焦化分餾塔多噴頭噴淋脫除焦粉模擬研究

高有飛，趙遠方，杜招鑫

(中石化煉化工程(集團)股份有限公司洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽 471003)

延遲焦化裝置是煉油廠重要的重質(zhì)油加工裝置,其焦化分餾塔脫過熱段工藝普遍采用人字形擋板脫除物料中的焦粉。然而,人字形擋板脫除焦粉的效果較差,導(dǎo)致大量焦粉被焦化油氣攜帶至油品分餾段,造成側(cè)線產(chǎn)品中普遍含有焦粉,尤其焦化蠟油、焦化柴油中含有大量焦粉,嚴(yán)重影響蠟油、柴油質(zhì)量及其后續(xù)加氫處理過程[1-2]。

噴淋洗滌技術(shù)既可用于氣-液傳質(zhì)系統(tǒng)[3],也可用于氣-液-固傳質(zhì)系統(tǒng),普遍應(yīng)用于鋼鐵、發(fā)電、礦業(yè)、化工等工業(yè)領(lǐng)域[4-5]。因此,將噴淋技術(shù)用于洗滌、脫除延遲焦化分餾塔進料油氣中的焦炭粉末(焦粉)將有利于油品的凈化和品質(zhì)提升。研究表明[6-7],采用噴淋技術(shù)可以在主分餾塔塔底產(chǎn)生強大擾動,可在一定程度上防止焦粉沉積在塔底形成結(jié)焦。

為了大幅降低焦化分餾塔側(cè)線產(chǎn)品中的焦粉含量,本課題探索在焦化分餾塔下部油氣進料段采用噴淋技術(shù),以洗滌、脫除主分餾塔進料油氣中的焦粉,防止焦粉進入主分餾塔上段,在降低焦化餾分油中焦粉含量的同時解決塔板堵塞問題。然而,由于受到高溫工況、環(huán)境安全、裝置建設(shè)、工業(yè)試驗成本等因素的影響,噴淋技術(shù)脫除油氣中焦粉的實際效果很難通過試驗驗證。隨著計算機智能學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展,通過數(shù)值模擬方法可以直觀地演示噴淋洗滌、脫除焦粉的過程[8],因此采用數(shù)值模擬方法研究噴淋技術(shù)洗滌、脫除焦粉的效果成為優(yōu)選。

在空塔噴淋系統(tǒng)中,塔徑和液體負(fù)荷的大小決定了噴頭的數(shù)量[9]。根據(jù)相關(guān)設(shè)計圖紙和文獻,1.0 Mt/a延遲焦化裝置的焦化分餾塔直徑一般為4.0 m左右,為了脫除焦化分餾塔進料油氣中的焦粉,需采用3個以上噴頭組合才能達到洗滌脫除焦粉的效果[9]。本研究基于前期單層單個噴頭單向(S-S-S)噴淋洗滌、脫除焦粉的研究結(jié)果[8],分別以常溫水-空氣-焦粉體系和焦化蠟油-焦化油氣-焦粉體系為研究對象,進一步模擬研究單層多噴頭單向(S-T-S)噴淋洗滌、脫除進料氣中焦粉的效果,并與S-S-S噴淋方式進行對比,探究多噴頭組合噴淋洗滌、脫除焦粉過程的動力學(xué)規(guī)律,為技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用提供借鑒。

1 數(shù)值模型建立

通過建立先進的數(shù)值模型,對噴淋洗滌焦化分餾塔脫過熱段進料油氣中焦粉顆粒的過程進行模擬,噴淋油滴溫度為290 ℃,進料溫度為415 ℃;同時,模擬常溫、常壓下噴淋水滴洗滌含焦粉顆?？諝獾倪^程,比較不同噴淋系統(tǒng)洗滌脫除焦粉的性能。

噴淋洗滌脫除氣相中焦粉數(shù)值模型選用離散相模型(DPM)。其中,噴淋液滴的運動路徑模擬采用拉格朗日法隨機漫步模型,液滴間相互碰撞過程模擬采用碰撞模型(O’Rourke),液滴破碎過程模擬采用泰勒比擬破碎模型。以單層多噴頭均勻布置的單向噴淋模型為例,進行網(wǎng)格劃分與基本設(shè)置。S-T-S噴淋系統(tǒng)的設(shè)備設(shè)計及噴淋分布器布置如圖1所示。

