不同截面形状气体分布器的数值模拟.pdf

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1、588化工机械2010年不同截面形状气体分布器的数值模拟陈明亚+王元华徐宏张莉杨圣崔铮铮(华东理工大学化学工程联合国家重点实验室)摘要针对100kL／a大型乙烯裂解炉布置的新型急冷废热锅炉气体分布器存在背风面焦炭蓄集严重、弯曲变形大和流场湍流强的问题，利用计算流体力学方法，比较了正方形、圆形和椭固形截面分布器气体入口流场的气体分布不均匀性、流场湍流强度、分布器应力大小和背风面焦炭蓄集的性能指标。模拟结果表明，除正方形截面分布器弯曲正应力最小外，椭圆形截面分布器气体分布不均匀性、流场湍流强度和背风面上气体流动低速区都较

2、圆形截面分布器的小。关键词废热锅炉气体分布嚣截面形状计算流体动力学中图分类号TQ051．5+4文献标识码A文章编号0254石094(20lO)05m588旬5乙烯装置规模不断扩大，单台乙烯裂解炉已达到了100k∥a以上的生产能力。急冷废热锅炉是乙烯装置的关键设备之一，它的长周期安全稳定运行成为制约乙烯生产的关键。气体入口分布器是急冷废热锅炉的一个关键部件，其作用一方面是均匀分布气体，提高换热管的利用率，延长运行周期，另一方面是减少裂解气对管板及内管的热冲击。新型“浴缸式”四进口的废热锅炉与传统的单一入口废热锅炉相比，

3、气体分布均匀，延长了运行周期，绝热段停留时间从传统单一入口的废热锅炉的50ms降到10ms，乙烯损失减少0．15％，物料消耗降低0．3％¨’21。但是，“浴缸式”四进口的废热锅炉的气体分布器也存在着一些问题：气体分布器背风面裂解气流动速度较低，生产过程中此处会有焦炭蓄积下来，在废热锅炉烧焦过程中，会因蓄积的焦炭燃烧使分布器局部温度过高而损坏；分布器周围流场中存在较大区域湍流区，造成其周围的裂解气体停留时间较长，二次反应加剧，降低废热锅炉的运行周期；高温裂解气的热冲击容易使分布器热裂、严重变形，分布器往往是因为严重变形

4、而失效"。。图1圆形截面分布器结构·陈明亚，男，1985年5月生，硕士研究生。上海市，200237。第37卷第5期化工机械589为解决上述问题，进口废热锅炉分布器截面形状由原先正方形改为圆形。但由于国内外乙烯急冷废热锅炉气体分布器的设计和研发，从理论上还不够成熟，笔者利用Fluent软件，针对“浴缸式”四进口的废热锅炉气体分布器存在的问题，对正方形、圆形与椭圆型截面气体分布器进行内部流场模拟，探讨不同截面形状气体分布器的综合性能。1计算模型模拟对象为高温高速气体流过不同截面分布器的流动过程，图1是截面为圆形的急冷废热

5、锅炉气体入口分布器。阻力是影响气体分布均匀的一个重要因素，为了简化模型，采用多孔介质模型来补偿换热管的沿程压力损失。选择二维简化计算模型，计算模型如图2所示，采用Quard四边形网格。孔区域图2圆形截面分布器废锔入口二维模型2控制方程和计算方法在废热锅炉进口处气体流动应遵守质量、动量、能量守恒定律，在使用FJuent6．2软件进行计算的过程中，需要求解连续性方程、动量方程、能量方程等，总的方程表达式为：去(p妒)+毫(p“妒)+专(∥妒)+去(p叫妒)=去(‘警)+专(L考)+去(0警)+s，(1)由于乙烯裂解废热锅

6、炉气体进口流速达型。湍流动能方程和湍流动能耗散率计算公式分117m／s，流场湍流模型方程采用标准K·f湍流模别为：p鲁=蠹【(警)篝】+以薏+簧，差一心p妾=毒【(警)蔫】+c。。争。c考+詈，等一pc：≤式(2)、(3)中经验常数的标准取值为C。，=1．44，C2f=1．92，盯。=1．0，盯￡=1．3。数值模拟计算时，设定废锅入口处裂解气密度0．277kg／m3、粘度3．18×10“kg／(m-8)、导热系数为0．1568w／(m·℃)、裂解气热容为3277J／(kg·℃)，该流场为稳态和等温流场。裂解气的进口速

7、度为117m／s，出口处为出流边界条件。气体通过换热管的流动阻力对气体分布均匀性影响较大，数值模拟式采用多孔介质来代替换热管的流动阻力，此处多孔层的厚度取为lomm，其流动主力系数为4998m～。3分布器性能评价指标在维持不同截面分布器迎风面积相当的情况下(椭圆的长短轴之比取为1．2)，比较不同截面分布器气体分布到各换热管的均匀性、流场湍流强度、应力大小和背风面焦炭的蓄集性能。(2)(3)4计算结果与分析4．1气体分布到各换热管均匀性气速分布不均匀度的定义式为：●________________________●_。

8、●●●-。--。_●-_’_-_。●_________h___一膨：／士詹(垫)：ds(4)～ooFn式中s。=f：ods为分析的面，q为i点的流1速，”。=÷』：o移。d．s为平均风速。由式(4)可知，MoO越小，分布性越好H1。图3是不同截面形状气体分布器出口截面上(气体刚进多孔层的截面)速度分布比较，可以看出正方形截面分布器气体流速分布区