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加熱爐汽化管段流速計(jì)算流程及過程數(shù)據(jù)優(yōu)化

2018-09-22 09:38
石油化工設(shè)備 2018年5期
關(guān)鍵詞:流型爐管管段

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(北京航天石化技術(shù)裝備工程公司, 北京 100166)

加熱爐是煤化工及煉油工業(yè)裝置常見的加熱設(shè)備。在某些加熱爐,如減壓爐、延遲焦化爐等運(yùn)行過程中,爐管內(nèi)的烴流體會(huì)在工藝流程控制下,在特定的管段發(fā)生部分汽化,實(shí)現(xiàn)原料油中輕組分與重組分的分離。烴流體在加熱管內(nèi)的汽化程度是衡量煉油裝置拔出率的重要指標(biāo),其高低主要受進(jìn)料的油氣分壓和進(jìn)料溫度影響。較低的烴分壓或者較高的介質(zhì)溫度都能提高煉油裝置的拔出率。由于受結(jié)焦的限制,油品溫度能夠提高的程度有限,更多煉化企業(yè)和煤化工企業(yè)通過提高油品汽化率來(lái)提高油品拔出率,某些煤化工企業(yè)加熱爐的出口介質(zhì)汽化率很高,可以超過80%。汽化的發(fā)生使加熱爐中流體以氣液兩相狀態(tài)存在,這增加了加熱爐工藝計(jì)算的復(fù)雜性。加熱爐汽化管段計(jì)算涉及氣液兩相流體,包含壓力平衡、相平衡、熱平衡等多個(gè)物理化學(xué)計(jì)算環(huán)節(jié),以及管內(nèi)流體的流速和流型、爐管尺寸等因素的交互影響,需要制定迭代計(jì)算流程并對(duì)部分過程數(shù)據(jù)進(jìn)行人為干預(yù)和調(diào)整。文中介紹了加熱爐計(jì)算中的爐管內(nèi)流速計(jì)算和流型判定方法,并通過實(shí)例示范了計(jì)算方法的應(yīng)用流程和過程數(shù)據(jù)調(diào)整的具體處理方法。

1 加熱爐汽化管段流速計(jì)算及流型判定方法

1.1 加熱爐汽化段流速計(jì)算

管段中流速采用均相法公式計(jì)算[1]。

式中,um為氣液兩相的混合流速,m/s;qVL為液相體積流量,qVg為氣相體積流量,m3/s。

1.2 加熱爐汽化段臨界流速計(jì)算

管段中流體的臨界流速按下式計(jì)算[2]:

式中,uS為臨界速度,m/s;p為計(jì)算截面的壓力,MPa(G);ρm為計(jì)算截面的氣液混合物的密度,kg/m3。

1.3 加熱爐汽化段流型判斷

1.3.1流型預(yù)測(cè)

兩相流的流型主要取決于氣液兩相的流速,氣液兩相的物理性質(zhì),如密度、黏度及界面張力等對(duì)流型也有一些影響[2]。首先,在汽化管段,無(wú)論水平管還是垂直管,管段內(nèi)液節(jié)流是不允許的。其次,水平管段內(nèi)的兩相流流型采用Baker流型圖預(yù)測(cè)[3-4],預(yù)測(cè)結(jié)果分為泡狀流、塞狀流、液節(jié)流、層狀流、波狀流、環(huán)狀流以及噴霧流。在各種流型中,氣相和液相以不同的形式存在。泡狀流中,液相為連續(xù)相,氣相為彌散相。噴霧流中,氣相為連續(xù)相,液相為彌散相。塞狀流及液節(jié)流中,液相為連續(xù)相,氣相為間斷相。層狀流、波狀流、環(huán)狀流中氣液兩相均為連續(xù)相。再次,垂直管內(nèi)的兩相流流型采用Griffith和Wallis提出的流型圖預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果分為氣泡流、液節(jié)流、泡沫流和環(huán)霧狀流[5]。其中,液節(jié)流的預(yù)測(cè)結(jié)果較為保守。