圖1 S-T-S噴淋系統(tǒng)和噴頭布置示意

噴淋分布器具體使用噴頭的數(shù)目主要取決于其總液體負(fù)荷、噴頭操作彈性負(fù)荷、液滴分布均勻度等因素,多個噴頭的布置方式主要考慮噴淋液滴分布的均勻性。鑒于布置2個噴頭無法實現(xiàn)噴淋液滴的均勻分布,多噴頭設(shè)置一般不少于3個噴頭,其布置形式主要依據(jù)噴頭數(shù)量的多寡,有正三角形、菱形或正多邊形等,其中菱形和正多邊形的幾何基礎(chǔ)依然是正三角形,而且采用正三角形布置才有可能實現(xiàn)均勻分布的目標(biāo)。由此,噴頭布置采用正三角形布局,然后根據(jù)噴淋環(huán)境改變?nèi)切蔚倪呴L以達到最優(yōu)均勻分布。

考慮過程模擬的計算難度隨著噴頭個數(shù)的增加成指數(shù)級增大,為簡化計算過程,對某Φ1 800 mm主分餾塔,固定選用3個噴頭組合S-T-S噴淋系統(tǒng)洗滌脫除進料中焦粉。設(shè)計模擬系統(tǒng)基本參數(shù):數(shù)值模擬的計算域為塔內(nèi)流體域,頂部氣相出口距離噴頭為1.5 m,底部氣相進口距離噴頭也為1.5 m,液滴當(dāng)量直徑約為2 mm。由于設(shè)定計算域的最大/最小尺寸比超過3 000,為使模擬計算過程收斂,需對整場網(wǎng)格劃分不斷進行優(yōu)化,因而模擬工作量和模擬難度很大。因此,劃分了多種不同尺寸的網(wǎng)格,并對其進行獨立性驗證;同時,綜合考慮連續(xù)相與離散相的運動,對噴頭周邊液滴濃度較高的地方以及貼近壁面的層流區(qū)域進行網(wǎng)格加密;整體上,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分,以獲得較高的計算速率與計算精度。

3個噴頭分別位于正三角形的3個頂點,見圖1(b)。設(shè)定噴頭所處位置與圓心O之間距離為r、塔內(nèi)半徑為R。噴頭布置會直接影響除焦粉的效果,噴頭間距過大或過小都會導(dǎo)致液滴分散不均勻。因此,優(yōu)化確定噴頭間距,實現(xiàn)最佳的噴淋洗滌、脫焦粉效果,成為研究的焦點之一。經(jīng)綜合考慮,對比研究了4種不同的噴頭布置方式:①r/R=0.38,②r/R=0.50,③r/R=0.56,④r/R=0.75。通過測定噴淋系統(tǒng)上方1.5 m處橫截面氣相中所含的焦粉量,來考察r/R的變化、噴頭間相互干涉等因素對氣體流動、液滴分布等產(chǎn)生的影響。相同工況下、相同橫截面位置的液滴質(zhì)量濃度模擬結(jié)果對比如圖2所示。

圖2 噴淋系統(tǒng)液滴濃度云圖

從圖2可以發(fā)現(xiàn):噴頭距離塔中心較近(r/R=0.38)時,壁面附近的液滴濃度過小,焦粉容易從壁面附近逃逸;噴頭距離塔中心較遠(r/R=0.75)時,塔中心附近區(qū)域液滴濃度過低;相比之下,噴頭位于塔壁與塔中心的中間位置時液滴分布較好;與r/R=0.50時相比,噴頭位于r/R=0.56處的液滴分布更均勻。因此,3個噴頭優(yōu)選r/R=0.56正三角形布置。

基于單噴頭模擬經(jīng)驗[8],多噴頭模擬過程中油滴和水滴的噴淋密度(液滴總流量與塔體橫截面積之比)均設(shè)定為 2 m3/(m2·h),油氣與空氣的空塔動能因子均設(shè)定為0.5～4.0 (m/s)·(kg/m3)0.5,氣相中焦粉的質(zhì)量濃度設(shè)定為10 g/m3。

