèi)都存在焦粉的壁面逃逸現(xiàn)象,但是由于噴淋油滴時塔內(nèi)壁面附近區(qū)域的油滴濃度明顯高于噴淋水滴時的水滴濃度,所以噴淋油滴時焦粉壁面逃逸相對較少。

圖8 S-T-S噴淋水滴與油滴的焦粉分布云圖

3.4 S-T-S和S-S-S噴淋油滴的焦粉脫除能力對比

在液相噴淋密度為2 m3/(m2·h)的工況下,對比了不同空塔動能因子下S-T-S和S-S-S噴淋油滴洗滌脫除焦粉的效果,結(jié)果如圖9所示。

圖9 S-T-S和S-S-S噴淋油滴的洗滌脫除效果對比

由圖9可知:S-T-S噴淋油滴的焦粉最高脫除率為99.79%,焦粉最低脫除率為96.45%,平均為98.43%;S-S-S噴淋油滴的焦粉最高脫除率為99.79%,焦粉最低脫除率為96.35%,平均為98.64%。可見,二者的焦粉脫除能力相當(dāng)。綜合圖9和表1得知:S-T-S和S-S-S噴淋油滴的焦粉最低脫除率分別比相應(yīng)噴淋水滴時的焦粉最低脫除率高10.57%和11.43%,而且S-T-S和S-S-S噴淋油滴時的焦粉最低脫除率均高于相應(yīng)噴淋水滴時的焦粉最高脫除率,說明噴淋油滴是焦化分餾塔優(yōu)選的洗滌油氣脫焦粉方式。

4 S-T-S噴淋油滴除塵的工業(yè)應(yīng)用效果

山東某石化公司的1.0 Mt/a延遲焦化裝置Φ4 000 mm焦化分餾塔脫過熱段,原安裝有10層人字形擋板。技術(shù)改造時,拆除了過熱段人字擋板,改用噴淋洗滌脫除焦粉技術(shù)。應(yīng)用結(jié)果表明,采用噴淋洗滌脫除焦粉技術(shù)后,蠟油的殘?zhí)繙p少,焦化柴油和焦化蠟油中焦粉顆粒量顯著減少,不僅改善了產(chǎn)品質(zhì)量,還降低了焦化蠟油過濾網(wǎng)的清洗頻率,減輕了換熱器的清洗難度。其具體效果如下:

(1)改造前,能夠明顯觀察到焦化柴油、焦化蠟油中含有相對較多的焦粉顆粒,尤其焦化蠟油中,焦粉含量很高;改造后,幾乎觀察不到焦化柴油和焦化蠟油中含有焦粉顆粒,焦化蠟油顏色由原來的黑色變成黃色。焦化蠟油的殘?zhí)繌母脑烨暗?.86% 降至改造后的0.26%,降幅達(dá)69.8%。

(2)改造前,焦化蠟油過濾器檢修周期為兩個月;改造后,焦化蠟油過濾器檢修周期延長至半年,大幅減少了過濾器清理工作量和勞動成本。

(3)改造前,每次換熱器檢修都存有大量焦粉,不易清洗,費時費力;改造后,換熱器中的焦粉顯著減少。

5 結(jié) 論

分別以常溫水-空氣-焦粉體系和焦化蠟油-焦化油氣-焦粉體系為研究對象,通過建立數(shù)值模型,模擬研究單層多噴頭單向(S-T-S)噴淋洗滌脫除進(jìn)料油氣中焦粉的效果,并與S-S-S噴淋方式進(jìn)行對比,結(jié)果表明:

(1)3個噴頭最佳布置方式為r/R=0.56的正三角形布置。

(2)在液相噴淋密度為2 m3/(m2·h)時,不同氣相負(fù)荷下S-T-S噴淋水滴的焦粉平均脫除率比S-S-S噴淋水滴略高,而高氣相負(fù)荷下前者焦粉脫除率比后者高約3%。

(3)在噴淋密度為2 m3/(m2·h)時,S-T-S噴淋油滴與S-S-S噴淋油滴的焦粉平均脫除率相當(dāng),其比相應(yīng)噴淋水滴時的焦粉平均脫除率高8～9百分點;而S-T-S噴淋油滴和S-S-S噴淋油滴的焦粉最低脫除率分別比相應(yīng)噴淋水滴時的焦粉最低脫除率高10.57%和11.43%,說明噴淋油滴洗滌脫除焦粉的效果明顯優(yōu)于噴淋水滴。

(4)多噴頭噴淋技術(shù)工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明,采用噴淋洗滌脫除焦粉技術(shù)可明顯改善焦化分餾塔側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量,延長設(shè)備檢修周期,降低清理工作量和生產(chǎn)成本。