汽化爐汽化段管路工藝設(shè)計(jì)與分析

劉　雁，閆　博

（北京航天石化技術(shù)裝備工程公司，北京100166）

汽化爐汽化段管路工藝設(shè)計(jì)與分析

劉雁，閆博

（北京航天石化技術(shù)裝備工程公司，北京100166）

在煉油及煤化工工藝中，為給各種反應(yīng)及分餾提供熱量而設(shè)置了大量的加熱爐。有些加熱爐爐管內(nèi)被加熱介質(zhì)為汽液兩相介質(zhì)，這種加熱爐稱之為汽化爐。汽化爐中管路一般需要采用逐級(jí)擴(kuò)徑的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文介紹汽化爐管路設(shè)計(jì)方法及計(jì)算原理，并給出計(jì)算實(shí)例。

汽化爐；汽液兩相流；擴(kuò)徑；汽化率

汽化爐出口汽化率是要求達(dá)到的指標(biāo)，爐管內(nèi)流動(dòng)的介質(zhì)屬于汽液兩相流。汽相和液相的量及物性隨行程的增加而變化。一般來說，爐內(nèi)輻射段爐管要逐級(jí)擴(kuò)徑，不僅可以降低壓降，還可以使被加熱介質(zhì)等溫汽化。這樣做的目的是增加介質(zhì)的熱焓而不提高介質(zhì)的溫度。煉油及煤化工中的減壓爐、分餾塔進(jìn)料加熱爐及反應(yīng)進(jìn)料加熱爐均屬于這類汽化爐。

1　擴(kuò)徑管路計(jì)算原理

擴(kuò)徑管路是否布置合理，熱力參數(shù)是否符合要求，必須要進(jìn)行壓力平衡、相平衡、熱平衡、高流速限制及流型判別五個(gè)方面的計(jì)算。

壓力平衡計(jì)算主要是指壓降的計(jì)算。一般情況下，出口壓力已知，計(jì)算出此管段的壓降，就可得進(jìn)口壓力。計(jì)算壓降的方法主要是均相法和Dukler法。Dukler法應(yīng)用較為廣泛。此法建立在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過相似分析法得出摩擦壓降關(guān)聯(lián)式。適用于水平及垂直管路，且準(zhǔn)確性較高［1］。壓降公式為：

式中：ΔPf—管內(nèi)壓降，MPa

ftp—汽液兩相有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)，無量綱

Gm—汽液兩相混合物的質(zhì)量流速，kg/m2·s

ΔL—計(jì)算管段的傳熱有效長度，m

Φ—當(dāng)量長度與傳熱有效長度之比，無量綱

di—管內(nèi)徑，m

ρm—混合密度，kg/m3

ρL—液相密度，kg/m3

ρg—汽相密度，kg/m3

EL—汽液兩相間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)液相的體積分?jǐn)?shù)

Eg—汽液兩相間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)氣相的體積分?jǐn)?shù)

CL—汽液兩相間無相對運(yùn)動(dòng)時(shí)液相的體積分?jǐn)?shù)

Cg—汽液兩相間無相對運(yùn)動(dòng)時(shí)氣相的體積分?jǐn)?shù)

相平衡計(jì)算的依據(jù)是相平衡關(guān)系式：e=f（p，t）。即介質(zhì)的汽化率與壓力和溫度存在對應(yīng)關(guān)系。

熱平衡計(jì)算是能量平衡計(jì)算，即根據(jù)伯努利方程推導(dǎo)得出。壓降計(jì)算及相平衡計(jì)算均需要已知管段入口的溫度，此溫度需要根據(jù)熱平衡計(jì)算得出。熱平衡計(jì)算采用的公式：

式中：Q—外界傳入管段的熱量，MW

ΔH—介質(zhì)在計(jì)算管段出入口的焓差，MJ/kg

ΔIS—水蒸汽注入爐管前后的焓差，MJ/kg

eS—注汽率，J/kg

WF—油料質(zhì)量流量，kg/s

外界傳入計(jì)算管段的熱量按照表面平均熱強(qiáng)度取值。

兩相流計(jì)算中采用流動(dòng)方式描述流動(dòng)分布，即相分布，稱為流型；用流動(dòng)機(jī)制來描述每相的層流和湍流。流型和流動(dòng)機(jī)制是相互關(guān)聯(lián)的。流型在兩相流的流動(dòng)特性和傳熱特性中是非常關(guān)鍵的，是決定傳熱和流動(dòng)的計(jì)算依據(jù)。流型的變化往往引發(fā)流阻的變化、流動(dòng)的穩(wěn)定性以及出現(xiàn)傳熱危機(jī)［2］。汽化段管段內(nèi)最好的流型是霧狀流，液節(jié)流是不允許的。預(yù)測垂直管的流型圖采用的是Griffith和Wallis提出的流型圖，目的是要?jiǎng)澇隹赡馨l(fā)生液節(jié)流的區(qū)域，計(jì)算較為保守，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。水平管的汽液兩相流流型也可按照相應(yīng)的流型圖確定，Baker流型圖建立最早且得到廣泛應(yīng)用，特別是在石油工業(yè)和冷凝工程設(shè)計(jì)中［3］。在擴(kuò)徑管段初始段易出現(xiàn)不良流型，需要謹(jǐn)慎判斷。初始段流型滿足要求，則該段其它部位流型會(huì)滿足要求。當(dāng)流型不能滿足要求時(shí)，更換此段管段尺寸，采用稍小管徑的管子結(jié)構(gòu)重新判定。

