cfx在加氢精制装置加热炉入口管道布置的应用.pdf
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1、船管 恭 石油 化 工 设 计 Pe t r o c he mi c a l De s i g n C F X在加氢精制装置加热炉入 口管道布置的应用 崔绍华 ( 中国石化工程建设有限公司,北京 1 0 0 1 0 1 ) 摘要:传统管道优化是通过工程经验摸 索前进, 存在调整风险大、 验证周期长的缺点, 随着计算机技 术和计算流体力学的发展, 通过 C F X模拟计算可以为管道优化提供理论支持。针对加氢精制装置中加热 炉入口管道布置的两种方案做了对比分析, 根据 B a k e r 流型图确认 了管道内介质流型, 为 C F X模拟计算 提供依据, 以 C F X计算结果, 从减少震动和均匀
2、分配流量两个方面论证了不同方案的优劣, 为工程设计提 供 了一种新 的分析方 式。 关键词:气液两相流管道水力学计算C F X模拟 加热炉是加氢精制装置中主要的热能供应设 备 , 其能耗 占据整个装置 能耗 的 3 0 。气液两相 流的加热炉进 、 出口管道要求对称布置 , 如果炉管 内介质分配不均 , 极 易引起 管 内介质裂解、 结焦 , 造成管壁温度急剧上升, 加剧炉管的腐蚀, 引起炉 管鼓包 、 破裂 , 同时增加管 内压力降 , 使 加热炉操 作性能恶化 , 迫使装置不得不提前停运 , 而加热炉 入 口管道的布置对炉管内介质分 配起到决定性作 用 , 因此加热 炉人 口管道 的布置对
3、整个装置 的运 行效率有 着重 要 的意义 _ 1 J 。在管 道 的布置 过程 中, 通常是根据工程经验对管道进行改造调整 , 但 调整风险大 , 验证周期长。随着计算机技术和计算 流体力学的发展, 加热炉管道的设计可以从传统的 经验设计 向 C F D( C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c s ) 与 实际验证相结合 的设计方式过渡。计算流体力学 模拟具有周期短 、 成本低、 可视性 强, 能提供管道 内部流体的全流场流动细节且不受模型尺寸限制 等优点 , 该方式 已经在石油化工行业 中得到 了广 泛的应用。采用计算流体力学后
4、处理软件 A N S Y S C F X软件 J , 模 拟加热炉入 口管道布置 的两种设 计方案 , 对管道 内流场 的速度分布和管道质量 流 量分布进行对 比分 析, 考察两种方案 中管道 内介 质对管道的激振力及管道内物料的分配效果 。 1 计算模型的建立 1 1 管道布置类型 1 ) 方案一 : 根据石油化工压力管道设计 手册 中对加热炉 的管道布置要求 : 加氢 精制装置 中 加热炉进 口管道为原料与氢气 的混合 物 , 当两路 ( 或) 多路进料时 , 为保证两路流量分配均匀、 减少 震动, 在分支 前应有 2 02 5倍公称 直径 的直管 段 , 并有至少 2 m的高差 , 如图
5、 1 所示。 图 1 方案一加热炉入口管道布置 2 ) 方案二 : 在工程化过程 中根据不 同装 置实 际需求, 考虑到管道震动、 现场支架设置、 平台布置 等限制 , 提出另外一种管道布置方式 , 如图 2所示。 图2 方案二加热炉人口管道布置 1 2 管道水力学计算 对于加热炉进 口管道 , 可 以假定其 为绝热两 收稿 日期 : 2 0 1 3 0 41 0 。 作者简介: 崔绍华, 男, 2 0 0 7年毕业于天津大学化工过 程机械专业, 工学硕士, 工程师, 长期从事石化装置的 配 管设 计 工作。联 系电话 : 0 1 08 4 8 7 5 0 5 2; Em a i l : c
6、u i s h a o h u a s e i s i n o p e c e o m 2 0 1 3年第 3期( 第 3 0卷) 崔绍华 C F X在加氢精制装置加热炉入 口管道布置的应用 2 5 相流流动模型 J , 在高温高压条件下 , 管道 内介质 高速流动 , 部分液相会蒸 发、 分解 为气相 , 部分气 相也会溶解 、 吸附于液相之 中, 两种相态持续不断 的发生变化 , 同时 , 流型还与管道 尺寸、 管截 面形 状 、 管道角度、 管道加热状态 、 所处 的重力场、 介质 的表面张力 、 壁面及相界 面间的剪切应力等 因素 有密切关系。两相流流型 的不同会影 响模拟 的计 算结
7、果 , 故首先根据物料物性判定其流型。 贝克模型主要用于计算水平或微小倾角的气 液两相管路 , 根据 B a k e r 理论 j , 如 图3所示 , 通过 计算其 x轴 x 为8 6 9 4 3 6 , Y轴 BY 为2 7 9 7 7 3 3 。 将对应结果标示在 B a k e r图中 ( 位 于 图 3中 “ ” 所示位置 ) , 介质流型位 于环形流 区域 , 表 明 在 6 5 r n长 的水平管道 中介质气相 流速足够大 , 气相位于管 中心 , 液膜沿管 内壁分布 , 液滴由于重 力作用向下沉降, 被气相带动 向前运动 , 管上壁液 膜略薄于管下壁液膜 , 气液混合均匀。 1
8、 0 0 1 O 弥 散 流 l 状 分 流 层、 环 状 流 泡 状 流 入 。 - - _ , 弹 状 流 、 、 光 滑 流 层 塞 状 流 1 3 建 立 物理模 型 分别用 I n v e n t o r 对 方案一和方案二 的规划建 立物理模型。 管道起始 点经过 4次改变 方 向到 达大 于 2 0 倍管径的直管段 , 其 目的是为增加管道柔性 , 以满 足管道应力需求 , 同时也便于支架的设置。 经过对管道进 行 网格化处理 , 方案一节 点数 为2 0 9 4 2 4 个, 单元数为6 9 7 9 4 6 个, 方案二节点数 为1 9 0 5 7 8 个 , 单元数为6 0
9、7 3 6 1 个 。 2 数值计算结果与分析 2 1 加热炉入 口管道布置要求 加热炉人 口管道内物料为气、 液混合两相流, 且气液两相均保持较高 的流速, 当管道 内介质流 动方向发生改变时 , 介 质对管道的脉动冲击力会 诱发管道产生振动 , 故 该管道在设计时除 了要考 虑管道 自身的热补偿、 管道本身应力、 管道材质 外 , 还应满足管道 内介质流量分配均匀 、 极值流速 尽量低的要求 。 利用 C F X软件计算了两种方案在相同条件下 管道内介质分配情况和极值流速值 , 其 中主管直 径 D N 3 0 0 mm, 分支管直径 D N 2 0 0 m m, 三通前水 平管道长度为
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