1.3.2流速高限

加熱爐汽化段管段出口部分是流體在管內(nèi)流動(dòng)的流速最高點(diǎn),此流速高限為不超過臨界流速的90%。實(shí)際流速不可能超過臨界流速,如果計(jì)算結(jié)果超過臨界流速,多余的壓力能以渦流損失的形式消耗掉,表現(xiàn)為壓降在極短的管段上突變[6]。

1.4 加熱爐汽化段流速計(jì)算流程

FRNC-5PC是PFR公司開發(fā)的國(guó)際通用的加熱爐設(shè)計(jì)軟件。用戶可輸入油品的蒸餾曲線或者虛擬組分,軟件生成油品的相關(guān)物性。用戶也可輸入油品的相關(guān)物性,軟件在計(jì)算過程中自動(dòng)調(diào)用。計(jì)算時(shí),可以固定出口條件出口溫度T1、壓力p1及汽化率e1,計(jì)算入口條件入口溫度T2、壓力p2及汽化率e2,在計(jì)算過程中必須同時(shí)滿足相平衡、熱平衡及壓力平衡。相平衡即油品的汽化率與壓力和溫度存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系[7]。油品種類確定后,溫度及壓力與汽化率一一對(duì)應(yīng)。

熱平衡計(jì)算的目的是迭代計(jì)算出管段的入口溫度T2。此溫度下管內(nèi)油品的吸熱量與管外煙氣的放熱量平衡。管外煙氣的放熱量按該管段所處位置的爐管表面熱強(qiáng)度計(jì)算,也可以按照輻射室平均熱強(qiáng)度計(jì)算。管內(nèi)的吸熱量計(jì)算中關(guān)鍵參數(shù)是管內(nèi)的內(nèi)膜傳熱系數(shù)。FENC-5可以采用Sieder-Tate準(zhǔn)數(shù)方程式、API 530[8]推薦方法以及沸騰-流型計(jì)算方法計(jì)算管內(nèi)的傳熱系數(shù)。當(dāng)兩相流處于核態(tài)沸騰控制的泡狀流、塞狀流以及環(huán)狀流等區(qū)域時(shí),沸騰-流型計(jì)算方法更適合于管內(nèi)兩相流的內(nèi)膜傳熱系數(shù)計(jì)算[5]。

在出口壓力p1已知的條件下,計(jì)算出管段的壓降,就可以求得進(jìn)口的壓力。計(jì)算壓降的方法很多,常用的有均相法[9]和Dukler法[10]兩種。Dukler法是國(guó)內(nèi)外常用的兩相流計(jì)算方法,適用于水平管及立管。

上述計(jì)算過程對(duì)應(yīng)的程序框圖見圖1[11-12]。由于影響計(jì)算過程的參數(shù)較多,而且參數(shù)之間相互影響,因此在應(yīng)用此流程時(shí)需要多次試算。加熱爐試算時(shí),需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及專業(yè)知識(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)及熱工參數(shù)的合理性進(jìn)行判定。每次程序迭代計(jì)算跳出后,設(shè)計(jì)人員都需要對(duì)流速是否超限以及管內(nèi)流型進(jìn)行判斷,即流速高限及低限的判斷。如其中任何一項(xiàng)不滿足要求,則需改變結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行迭代計(jì)算。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后流速改變會(huì)導(dǎo)致壓力平衡計(jì)算結(jié)果、相平衡計(jì)算結(jié)果、熱平衡計(jì)算結(jié)果、此點(diǎn)臨界流速及流型的改變。