2 空氣流場和水滴流場模擬

2.1 S-S-S和S-T-S噴淋水滴空氣流場對比

為了研究S-T-S噴淋的特點與規(guī)律,在噴淋密度為2 m3/(m2·h)、氣相負(fù)荷空塔動能因子為2 (m/s)·(kg/m3)0.5的條件下,分別模擬對比了不同氣速下S-T-S與S-S-S噴淋水滴脫除焦粉的過程,結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出:S-T-S噴淋時,中心線附近區(qū)域3個噴頭相互干涉,導(dǎo)致該區(qū)域空氣速率比壁面附近空氣速率約小10%;同時,S-T-S噴淋時空氣的湍動更加強烈。需要說明的是,調(diào)節(jié)液相噴淋密度后,發(fā)現(xiàn)不同噴淋密度下S-T-S噴淋時的空氣運動規(guī)律與氣相負(fù)荷空塔動能因子的變化規(guī)律類似。

圖3 不同噴淋模式下主分餾塔內(nèi)空氣速度云圖

2.2 S-S-S和S-T-S噴淋水滴離散相分布對比

為了觀察多噴頭之間相互干涉對液滴分布的影響,在噴淋密度為2 m3/(m2·h)、空塔動能因子為2 (m/s)·(kg/m3)0.5的工況下,對比S-S-S噴淋和S-T-S噴淋的液滴分布,如圖4所示。

圖4 不同噴淋模式下主分餾塔內(nèi)液滴分布云圖

對比橫截面云圖可以發(fā)現(xiàn):在相同工況下,S-T-S噴淋時的中心區(qū)域是3個噴頭共同作用的區(qū)域,隨著液滴的逐漸下行,距離噴頭越遠的橫截面,噴淋液滴相互疊加越多,且液滴碰撞越劇烈,使得中心區(qū)域的液滴分布越均勻;S-S-S噴淋時,由于水滴的徑向速度不斷增大,水滴逐漸向壁面運動,距離噴頭越遠的橫截面,中心區(qū)域的水滴濃度相對越低?？梢?相同工況下,S-T-S噴淋時的液滴數(shù)量和液滴分布均勻程度均高于S-S-S噴淋。

2.3 S-T-S和S-S-S噴淋水滴洗滌脫焦粉能力對比

為了研究S-T-S噴淋的洗滌脫焦粉效果,在固定液相噴淋密度為2 m3/(m2·h)、不同氣相負(fù)荷空塔動能因子的工況下,對比S-T-S與S-S-S噴淋水滴時空氣中焦粉的脫除率,結(jié)果如表1所示。

表1 S-T-S與S-S-S噴淋水滴除塵效果對比

由表1可知:S-T-S和S-S-S噴淋水滴空氣焦粉脫除率的變化規(guī)律相似,隨著氣相負(fù)荷空塔動能因子的增大,S-T-S和S-S-S噴淋水滴脫除空氣中焦粉的能力均先減小后增大;當(dāng)空塔動能因子為2.0 (m/s)·(kg/m3)0.5時,兩種噴淋方式的焦粉脫除能力均最弱。這主要是因為:在低氣相負(fù)荷下,氣體向上的曳力不足以將焦粉攜帶出去,因而噴淋洗滌脫除能力較強;隨著氣相負(fù)荷增大,氣體向上的曳力逐漸增大,同時焦粉在氣相中分布的均勻性較差,尤其壁面處焦粉逃逸較多,導(dǎo)致除塵能力下降;當(dāng)氣相負(fù)荷增大到一定程度后,小粒徑焦粉幾乎被全部帶走,而此時氣體曳力還不能將較大焦粉顆粒帶走,噴淋水滴脫除焦粉的能力趨于穩(wěn)定,但氣相負(fù)荷增大后噴淋水滴因氣流擾動增強使分布更加均勻,從而降低了焦粉的逃逸量,焦粉脫除能力略有增強。

S-T-S噴淋水滴時空氣中焦粉脫除率最高為95.15%,最低為85.88%,平均為90.06%;S-S-S噴淋水滴時空氣中焦粉脫除率最高為95.26%,最低為84.92%,平均為89.05%?？梢奡-T-S噴淋水滴時空氣中焦粉平均脫除率僅比S-S-S噴淋水滴時略高。需要說明的是,高氣相負(fù)荷下S-T-S噴淋水滴時空氣焦粉脫除率比S-S-S噴淋高約3%。

