基于CFD的加热炉出口集合管盲板结构优化研究

郭福平

(广东石油化工学院机电工程学院)

四合一加热炉是重整装置中的主要设备之一，为重整反应提供热量。由于装置的操作压力非常低，而物料要连续通过4台反应器进行反应，从而对重整进料加热炉和各中间加热炉的安全运行提出了严格要求。连续重整工艺中将4台加热炉集中布置在一个炉膛内，构成重整四合一方形立式加热炉，排管为U形管多程并联形式，炉管的出、入口均采用集合管连接。集合管盲端采用盲板法兰连接，笔者从盲板法兰腐蚀现象入手，对产生腐蚀的工况应用CFD进行数值模拟，再对盲板法兰结构进行优化[1～3]。

1 出口集合管腐蚀现象

某炼化企业重整装置四合一加热炉出口集合管在检修时发现了不同程度的腐蚀，其中以炉管最长的F702炉出口集合管法兰最为严重，右下侧局部腐蚀照片如图1所示，腐蚀形貌呈涡旋的条状或条坑状。

2 基于CFD的盲板结构的腐蚀分析

在6种不同处理量85.19、105.70、110.70、126.80、136.20、168.00t/h下，为保证对比的一致性，取距离端部100mm处截面位置，应用Fluent对其进行建模和计算。图2是168t/h处理量下平盖结构的速度矢量图，可以看出介质在平面上以一种旋涡状的形态不断对壁面进行冲刷，这与图1实际腐蚀工况的腐蚀形貌相吻合。图3是168t/h处理量下平盖结构的速度等值线。随着处理量的增大，流体的最大速度增大(最大值能达到16m/s)，壁面切向速度同时增大，导致对壁面的冲刷作用也在增强。

图1 出口集合管盲端法兰处腐蚀照片

图2 168t/h处理量下平盖结构的速度矢量图

图3 168t/h处理量下平盖结构的速度等值线

涡量(vorticity)是一个描述旋涡运动大小和方向常用的物理量，流体速度的旋度为流场的涡量[4～6]，其单位是秒分之一(s-1)。在流体中只要有涡量源就会产生涡旋。涡量等于角速度的两倍，由角速度和线速度的关系可知，当涡量值增大时线速度也会随之增大。图4、5是以168t/h处理量为例的涡量云图和涡量等值线。出口集合管盲端壁面附近右下侧部位涡量值明显比其他部位大，最大值能够达到240s-1，并且相对比较集中。通过分析盲板法兰不同处理量下涡量等值线，发现右下侧涡量最大值随着处理量的不断增大而增大，对壁面的冲刷作用也不断增强。

图4 168t/h处理量下平盖结构的涡量云图

图5 168t/h处理量下平盖结构的涡量等值线

从以上各图分析得知其腐蚀部位、腐蚀形态与实际腐蚀情况相吻合，证明了数值模拟的正确性。

3 基于CFD的改进结构的腐蚀分析

3.1盲板法兰盖改进结构

将出口集合管盲端进行改进，即在盲端法兰盖上焊上如图6所示的结构。

图6 改进出口集合管的盲端结构

3.2改进盲板法兰盖结构的数值模拟

为保证对比的一致性，在大处理量168t/h工况下，对比改进盲板法兰盖和盲板平盖结构在距离盲端100mm处截面位置的速度矢量图、速度等值线图和涡量等值线图。

图7是改进结构的速度矢量图，与图2对比可以看出，改进后盲板法兰盖结构在相同长度截面下的速度矢量图有小旋涡状的流态存在，且流动的方向是杂乱无规律性的。

图7 改进结构的速度矢量图

图8是改进盲板法兰盖结构的速度等值线，可以看出，该结构壁面处速度很小，几乎可以忽略，而其他部位处的速度很大，且靠近右下侧部位处速度值最大，达到19m/s，不过由于隔断的防冲作用，壁面处不受冲刷腐蚀影响。图8上不存在某个部位的速度值很大且比较集中的情况，相对结构改进前的速度等值线明显看出各处的速度值都有所减小。

图8 改进结构的速度等值线

图9、10是改进盲板法兰盖结构的涡量云图和涡量等值线。对比图4和图9可以看出，改进结构壁面上的涡量值相对于未改进前的涡量值要小，而且分布也相对均匀。对比图5和图10可以看出，结构改进后改善了涡旋相对集中的情况，并且没有在壁面的特定部位形成大涡量值的情况。

图9 改进结构的涡量云图

4 结论

4.1过大的流量是对出口集合管盲端法兰腐蚀的主要原因，出口集合管流体呈旋涡状的形态进行顺时针流动，是实际腐蚀呈涡旋条状的原因。

图10 改进结构的涡量等值线

4.2在出口集合管右下方存在最大速度、最大涡量，与实际腐蚀位置相符。

4.3改进的法兰盖结构能有效扰乱漩状顺时针流态，并使实际发生腐蚀位置处的涡量值、最大流体速度值降低。

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