圖1 加熱爐汽化段流速計(jì)算流程

2 煤化工減壓爐計(jì)算實(shí)例

2.1 工藝技術(shù)分析

以某煤化工項(xiàng)目減壓爐為例進(jìn)行計(jì)算說明。此項(xiàng)目加熱爐加熱的油品為極重的煤焦油,目的是采用減壓渣油生產(chǎn)針狀焦。此煤焦油極易結(jié)焦,當(dāng)加熱爐出口汽化率為80%時(shí),拔出率大約為20%。為了保證拔出率,需要介質(zhì)具有較高的熱焓,所以只能提高介質(zhì)的汽化率。此減壓爐爐管布置依然采用的是逐級(jí)變徑的方式,但是工藝參數(shù)的變化對(duì)最后1組爐管選擇的合理性及經(jīng)濟(jì)性有較大的影響。所以,有必要把加熱爐的工藝計(jì)算與整裝置的工藝計(jì)算相互結(jié)合考慮,才能得到合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)及優(yōu)良的性能。

2.2 工藝計(jì)算

2.2.1工藝數(shù)據(jù)輸入

此減壓爐用于50萬(wàn)t/a煤焦油加氫項(xiàng)目,爐中加熱介質(zhì)為煤焦油。煤焦油的相對(duì)密度為1.041,煤焦油的實(shí)沸點(diǎn)蒸餾數(shù)據(jù)見表1。

表1 煤焦油的實(shí)沸點(diǎn)蒸餾數(shù)據(jù)

按表2輸入減壓爐設(shè)計(jì)工況和校核工況工藝物流數(shù)據(jù)。

表2 加熱爐設(shè)計(jì)工況和校核工況工藝物流數(shù)據(jù)

2.2.2管束結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入

汽化段爐管為立式、單面輻射,油品分為2流路,管束段標(biāo)號(hào)及尺寸見表3。

表3 汽化段管束段標(biāo)號(hào)及尺寸

一般加熱爐中加熱爐介質(zhì)為純液相或者純氣相,爐內(nèi)爐管基本采用等徑的形式,不必采用逐級(jí)擴(kuò)徑的形式。但是,減壓爐雖然進(jìn)口為純液相,但出口一般有真空度,為氣液兩相流狀態(tài)。隨著加熱的進(jìn)行,壓力的降低,管內(nèi)油品的汽化率不斷升高。由于介質(zhì)相態(tài)的改變,導(dǎo)致純相加熱爐與減壓爐的布管方式有所不同。

油品在減壓爐爐管中加熱,當(dāng)加熱到泡點(diǎn)條件時(shí),油品開始汽化。在隨后的流動(dòng)過程中,吸收的熱量一部分使油品溫度繼續(xù)升高,余下的部分使油品汽化。逐級(jí)擴(kuò)徑的目的就是降低壓降,使油品的泡點(diǎn)溫度降低到油品的裂解溫度以下,基本實(shí)現(xiàn)等溫汽化[13-14]。

初步確定管路的擴(kuò)徑方案,需要設(shè)計(jì)人員具有一定的經(jīng)驗(yàn)。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,直到參數(shù)滿足工藝要求。常見的擴(kuò)徑方案有:?89—?152—?219—?273,?141—?168—?219—?273及?168—?219—?273—?325等。但是,以上建議并不是最終結(jié)果,最終結(jié)果是否合理需要根據(jù)計(jì)算參數(shù)最后確定。

對(duì)于汽化段的最后1根爐管,設(shè)計(jì)原則是在充分保證汽化率以及不超過臨界流速的前提下盡量使用小爐管。一味追求擴(kuò)徑增大汽化率會(huì)使油膜溫度升高,增加結(jié)焦趨勢(shì)[15]。

2.2.3計(jì)算結(jié)果輸出

設(shè)計(jì)工況各根爐管熱力參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4,校核工況1各根爐管熱力參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表5,校核工況2各根爐管熱力參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表6,管段末端計(jì)算結(jié)果見表7。

