基于CFD的加熱爐出口集合管盲板結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

郭福平

(廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院)

四合一加熱爐是重整裝置中的主要設(shè)備之一，為重整反應(yīng)提供熱量。由于裝置的操作壓力非常低，而物料要連續(xù)通過4臺(tái)反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，從而對重整進(jìn)料加熱爐和各中間加熱爐的安全運(yùn)行提出了嚴(yán)格要求。連續(xù)重整工藝中將4臺(tái)加熱爐集中布置在一個(gè)爐膛內(nèi)，構(gòu)成重整四合一方形立式加熱爐，排管為U形管多程并聯(lián)形式，爐管的出、入口均采用集合管連接。集合管盲端采用盲板法蘭連接，筆者從盲板法蘭腐蝕現(xiàn)象入手，對產(chǎn)生腐蝕的工況應(yīng)用CFD進(jìn)行數(shù)值模擬，再對盲板法蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[1～3]。

1 出口集合管腐蝕現(xiàn)象

某煉化企業(yè)重整裝置四合一加熱爐出口集合管在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)了不同程度的腐蝕，其中以爐管最長的F702爐出口集合管法蘭最為嚴(yán)重，右下側(cè)局部腐蝕照片如圖1所示，腐蝕形貌呈渦旋的條狀或條坑狀。

2 基于CFD的盲板結(jié)構(gòu)的腐蝕分析

在6種不同處理量85.19、105.70、110.70、126.80、136.20、168.00t/h下，為保證對比的一致性，取距離端部100mm處截面位置，應(yīng)用Fluent對其進(jìn)行建模和計(jì)算。圖2是168t/h處理量下平蓋結(jié)構(gòu)的速度矢量圖，可以看出介質(zhì)在平面上以一種旋渦狀的形態(tài)不斷對壁面進(jìn)行沖刷，這與圖1實(shí)際腐蝕工況的腐蝕形貌相吻合。圖3是168t/h處理量下平蓋結(jié)構(gòu)的速度等值線。隨著處理量的增大，流體的最大速度增大(最大值能達(dá)到16m/s)，壁面切向速度同時(shí)增大，導(dǎo)致對壁面的沖刷作用也在增強(qiáng)。

圖1 出口集合管盲端法蘭處腐蝕照片

圖2 168t/h處理量下平蓋結(jié)構(gòu)的速度矢量圖

圖3 168t/h處理量下平蓋結(jié)構(gòu)的速度等值線

渦量(vorticity)是一個(gè)描述旋渦運(yùn)動(dòng)大小和方向常用的物理量，流體速度的旋度為流場的渦量[4～6]，其單位是秒分之一(s-1)。在流體中只要有渦量源就會(huì)產(chǎn)生渦旋。渦量等于角速度的兩倍，由角速度和線速度的關(guān)系可知，當(dāng)渦量值增大時(shí)線速度也會(huì)隨之增大。圖4、5是以168t/h處理量為例的渦量云圖和渦量等值線。出口集合管盲端壁面附近右下側(cè)部位渦量值明顯比其他部位大，最大值能夠達(dá)到240s-1，并且相對比較集中。通過分析盲板法蘭不同處理量下渦量等值線，發(fā)現(xiàn)右下側(cè)渦量最大值隨著處理量的不斷增大而增大，對壁面的沖刷作用也不斷增強(qiáng)。

圖4 168t/h處理量下平蓋結(jié)構(gòu)的渦量云圖

圖5 168t/h處理量下平蓋結(jié)構(gòu)的渦量等值線

從以上各圖分析得知其腐蝕部位、腐蝕形態(tài)與實(shí)際腐蝕情況相吻合，證明了數(shù)值模擬的正確性。

3 基于CFD的改進(jìn)結(jié)構(gòu)的腐蝕分析

3.1盲板法蘭蓋改進(jìn)結(jié)構(gòu)

將出口集合管盲端進(jìn)行改進(jìn)，即在盲端法蘭蓋上焊上如圖6所示的結(jié)構(gòu)。

圖6 改進(jìn)出口集合管的盲端結(jié)構(gòu)

3.2改進(jìn)盲板法蘭蓋結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

為保證對比的一致性，在大處理量168t/h工況下，對比改進(jìn)盲板法蘭蓋和盲板平蓋結(jié)構(gòu)在距離盲端100mm處截面位置的速度矢量圖、速度等值線圖和渦量等值線圖。

圖7是改進(jìn)結(jié)構(gòu)的速度矢量圖，與圖2對比可以看出，改進(jìn)后盲板法蘭蓋結(jié)構(gòu)在相同長度截面下的速度矢量圖有小旋渦狀的流態(tài)存在，且流動(dòng)的方向是雜亂無規(guī)律性的。

圖7 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的速度矢量圖

圖8是改進(jìn)盲板法蘭蓋結(jié)構(gòu)的速度等值線，可以看出，該結(jié)構(gòu)壁面處速度很小，幾乎可以忽略，而其他部位處的速度很大，且靠近右下側(cè)部位處速度值最大，達(dá)到19m/s，不過由于隔斷的防沖作用，壁面處不受沖刷腐蝕影響。圖8上不存在某個(gè)部位的速度值很大且比較集中的情況，相對結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的速度等值線明顯看出各處的速度值都有所減小。

圖8 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的速度等值線

圖9、10是改進(jìn)盲板法蘭蓋結(jié)構(gòu)的渦量云圖和渦量等值線。對比圖4和圖9可以看出，改進(jìn)結(jié)構(gòu)壁面上的渦量值相對于未改進(jìn)前的渦量值要小，而且分布也相對均勻。對比圖5和圖10可以看出，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后改善了渦旋相對集中的情況，并且沒有在壁面的特定部位形成大渦量值的情況。

圖9 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的渦量云圖

4 結(jié)論

4.1過大的流量是對出口集合管盲端法蘭腐蝕的主要原因，出口集合管流體呈旋渦狀的形態(tài)進(jìn)行順時(shí)針流動(dòng)，是實(shí)際腐蝕呈渦旋條狀的原因。

圖10 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的渦量等值線

4.2在出口集合管右下方存在最大速度、最大渦量，與實(shí)際腐蝕位置相符。

4.3改進(jìn)的法蘭蓋結(jié)構(gòu)能有效擾亂漩狀順時(shí)針流態(tài)，并使實(shí)際發(fā)生腐蝕位置處的渦量值、最大流體速度值降低。

[1] 錢家麟，于遵宏，李文輝，等.管式加熱爐[M].北京:中國石化出版社，2007.

[2] 馮曉玲.PLC在加熱爐聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2014,41(2):217～218.

[3] 李欽柯,涂玲,鄭金吾.基于PCS的加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2014,41(3):258～261,310.

[4] 陳孫藝.石化加熱爐對流段結(jié)構(gòu)及制造技術(shù)進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2009，28(12):334～337.

[5] 劉偉,冀曉輝.基于CFD的新型布漿器混合室結(jié)構(gòu)[J].化工進(jìn)展，2014,33(6):1413～1418.

[6] 吳子牛.計(jì)算流體力學(xué)基本原理 [M].北京：科學(xué)出版社，2001.