陳建民，孫玉玲，姜 斌，秦 婭

（1中國石化洛陽石化工程公司，河南 洛陽 471003；2青島大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266071；3精餾技術(shù)國家工程研究中心，天津 300072）

研究開發(fā)

典型工業(yè)減壓轉(zhuǎn)油線結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)分析

陳建民1，孫玉玲2，姜 斌3，秦 婭3

（1中國石化洛陽石化工程公司，河南 洛陽 471003；2青島大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266071；3精餾技術(shù)國家工程研究中心，天津 300072）

減壓轉(zhuǎn)油線作為原油蒸餾中減壓單元的重要組成部分，對于減壓裝置的穩(wěn)定操作、減壓深拔、改善油品質(zhì)量和節(jié)能意義重大。本文在采集大量工業(yè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，按照轉(zhuǎn)油線結(jié)構(gòu)中是否存在突擴、漸擴和三通等，特別是根據(jù)過渡段與低速段的連接方式，將典型的減壓轉(zhuǎn)油線分為A型、B型和C型。利用基于多級閃蒸模型和壓降模型的一維兩相流模型對七套工業(yè)轉(zhuǎn)油線內(nèi)壓力、溫度、流速和汽化率沿轉(zhuǎn)油線軸向的變化情況進(jìn)行計算。結(jié)果表明，A型直插式轉(zhuǎn)油線合流處壓力陡降，壓降最大；B型漸擴式轉(zhuǎn)油線合流處壓力緩慢下降，壓降最??；C型二次擴徑式結(jié)構(gòu)壓力出現(xiàn)兩處陡降，壓降較小。

常減壓；減壓轉(zhuǎn)油線；結(jié)構(gòu)；壓降；溫度；流速；汽化率

減壓轉(zhuǎn)油線是指煉油廠裝置中輸送減壓加熱爐至減壓蒸餾塔間工藝物料的管系，是煉油廠常減壓蒸餾裝置中最重要的管系之一。

減壓轉(zhuǎn)油線的主要作用是將常壓渣油由減壓爐傳送至減壓塔。而油品汽、液兩相混合物在減壓轉(zhuǎn)油線的流動過程中會產(chǎn)生壓降和溫降，汽化率逐漸增加，因此轉(zhuǎn)油線內(nèi)的傳輸過程還伴隨油品漸次汽化，汽化率直接關(guān)系到減壓單元拔出率的高低。為了保證各種餾出油的數(shù)量和質(zhì)量，并且使減壓爐能夠在較低的溫度下產(chǎn)生較高的汽化率，要求轉(zhuǎn)油線壓降較小，還能使油品充分汽化。作為原油蒸餾中減壓單元的重要組成部分，減壓轉(zhuǎn)油線對于減壓裝置的穩(wěn)定操作、減壓深拔、改善油品質(zhì)量和節(jié)能意義重大[1-3]。

本文在采集大量工業(yè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對工業(yè)應(yīng)用的典型轉(zhuǎn)油線結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行歸類分析，針對轉(zhuǎn)油線內(nèi)伴隨相變的氣液兩相流動過程，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對各參數(shù)在轉(zhuǎn)油線內(nèi)的分布規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工業(yè)典型轉(zhuǎn)油線結(jié)構(gòu)形式

減壓轉(zhuǎn)油線的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)主要包括轉(zhuǎn)油線的長度、直徑、彎管形式和尺寸、特殊部件（如三通等）結(jié)構(gòu)、管間距、合流角度等數(shù)據(jù)，一般可由設(shè)計圖紙及現(xiàn)場觀察得到。文中獲取的7套典型的減壓轉(zhuǎn)油線結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

由于減壓爐與減壓塔的相對位置不同，減壓爐抽出位置、爐管管徑、減壓塔進(jìn)料高度以及裝置處理量也有很大差別。這些因素造成上面7套減壓轉(zhuǎn)油線的結(jié)構(gòu)各不相同，具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)減壓轉(zhuǎn)油線的結(jié)構(gòu)特點，按照轉(zhuǎn)油線結(jié)構(gòu)中是否存在突擴、漸擴和三通等，特別是根據(jù)過渡段與低速段的連接方式，本文對采集到的工業(yè)減壓轉(zhuǎn)油線形式進(jìn)行了分類，分別稱為A型直插式、B型漸擴式和C型二次擴徑式。

A型（直插式）：Case6、Case1、Case5；

B型（漸擴式）：Case2、Case3；

C型（二次擴徑式）：Case7、Case4。

圖1 7套典型的減壓轉(zhuǎn)油線結(jié)構(gòu)示意圖

表1 減壓轉(zhuǎn)油線結(jié)構(gòu)