表4 設(shè)計(jì)工況各根爐管熱力參數(shù)計(jì)算結(jié)果

表5 校核工況1各根爐管熱力參數(shù)計(jì)算結(jié)果

表6 校核工況2各根爐管熱力參數(shù)計(jì)算結(jié)果

表7 管段末端(14號(hào)管段)流速計(jì)算結(jié)果

2.3 結(jié)構(gòu)合理性分析與判定

分析表4~表6的計(jì)算數(shù)據(jù)可知,無(wú)論在設(shè)計(jì)工況還是校核工況下,外徑?114 mm、?141 mm、?168 mm、?219 mm等規(guī)格爐內(nèi)換熱管中介質(zhì)的流速及流型都能滿足工藝要求。?273 mm管段在3種工況的計(jì)算中,均無(wú)液節(jié)流產(chǎn)生,流型滿足工藝要求。?273 mm管段在設(shè)計(jì)工況及校核工況2下的計(jì)算流速滿足工藝要求,但在校核工況1下計(jì)算的管段流速不能滿足工藝要求。

分析表7可以知道,按照輸入的管束結(jié)構(gòu)參數(shù),在最大工況下計(jì)算得到的末端管段出口流速為110.0 m/s, 為臨界流速的71.4%,未超過臨界流速的90%,故結(jié)果滿足工藝要求。按照輸入的管束結(jié)構(gòu)參數(shù),在校核工況2下計(jì)算得到的末端管段出口流速為96.5 m/s,為臨界流速的63.50%,結(jié)果也滿足工藝要求。按照輸入的管束結(jié)構(gòu)參數(shù),在校核工況1下,計(jì)算得到的末端管段出口流速為152.0 m/s,為臨界流速的99%。與此同時(shí),爐管中的介質(zhì)壓力也達(dá)到臨界壓力值,可判斷計(jì)算結(jié)果不滿足工藝要求。

在校核工況1的溫度和汽化率與外徑?273 mm的管束規(guī)格無(wú)法同時(shí)得到滿足的情況下,如果單選前者得到保證,則爐管的直徑必須大于?273 mm。改用?325 mm的管徑重新計(jì)算,得到對(duì)應(yīng)的出口流速為138 m/s,大于臨界流速的90%(出口臨界流速為153 m/s),?325 mm的管徑不滿足要求。再改用?406 mm的管徑重新計(jì)算,計(jì)算流速為85 m/s,小于臨界流速的90%。從參數(shù)角度看,這個(gè)結(jié)果完全滿足工藝要求。

但需要說明的是,通過計(jì)算確定的爐內(nèi)換熱管外徑較大時(shí),技術(shù)人員一般會(huì)采取其他措施,比如增加爐管頭數(shù)來(lái)降低爐管外徑規(guī)格。這是因?yàn)闋t管的外徑越大,需要的爐管壁厚就越大,相應(yīng)的材質(zhì)要求和投資造價(jià)也越高,而且焊接、熱處理等制造難度也隨之增加。

3 結(jié)語(yǔ)

在加熱爐設(shè)計(jì)階段,降低加熱管段油品的烴分壓和提高油品汽化率是提高減壓深拔生產(chǎn)裝置油品拔出率的有效途徑。

加熱爐汽化管段工藝計(jì)算包含了壓力平衡、相平衡、熱平衡、高流速限制和流型判別等環(huán)節(jié),計(jì)算時(shí)的輸入條件、輸出條件、爐管結(jié)構(gòu)參數(shù)各有要求但又交互影響,是一個(gè)需要進(jìn)行迭代計(jì)算并結(jié)合實(shí)際情況優(yōu)化計(jì)算的復(fù)雜過程。計(jì)算時(shí),應(yīng)注意在加熱爐內(nèi)部換熱滿足要求的前提下,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)在滿足壓降要求的前提下,防止最高流速接近臨界流速使壓力變成渦流損失。在整個(gè)裝置工藝計(jì)算過程中,要認(rèn)真核算溫度、壓力與汽化率的相平衡關(guān)系。降低壓力、提高汽化率會(huì)使氣相密度減小,管內(nèi)流速增大。此時(shí),一定要防止工藝管線(包括爐內(nèi)管線)流速增大至臨界流速。

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