3 S-T-S噴淋油滴/水滴效果對比

在焦化蠟油-焦化油氣-焦粉體系中,以焦化蠟油為噴淋介質(zhì)時,油滴在塔內(nèi)與焦化油氣接觸,會發(fā)生減速運動,從而增加停留時間。因此,為了研究S-T-S噴淋油滴的洗滌脫除效果,模擬了噴淋油滴的脫除焦粉過程,并與噴淋水滴的效果進行了對比分析。

3.1 空氣與油氣流場對比

在液相噴淋密度為2 m3/(m2·h)、氣相空塔動能因子為2 (m/s)·(kg/m3)0.5的工況下,S-T-S噴淋水滴和油滴時的氣相運動情況如圖5所示。

圖5 S-T-S噴淋水滴和油滴時的氣相流場對比

對比圖5(a)和圖5(b)可知:噴淋油滴時,主分餾塔出口向上方向各橫截面的油氣速率分布很不均勻、相差很大,且油氣擾動十分強烈,出現(xiàn)了旋渦;噴淋水滴時,則無旋渦出現(xiàn),空氣速率在噴頭附近較小,壁面附近較大。無論是噴淋水滴,還是噴淋油滴,噴頭下方各橫截面的空氣速率相差較小,分布相對均勻,向下距離噴頭越遠的橫截面,氣相分布越均勻,當(dāng)橫截面距離噴頭出口超過1.0 m時,氣相分布已非常均勻。

3.2 水滴與油滴離散相分布對比

在噴淋密度為2 m3/(m2·h)、空塔動能因子為2 (m/s)·(kg/m3)0.5的工況下,對比S-T-S噴淋水滴和油滴速率及其液滴濃度,見圖6和圖7。

圖6 S-T-S噴淋水滴與油滴的速率分布

圖7 S-T-S噴淋水滴與油滴的濃度云圖

由圖6可以看出,下行油滴比下行水滴速率更小,主要是因為S-T-S噴淋油滴比噴淋水滴碰撞更加劇烈,使液滴破碎、速率減小程度更高。對比S-T-S噴淋油滴與水滴的大小,發(fā)現(xiàn)油滴的直徑比水滴更小,可見油滴比水滴更容易破碎。水滴從入口截面逃逸時速率約增大了15%,而油滴速率則減小了約50%。

從圖7可以看出,在相同工況下,噴淋油滴時中心區(qū)域紅色部分綿密且面積大,而噴淋水滴時中心區(qū)域紅色部分相對稀疏且面積小,說明中心區(qū)域水滴濃度明顯小于油滴濃度,而靠近塔壁的部分區(qū)域的水滴濃度更小,這主要是因為3個噴頭噴淋時,靠近塔壁區(qū)域的干涉重疊區(qū)域較少,而中心區(qū)域的干涉重疊區(qū)域較多。在噴頭上方區(qū)域,水滴和油滴濃度都非常小,說明噴淋時產(chǎn)生的霧沫夾帶量極小,這為提高噴淋洗滌脫除焦粉效率提供了有力保障。相比之下,S-T-S噴淋油滴能夠更好地覆蓋塔的整個橫截面,有助于噴淋洗滌脫焦粉。

3.3 S-T-S噴淋水滴和油滴焦粉脫除能力對比

在液相噴淋密度為2 m3/(m2·h)、氣相空塔動能因子為2 (m/s)·(kg/m3)0.5的工況下,對比S-T-S噴淋水滴和油滴時的焦粉濃度分布,如圖8所示。由圖8可知,S-T-S噴淋水滴與噴淋油滴時主分餾塔內(nèi)都存在焦粉的壁面逃逸現(xiàn)象,但是由于噴淋油滴時塔內(nèi)壁面附近區(qū)域的油滴濃度明顯高于噴淋水滴時的水滴濃度,所以噴淋油滴時焦粉壁面逃逸相對較少。