A型直插式減壓轉(zhuǎn)油線一般由流速較快的過渡段直接插入低速段，過渡段與低速段管道相差較大，因此突擴會產(chǎn)生一定的壓降。B型漸擴式減壓轉(zhuǎn)油線采用褲形三通連接過渡段與低速段，理論上可減小過渡處的局部壓降。C型二次擴徑式轉(zhuǎn)油線經(jīng)過一個過渡段—— 一次擴徑段——低速段的變化過程。轉(zhuǎn)油線一次擴徑段管直徑大于過渡段管直徑，而低速段直徑又大于一次擴徑段直徑，這樣經(jīng)過兩次減速使氣流速度下降到較低水平。雖然是逐級擴徑，但一般爐管出爐后直接插入高速段管道，依然會因為突擴產(chǎn)生一定的氣流阻力損失壓降。

2 模型建立

在轉(zhuǎn)油線內(nèi)發(fā)生的是伴隨相變的復(fù)雜汽液兩相流動過程，是流動和汽化兩個物理過程的耦合。汽化率的變化會使流動狀況發(fā)生改變，反之，流動過程中流型的變化也會對汽化速率產(chǎn)生影響。同時，由于汽化的影響，在轉(zhuǎn)油線兩相流動過程中，不僅氣液兩相的物性參數(shù)隨行程而變化，兩相的質(zhì)量流量也隨行程而變，所有這些過程高度耦合。所以，在進(jìn)行流體力學(xué)計算的同時還應(yīng)進(jìn)行相平衡和熱平衡的計算，從而增加了問題的復(fù)雜性和計算的難度。

本研究在前期工作中基于壓降模型和多級閃蒸模型，建立了多組分混合物閃蒸二相流數(shù)學(xué)模型，并對減壓轉(zhuǎn)油線工業(yè)實例和改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬計算，同時驗證了模型的可行性[4-5]。采用計算值與工業(yè)數(shù)據(jù)吻合程度較高的BB（Beggs & Brill）經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式進(jìn)行壓降計算[6]。采用閃蒸過程的數(shù)學(xué)模型計算汽化率。根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型和確定的邊界條件，假設(shè)轉(zhuǎn)油線入口處的溫度和壓力，再通過壓降模型和多級閃蒸模型進(jìn)行反復(fù)迭代、猜算，完成過程模擬計算。

3 運行參數(shù)模擬分析

對工業(yè)實例轉(zhuǎn)油線A型（直插式）、B型（漸擴式）和C型（二次擴徑式）3種類型的操作參數(shù)沿轉(zhuǎn)油線的分布規(guī)律進(jìn)行模擬，結(jié)構(gòu)參數(shù)采用實際設(shè)計數(shù)據(jù)，其它模擬條件完全相同，即：轉(zhuǎn)油線入口汽、液兩相混合物表觀流速相同，即兩相混合物總體積流量與過渡段流通截面積之比相同；各轉(zhuǎn)油線入塔處操作條件相同：常壓渣油入塔溫度 375.4℃，入塔壓力5.0 kPa；物性數(shù)據(jù)相同。

3.1 壓降規(guī)律分析

圖2為3種形式轉(zhuǎn)油線中壓力分布情況及各轉(zhuǎn)油線總壓降的模擬結(jié)果。從圖2中壓力變化趨勢的比較可以看出，各種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)油線的壓降均主要發(fā)生在過渡段與合流段，低速段壓降變化不明顯。其結(jié)構(gòu)的差別主要表現(xiàn)為合流處壓降的變化情況：A型轉(zhuǎn)油線在合流處壓力急劇下降；B型在合流處壓力緩慢減??；C型的壓力呈現(xiàn)兩級下降趨勢。就總體壓降而言，A型轉(zhuǎn)油線壓降最大，C型壓降次之，B型轉(zhuǎn)油線壓降最小。

A型轉(zhuǎn)油線過渡段與低速段采用直插式連接，合流處壓力陡降，壓降較大。其中Case6在所有的轉(zhuǎn)油線中壓降最大，該轉(zhuǎn)油線仍為Π形結(jié)構(gòu)，低速段很長而且角度變化非常多，壓降最大的地方發(fā)生在過渡段最后幾段管線。Case1的插入角度比前者合理，其壓降也低于前者。Case5過渡段為6個分支，而其余兩個均為4個分支，輸送常壓渣油的體積流量為其余轉(zhuǎn)油線的1.5倍，雖然處理量最大，但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理，其壓降相對并不大。