管段中最高流速出現(xiàn)在此管段末端，此流速不能超過臨界流速。臨界流速是指在流道兩端壓力差控制下流過的最大流量。如果計(jì)算結(jié)果超過臨界流速，多余的壓力能白白消耗于渦流損失。一般最高流速限制于臨界速度的90%。如果流速超限，就應(yīng)該擴(kuò)大管徑。臨界流速計(jì)算常用的公式：

Us=1 015.3）0.5

式中：Us—臨界速度，m/s

P—計(jì)算截面的壓力，MPa

ρm—計(jì)算截面的汽液混合物密度，kg/m3

汽化爐管路計(jì)算為試算法，采用計(jì)算機(jī)編程的手段，通過多次迭代可以計(jì)算出需要的熱力參數(shù)，水動(dòng)力計(jì)算參數(shù)及流型等。程序計(jì)算框圖見圖1［4-5］。

圖1　程序計(jì)算框圖

′

2　計(jì)算實(shí)例

采用某項(xiàng)目減壓爐為例進(jìn)行說明。為了避免油品裂解而影響產(chǎn)品質(zhì)量，要求油溫不超過裂解溫度；為了提高側(cè)線產(chǎn)品收率，又要求出爐介質(zhì)具有較高的熱焓。所以，一般減壓爐出口汽化率較高，使介質(zhì)在較低的溫度下具備較高的熱焓，如果要取得合適的熱力數(shù)據(jù)、流速及流型，管路需要經(jīng)過多次變徑。

（1）工藝數(shù)據(jù)輸入

工藝物流數(shù)據(jù)見表1。

（2）管束結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入

表1　工藝物流數(shù)據(jù)

首次輸入結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，參照輸出的熱力參數(shù)、流速及流型等進(jìn)行分析，如果參數(shù)不合適需要重新修正結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行再次計(jì)算，直到滿足工藝要求。初步確定管路的擴(kuò)徑方案，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，常見的擴(kuò)徑方案有：Φ89-Φ152-Φ219-Φ273，Φ141-Φ168-Φ219-Φ273及 Φ168-Φ219-Φ273-Φ325等。最終結(jié)果是否合理需要根據(jù)計(jì)算參數(shù)最后確定。

汽化段管路結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2　汽化段管路結(jié)構(gòu)參數(shù)

（3）數(shù)據(jù)輸出

各根爐管熱力參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。

表3　各根爐管熱力參數(shù)計(jì)算結(jié)果

各管段末端流速計(jì)算結(jié)果見表4。

表4　各管段末端流速計(jì)算結(jié)果

此部分?jǐn)?shù)據(jù)輸出包括熱力參數(shù)、流速、流型、壓降及前面的結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸出。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)此部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，是否結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)滿足工藝的要求。

此輸出結(jié)果熱力參數(shù)，壓降，流速及流型等均能滿足工藝要求，管束變徑Φ141-Φ168-Φ219-Φ273設(shè)置合理。若管段13不采用擴(kuò)徑，管束采用Φ141-Φ168-Φ219，那么出口處流速達(dá)到77 m/s，接近臨界流速81.8 m/s，不能滿足管段末端流速限制的要求。如果擴(kuò)徑過快，直接從Φ141變徑到Φ273，會(huì)導(dǎo)致流速過低，產(chǎn)生了液節(jié)流，也是不允許的。通常，水平管比垂直管更不容易出現(xiàn)液節(jié)流。因?yàn)樗焦鼙却怪惫馨l(fā)生液節(jié)流的范圍較窄。兩相流中傳熱基本處于核態(tài)沸騰和過渡區(qū)，沒有膜態(tài)沸騰產(chǎn)生，說明傳熱良好，給熱系數(shù)不會(huì)急劇變小，而導(dǎo)致管壁溫急劇升高或者造成換熱管燒毀［6］。

3　結(jié)論

在換熱滿足要求的前提下，采用合理擴(kuò)徑，注重流型的變化，杜絕液節(jié)流的發(fā)生。同時(shí)要滿足壓降的要求，防止最高流速接近臨界流速使壓力變成渦流損失。

［1］錢家麟.管式加熱爐［M］.2版.北京：中國石化出版社，2007.

［2］鐘琪.兩相流與沸騰傳熱［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［3］林宗虎.汽液兩相流和沸騰傳熱［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

［4］王德瑞.減壓爐汽化段爐管的工藝設(shè)計(jì)中PRO/II軟件的應(yīng)用［J］.煉油設(shè)計(jì)，1997，27（5）:56-57.

［5］化工部工業(yè)爐設(shè)計(jì)技術(shù)中心站.化學(xué)工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1988.

［6］譚天恩.化工原理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

Design and Analysis of Vaporization Pipeline Process Design for Vaporization Heater

LIU Yan，YAN Bo
（Beijing Aerospace Petrochemical Technology Equipment Engineering Corporation，Beijing 100166，China）

There are a large amount of heating furnaces for reaction and fractionation in oil refining and coal chemical industry.The reheated medium of some heating furnaces is gas-liquid two phase medium，which is called vaporization heater.The pipeline of the vaporization heater usually uses increasing tube size step by step method to design.The design method and calculation theory are introduced，and the project example is also illustrated.

vaporization heater；vapor-liquid two phases；increasing tube size；vaporization rate

TK175

B

1001-6988（2016）04-0055-04

2016-03-04

劉雁（1980—），女，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)爐.