乙苯蒸汽过热器壳程流场模拟与换热性能分析

2019-06-05李瑞江史怡坤朱学栋朱子彬

石油炼制与化工 2019年6期

刘棒，李瑞江，史怡坤，朱学栋，朱子彬

(华东理工大学大型工业反应器工程教育部工程研究中心，上海 200237)

苯乙烯是一种重要的有机化工原料，主要用于生产树脂和橡胶。2017年国内苯乙烯产能为8.927 Mt，2019年产量有望突破10 Mt[1]。由乙苯脱氢法生产的苯乙烯约占世界总产量的90%[2]，开发低水烃比(水与乙苯的质量比)催化剂和降低操作的水烃比成为苯乙烯企业关注的课题[3]。乙苯蒸汽过热器作为回收脱氢产物显热的重要设备，具有管壳程温差大、负压等特点[4]，工业生产中经常出现换热性能不良、乙苯内漏等问题。张中清等[5-6]对换热管断裂引起管束失效的问题提出了结构及材料的改进措施。李朋飞[7]分析解决了乙苯蒸汽过热器内漏问题，显著降低了乙苯脱氢单元的能耗。关于乙苯蒸汽过热器换热性能、壳程流场模拟以及支持板和防冲管对流场的影响研究鲜见报道。

数值模拟相比实验方法具有成本低、流场可视化强等优点[8]，近年来国内外众多学者对换热器进行了很多模拟研究[9-13]。王定标等[14]基于相似准则建立模型，采用数值模拟方法研究换热器结构参数对换热性能和流动的影响。Ozden等[15]模拟小尺寸管壳式换热器，分析折流板间距和切割率对换热性能的影响。Pal 等[16]模拟了弓形折流板对换热器壳程流场的影响，发现在折流板背风面存在回流区。Parikshit等[17]利用有限元方法计算窗口区不布管换热器壳程压降，结果与实验值吻合良好。郭崇志等[18]对A、E流路的计算模型采用分段模拟，并与经验方法对比，结果表明Bell-Delaware法与模拟结果吻合良好。

国内某企业乙苯蒸汽过热器壳程出口温度比设计值低40 ℃，严重影响脱氢反应温度，致使加热炉负荷和水烃比增大。为分析温度偏低的原因，本研究基于几何及雷诺数相似准则建立过热器计算模型，通过流体动力学软件Fluent 17.2模拟得到流场分布，考察壳程流量、折流板数目及支持板和防冲管对换热性能、压降及流动规律的影响，其结果可以为乙苯蒸汽过热器的设计及优化提供参考。

1 数学模型

1.1 物理模型

基于几何相似理论[19]建立过热器模型，对壳程、管程、折流板、支持板、防冲管、旁路挡板、接管建模，支持板居中布置，壳程进口接管下方布置5根防冲管，防冲管几何参数见表1。图1为过热器模型结构图，旁路挡板、防冲管及折流板位置见图1(b)，其中两条直线表示支持板的缺口切割位置。模型长径比(L/D)与原过热器相同，壳体长度、壳体内径、折流板间距均为实际尺寸的1/10。

图1 过热器结构模型

表1为过热器详细结构参数以及不同数量折流板对应的折流板间距，过热器结构材料为304不锈钢，折流板厚度为3 mm。壳程流体为乙苯和水蒸气，管程流体为高温脱氢产物。过热器管程与壳程进出口温差大，热物理性质变化大，为准确模拟管壳程换热状况，利用ASPEN PLUS模拟得到各温度下的管壳程流体热物理性质，结果见表2。由于压力变化小，忽略压力对于物性的影响。

表1 过热器结构参数

表2 管程、壳程流体热物理性质拟合结果

注：T为流体温度；ρ为流体密度；μ为流体动力黏度；Cp为流体比热容；λ为流体热导率。

1.2 守恒方程

模拟计算采用可实现k-ε湍流模型[20](Realizablek-εmodels)，该模型相比标准k-ε模型能更好地呈现管束区域流动特征。描述守恒方程、湍动能k及湍动耗散率ε的方程如下：

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

能量方程：

(3)

湍动能k方程：

(4)

湍动能耗散率ε方程：

(5)

Φ表示湍动能k的增加速率:

(6)

(7)

1.3 边界条件和模拟方法

边界条件设定如下：壳程流体进口温度366 K，绝对压力103 kPa，管程进口温度833 K，绝对压力40 kPa。壳程内壁面和计算域内的所有固体壁面设为无滑移壁面，并设定标准壁面函数。管程与壳程进口均为速度进口边界条件且速度分布均匀，方向垂直于入口面，出口边界条件设为压力出口，表压为0。模拟计算设置中换热管壁热状态采用coupled选项。FLUENT 17.2模拟流动和热传递过程，有限体积方法离散守恒方程，QUICK格式离散对流源项，SIMPLE算法处理压力与速度的耦合。设定收敛准则能量残差小于1×10-6，速度、压力等残差小于1×10-5。

1.4 网格独立性检查

壳程结构复杂，包括管束、壳体、折流板、接管等，利用ICEM CFD软件对计算域划分四面体非结构网格。为验证模拟结果与网格数量的相关性，对3块折流板过热器模型划分4组网格，分别为2.18×106，2.80×106，3.70×106，4.54×106，对比结果最后两组模型在换热系数和压降的差值小于1%，综合考虑精度和计算时间，采用网格数为3.70×106的模型。