B型轉(zhuǎn)油線過渡段與低速段均采用褲形三通連接，因此合流處壓力變化平緩，壓降最小。Case2和 Case3均采用褲形三通連接，減少了因為流向和流速變化產(chǎn)生渦流的影響，所以合流處壓力緩慢下降。

C型轉(zhuǎn)油線經(jīng)過兩次擴徑，壓力出現(xiàn)兩處突降，壓降較小。首先過渡段的四支合并為兩支進(jìn)入擴徑過渡段，然后兩支擴徑過渡段再合并進(jìn)入低速段。這種結(jié)構(gòu)比原過渡段直接插入低速段有一定的改進(jìn)。雖然兩種結(jié)構(gòu)壓力突降的位置不同，但其設(shè)計時均基于過渡段最短的思想，經(jīng)過了二次擴徑，減小了氣流阻力，有利于減小壓降。

3.2 汽化率規(guī)律分析

圖3為3種形式轉(zhuǎn)油線中汽化率分布情況及汽化率變化對比的模擬結(jié)果?？梢娖实淖兓嘀饕l(fā)生在過渡段和合流處，低速段汽化率變化不明顯。管道中隨著壓降的產(chǎn)生，汽液兩相在比較低的壓力和溫度下達(dá)到汽液平衡，這樣液相中的輕組分汽化進(jìn)入氣相中，造成汽化率增加。對比圖3（d）與圖2（d）還可以發(fā)現(xiàn)，對于壓降較大的轉(zhuǎn)油線，其汽化率變化亦較大。

圖2 轉(zhuǎn)油線軸向壓力分布趨勢

圖3 轉(zhuǎn)油線軸向汽化率分布趨勢

A型轉(zhuǎn)油線在過渡段的末端和合流處汽化率急劇增加，這主要是因為過渡段直接插入低速段突擴的影響。B型轉(zhuǎn)油線合流處的汽化率變化較為緩和，主要是因為通過三通合流，壓力緩慢減小所以汽化率亦緩慢增加。C型汽化率變化大的位置主要是出現(xiàn)在小管到擴徑過渡段的合流處，或者過渡段與低速段的連接處。Case7在一次擴徑位置汽化率增加較多，而Case4在二次擴徑處汽化率增加明顯，這是轉(zhuǎn)油線結(jié)構(gòu)不同所導(dǎo)致的。

3.3 溫度規(guī)律分析

圖 4為溫度沿 3種形式轉(zhuǎn)油線軸向的分布情況。如前所述，轉(zhuǎn)油線流動過程中溫度、壓力和汽化率3個因素相互關(guān)聯(lián)。溫降是由壓降決定的，所以轉(zhuǎn)油線內(nèi)溫度變化規(guī)律與壓力變化規(guī)律基本一致。A型轉(zhuǎn)油線在合流處溫度出現(xiàn)陡降；B型轉(zhuǎn)油線合流處溫度減小平緩；C型轉(zhuǎn)油線存在兩處溫降明顯的位置。同樣從圖4（d）可發(fā)現(xiàn)，溫度降低程度與壓降大小亦基本一致。A型轉(zhuǎn)油線溫降普遍較大，C型次之，B型相對最小。

3.4 流速規(guī)律分析

圖5為流速沿3種形式轉(zhuǎn)油線軸向的分布情況。

減壓轉(zhuǎn)油線內(nèi)是氣液混合輸送，操作是在高真空度高溫情況下進(jìn)行，氣相占據(jù)大部分的管內(nèi)空間，甚者氣相體積分?jǐn)?shù)可能達(dá)到95%以上，因而管內(nèi)基本是大量氣夾帶液滴流動，呈霧狀流或環(huán)狀流，流速很快[7]。

A型轉(zhuǎn)油線的流速在過渡段逐漸增加，一般在過渡段末端達(dá)到最大值，進(jìn)入低速段以后，由于擴徑的影響，流速急劇減小，在隨后的低速段流速略有增加但不明顯。Case5的流速在過渡段逐漸增加，進(jìn)入低速段后急劇下降，因其低速段結(jié)構(gòu)有一段為2.4～1.8 m縮徑，所以流速在轉(zhuǎn)油線突擴處陡降，縮徑處流速又有所增加，進(jìn)入1.8 m的低速段后變化不顯著。