圖8 S-T-S噴淋水滴與油滴的焦粉分布云圖

3.4 S-T-S和S-S-S噴淋油滴的焦粉脫除能力對比

在液相噴淋密度為2 m3/(m2·h)的工況下,對比了不同空塔動能因子下S-T-S和S-S-S噴淋油滴洗滌脫除焦粉的效果,結(jié)果如圖9所示。

圖9 S-T-S和S-S-S噴淋油滴的洗滌脫除效果對比

由圖9可知:S-T-S噴淋油滴的焦粉最高脫除率為99.79%,焦粉最低脫除率為96.45%,平均為98.43%;S-S-S噴淋油滴的焦粉最高脫除率為99.79%,焦粉最低脫除率為96.35%,平均為98.64%?？梢?二者的焦粉脫除能力相當(dāng)。綜合圖9和表1得知:S-T-S和S-S-S噴淋油滴的焦粉最低脫除率分別比相應(yīng)噴淋水滴時的焦粉最低脫除率高10.57%和11.43%,而且S-T-S和S-S-S噴淋油滴時的焦粉最低脫除率均高于相應(yīng)噴淋水滴時的焦粉最高脫除率,說明噴淋油滴是焦化分餾塔優(yōu)選的洗滌油氣脫焦粉方式。

4 S-T-S噴淋油滴除塵的工業(yè)應(yīng)用效果

山東某石化公司的1.0 Mt/a延遲焦化裝置Φ4 000 mm焦化分餾塔脫過熱段,原安裝有10層人字形擋板。技術(shù)改造時,拆除了過熱段人字擋板,改用噴淋洗滌脫除焦粉技術(shù)。應(yīng)用結(jié)果表明,采用噴淋洗滌脫除焦粉技術(shù)后,蠟油的殘?zhí)繙p少,焦化柴油和焦化蠟油中焦粉顆粒量顯著減少,不僅改善了產(chǎn)品質(zhì)量,還降低了焦化蠟油過濾網(wǎng)的清洗頻率,減輕了換熱器的清洗難度。其具體效果如下:

(1)改造前,能夠明顯觀察到焦化柴油、焦化蠟油中含有相對較多的焦粉顆粒,尤其焦化蠟油中,焦粉含量很高;改造后,幾乎觀察不到焦化柴油和焦化蠟油中含有焦粉顆粒,焦化蠟油顏色由原來的黑色變成黃色。焦化蠟油的殘?zhí)繌母脑烨暗?.86% 降至改造后的0.26%,降幅達69.8%。

(2)改造前,焦化蠟油過濾器檢修周期為兩個月;改造后,焦化蠟油過濾器檢修周期延長至半年,大幅減少了過濾器清理工作量和勞動成本。

(3)改造前,每次換熱器檢修都存有大量焦粉,不易清洗,費時費力;改造后,換熱器中的焦粉顯著減少。

5 結(jié) 論

分別以常溫水-空氣-焦粉體系和焦化蠟油-焦化油氣-焦粉體系為研究對象,通過建立數(shù)值模型,模擬研究單層多噴頭單向(S-T-S)噴淋洗滌脫除進料油氣中焦粉的效果,并與S-S-S噴淋方式進行對比,結(jié)果表明:

(1)3個噴頭最佳布置方式為r/R=0.56的正三角形布置。

(2)在液相噴淋密度為2 m3/(m2·h)時,不同氣相負(fù)荷下S-T-S噴淋水滴的焦粉平均脫除率比S-S-S噴淋水滴略高,而高氣相負(fù)荷下前者焦粉脫除率比后者高約3%。

(3)在噴淋密度為2 m3/(m2·h)時,S-T-S噴淋油滴與S-S-S噴淋油滴的焦粉平均脫除率相當(dāng),其比相應(yīng)噴淋水滴時的焦粉平均脫除率高8～9百分點;而S-T-S噴淋油滴和S-S-S噴淋油滴的焦粉最低脫除率分別比相應(yīng)噴淋水滴時的焦粉最低脫除率高10.57%和11.43%,說明噴淋油滴洗滌脫除焦粉的效果明顯優(yōu)于噴淋水滴。

(4)多噴頭噴淋技術(shù)工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明,采用噴淋洗滌脫除焦粉技術(shù)可明顯改善焦化分餾塔側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量,延長設(shè)備檢修周期,降低清理工作量和生產(chǎn)成本。