2 结果与讨论

2.1 过热器流场分析

模型1结构参数采用表1数据，3块折流板，不考虑支持板、防冲管、旁路挡板，简记为模型1。根据雷诺数相同确定壳程流量，依据工业操作数据，模拟的壳程流量为0.232 kg/s，管程流量为0.450 kg/s。

图2为模型1的温度流线分布，可以观察到在壳程进口区域因流道的突然扩大，在管束上部存在回流区，流体有效流动不充分。管束外侧与壳体间隙大，产生大的涡流，造成较大的动量和压降损失。同时部分流体从管束外侧流过，形成短路，没有进行有效的换热。

图2 模型1的壳程温度流线分布

2.2 壳程流量对换热和压降的影响

经验方法Bell-Delaware法[21]常用来计算管壳式换热器压降和换热系数，模拟换热系数的计算详见参考文献[22]。采用模型1研究壳程流量ms对换热系数hs和压降ΔPs的影响，并将数值模拟结果与Bell-Delaware经验方法得到的结果作对比以检验数值模拟的准确性，结果见图3和图4。由图3可见，随壳程流量的增大，换热系数增大，模拟结果与由经验方法得到的结果最大差值为11.9%。

图3 壳程流量对换热系数的影响■—数值模拟结果； ▲—Bell-Delaware方法结果。图4、图5同

图4 壳程流量对壳程压降的影响

由图4可见，随壳程流量的增大，壳程压降逐渐增加，数值模拟结果与由Bell-Delaware经验方法得到的结果最大差值不超过15%。图3和图4结果表明，数值模拟结果可信度较高。

图5为数值模拟结果与Bell-Delaware经验方法得到的壳程平均雷诺数Res与综合评价因子(Nu×Pr-1/3)的关系。由图5可见，随壳程平均Res的增大，Nu×Pr-1/3也增大，结果均有良好的线性关系，数值模拟结果与经验方法得到的Nu的差值不超过12%。

图5 壳程Res对Nu×Pr-13的影响

根据图5拟合出数值模拟结果与Bell-Delaware经验方法得到的Nu与Res的关系式：

数值模拟拟合关系式：

Nu×Pr-1/3=0.036 6Res0.805，14 508

(8)

Bell-Delaware拟合关系式：

Nu×Pr-1/3=0.062 4Res0.746，14 508

(9)

2.3 折流板数对流场和换热性能的影响

图6 折流板数对温度流线分布的影响

NbΔPs∕Pahs∕(W·m-2·K-1)hs×ΔP-1s∕(W·m-2·K-1·kPa-1)模拟值经验值模拟值经验值模拟值经验值31 660.31 427.884.782.250.9857.5441 987.71 781.692.589.446.5550.2052 355.02 254.299.194.442.7041.87

2.4 壳程附件对流场及换热性能的影响

为考察支持板数量对换热性能和流场的影响，分别建立了3个模型，其中折流板数为3块，均包括防冲管和旁路挡板，其中模型2在折流板间不布置支持板，模型3在折流板间布置1块支持板，模型4在折流板间布置2块支持板。管程、壳程进口条件及与2.1节所述相同，模拟方法设置与1.3节相同。图7为模型4的壳程温度流线分布，可以看出在折流板与支持板进出口处存在回流区，与无支持板模型(见图2)相比，回流区明显减小。

图7 模型4的壳程温度流线分布

依据折流板位置将壳程分为A，B，C，D 4个区域(具体划分见图7)，表4为模型4的壳程各区域流量的分布。由表4可见，壳程进口端流量分布相对均匀，支持板会造成错流区流量分布的严重不均，从区域B，C，D可以得出，1区流量约为3区的1/6，这会造成换热面积的有效利用率降低。因此支持板会造成壳程流量分布的严重不均，可能是工业上过热器出口温度比设计值偏低的一个重要因素。

表4 模型4的壳程各区域流量分布

表5为支持板数量对壳程换热系数、壳程出口温度Ts，out及壳程压降的影响。由表5可见，随支持板数的增加，壳程换热系数和压降均减小，因为支持板将折流板间区域分为多个部分，造成各区域流量分布严重不均。另外增加支持板会导致大涡流减小，动量损耗降低，压降减小，这与工业实际中压降相比设计值偏低相符。

表5 支持板数对壳程压降和换热系数的影响

图8为关于防冲管和旁路挡板对壳程速度流场影响的对比，以换热管中心为原点，x=400 mm为壳程进口中心截面，x=100 mm为折流板之间截面，其中图8(a)、(c)为模型1(无防冲管和旁路挡板)截面流场，图8(b)、(d)为模型2(有防冲管和旁路挡板)截面流场。图8(a)、(b)比较了防冲管对过热器进口端流场的影响，为简化计算布置5根防冲管。对比得出防冲管能够有效地避免流体直接冲刷管束，并且流体的分布更加均匀。进口中轴线位置因为防冲管的阻碍作用，导致这部分流体速度偏低。图8(c)、(d)比较了旁路挡板对壳程流场的影响，(c)中没有设置旁路挡板，壳程中部分流体从壳体与管束边缘旁路间隙流过，没有进行有效地换热。通过设置旁路挡板，大部分流体从管束流过，流体从而能够在管束中充分流动，壳程换热增强。