B型轉(zhuǎn)油線流速呈現(xiàn)出與 A型相似的趨勢。Case2流速最大處出現(xiàn)在過渡段與直褲三通的連接處，然后急劇減小，在低速段變化不大。Case3與之類似。

C型轉(zhuǎn)油線流速分布趨勢與其它轉(zhuǎn)油線明顯不同。Case7流速最大處出現(xiàn)在過渡段的末端，二次擴徑后又出現(xiàn)一次陡降的趨勢。Case4由過渡段進(jìn)入擴徑過渡段以后，由于擴徑流速減小，當(dāng)擴徑過渡段兩支合流進(jìn)入低速段以后，低速段直徑較兩支過渡段之和要小，理論上相當(dāng)于縮徑，此處壓降變化十分明顯，因此又出現(xiàn)流速增加的趨勢，進(jìn)入低速段后流速變化不明顯。

圖4 轉(zhuǎn)油線軸向溫度分布趨勢

圖5 轉(zhuǎn)油線軸向流速分布趨勢

4 結(jié) 論

在大量工業(yè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)減壓轉(zhuǎn)油線的結(jié)構(gòu)特點，按照轉(zhuǎn)油線結(jié)構(gòu)中是否存在突擴、漸擴和三通等，特別是根據(jù)過渡段與低速段的連接方式，將典型的減壓轉(zhuǎn)油線工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，分別稱為A型直插式、B型漸擴式和C型二次擴徑式。針對轉(zhuǎn)油線內(nèi)伴隨相變的汽液兩相流動過程，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對各種參數(shù)在轉(zhuǎn)油線內(nèi)的分布規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)A型轉(zhuǎn)油線過渡段與低速段采用直插式連接，合流處壓力陡降，壓降較大；B型漸擴式轉(zhuǎn)油線采用褲形三通連接，合流處壓力緩慢降低，壓降最小；C型轉(zhuǎn)油線經(jīng)過兩次擴徑，壓力出現(xiàn)兩處突降，壓降較小。

[1]李哲．減壓轉(zhuǎn)油線的設(shè)計[J]．當(dāng)代化工，2005，34（6）：389-391．

[2]苑世明．淺談低速減壓轉(zhuǎn)油線[J]．石油與天然氣化工，2000，29（3）：122-123，127．

[3]肖家治，李發(fā)永，王萬里，等．轉(zhuǎn)油線工藝設(shè)計方法的研究[J]．石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1996，20（2）：90-92．

[4]秦婭，李鑫鋼，姜斌，等．閃蒸兩相流模型在減壓轉(zhuǎn)油線改造中的應(yīng)用[J]．化學(xué)工程，2010，38（3）：26-29．

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[7]秦婭. 減壓轉(zhuǎn)油線氣液兩相流動特性模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2009.

Analysis of structure and operating parameters of typical industrial vacuum transfer line

CHEN Jianmin1，SUN Yuling2，JIANG Bin3，QIN Ya3
（1SINOPEC Luoyang Petrochemical Engineering Company，Luoyang 471003，Henan，China；
2School of Chemistry and Environmental Science，Qingdao University，Qingdao 266071，Shandong，China；
3National Engineering Research Center for Distillation Technology，Tianjin 300072，China）

The transfer line refers to a pipeline connection between furnace and vacuum column in the crude oil distillation unit. A well-designed transfer line can increase the evaporation rate of the feed in the vacuum distillation tower，improve oil product quality and save energy for the vacuum distillation tower. According to the existence of sudden enlargement，diffuser and T-connection，particularly to the connected mode of transition section and the low flow rate section，the typical vacuum transfer lines are divided into A，B type and C type. Using the one-dimensional，two-phase flow model developed on the basis of pressure drop model and the multi-stage flash model，the analysis of axial pressure，temperature，flow rate and evaporation rate of seven industrial transfer lines was made. The results showed that the pressure drop of Type A was the greatest because the transition section merged to the low flow rate section directly. The pressure in the transfer lines of Type B decreased gradually，and its pressure drop was the lowest. The pressure drop of Type C with two-stage enlargement structure decreased sharply twice and its pressure drop was lower.

atmospheric and vacuum distillation；vacuum transfer line；structure；pressure drop；temperature；flow rate；evaporation rate

TQ 021.1

A

1000–6613（2011）07–1450–06

2011-04-27；修改稿日期：2011-05-10。

國家973計劃（2009CB219905）及長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃（IRT0936）項目。

陳建民（1965—），男，高級工程師。E-mail chenjm@lpec. com.cn。聯(lián)系人：秦婭，E-mail qinya.ripp@sinopec.com。