e-journal mathematical modeling and computer simulation ... k angelov zavihritel.pdf · на...

E-Journal Mathematical Modeling and Computer SimulationVolume III, Number 8, Year 2015

- 5 -

ВЛИЯНИЕ НА ШИРИНАТА НА ЗАВИХРИТЕЛ В КОЛОНА ЗА ВАКУУМДЕСТИЛАЦИЯ ВЪРХУ РАЗПРЕДЕЛЕНИЕТО НА ГАЗОВАТА ФАЗА

Кирил АНГЕЛОВ

Студент в катедра Органичен синтез и горива, ХТМУ, София[email protected]

Резюме: Направено е числено хидродинамично изследване на завихрител, използван в

колона за вакуум дестилация. От резултатите, получени при изследване на 4 различни

широчини на устройството, са направени изводи за ефикасността при разделяне на двете

фази и разпределянето им по концентрация и по скорост във вертикално направление. На

базата на тези резултати е подбрана оптималната конструктивна ширина, осигуряваща

нужната степен на разделяне и хомогенен поток към горните части на колоната.

Ключови думи: колона, вакуум дестилация, завихрител

1. ВЪВЕДЕНИЕ И ЦЕЛИ

1.1. Същност на проблема

В нефтопреработвателната промишленост

колоните за вакуум дестилация (КВД) са основен

елемент в инсталациите за преработка на суров петрол.

Едно от технологичните предизвикателства при

проектирането им е изборът на подходящо устройство за

разделяне на входния поток (feed inlet device), поради

специфичните процеси протичащи в зоната

непосредствено до входа на колоната. На Фиг.1 е

показана опростена условна схема на процеса.

Предварително загрятият суров мазут се подава в

колоната под формата на двуфазна, многокомпонентна

смес – течна фаза и газова фаза, състоящи се от

висококипящи компоненти (ВК) и нискокипящи

компоненти (НК). Част от течната фаза се увлича заедно

с газовата фаза под формата на диспергирани капчици иФиг. 1


- 6 -

се издига по височината на колоната. Тъй като заедно с течността се увличат и други тежки

компоненти на мазута, като гудронови капки, металоорганични съединения на тежки метали (V,

Ni и други), играещи ролята на каталитични отрови, за повишено качеството на продукцията на

една КВД е важно количеството увлечени капки да е минимално. Друг негативен ефект,

получаващ се поради непълното разделяне на двете фази, е закоксуването на

пространствената структура на пълнежа в пакетите (в червен цвят на схемата), предизвикано

от образуването на кокс . В резултат от това явление се наблюдава повишен пад в налягането

и нужда от по-чести спирания на системата за профилактика.

От казаното следва, че от голямо значение за качеството на крайния продукт са степента

на разделяне на двете фази и равномерното разпределение на парите в сечението на колоната

над входа. В много от случаите двата ефекта са взаимно изключващи се – устройство, което

намалява количеството увлечени капки, води до по-неравномерно разпределение на газовата

фаза. Ако намаляването на количеството увлечена течна фаза е за сметка на по-неравномерно

разпределение на парите, резултатът е продукт с незадоволително качество.

Очевидно, ключов момент при избора на подходящо входно устройство се явява

правилното разпределение на газовата фаза. Тъй като структурираните пакети (structured

packings), разположени в колоната, сами по себе си служат като добър разпределител на

парите, фокусът на изледването е насочен към зоната между входа и пакетите.

1.2. Методология на изследването

Огромният напредък в изчислителната техника и

числените методи, в частност изчислителната флуидна

динамика (Computational Fluid Dynamics, CFD), дава

възможност за симулирането на подобни процеси с голяма

точност. Правени са предишни изследвания върху

разпределението на парите в КВД при различни входни

устройства, а също така и за предричане на ефекта от

техните модификации [3-6].

В настоящето изследване е направена

количествена и качествена оценка на влиянието на

ширината на завихрител върху разпределението на парите

в КВД на мазут. Завихрителят представлява метална

плоскост, разположена успоредно на входящия поток,

придавайки му формата на циклон. Като структура той е

подобен на т.нар. „рог“(vapor horn), но за разлика от него не

ограничава вертикалното движение на потока чрез

прегради. Търсеният резултат е равномерно

разпределение на парите. На Фиг. 2 е показана долната

част на модел на КВД, използван в нашите изследвания.Фиг.2

Модел на КВД със завихрител


- 7 -

1.3. Цели

Изследването цели да бъде открита оптимална ширина на завихрителя, при която

парите имат най-равномерно разпределение в зоната под структурираните пакети.

2. ПОСТАНОВКА НА ИЗСЛЕДВАНЕТО

За симулацията е използвана предварително структурираната система за анализ на

процеси от флуидната динамика на ANSYS Workbench, CFX. Изчисленията са извършени по

метода на крайните обеми.

Тъй като симулацията се оказа натоварваща, ние въведохме някои опростявания с цел

понижаване на времето за изчисление. Това, от друга страна, ни позволи да направим серия

изследвания на модела, като варирахме ширината на завихрителя.

Симулацията на процеси, включващи многокомпонентни флуиди е тежка задача,

изискваща много изчислително време. Поради това дефинирахме входния поток от мазут не

като смес от различни въглеводороди, а като чисто вещество – декан (C10H22)

При протичането на реалния процес, след навлизането на подгрятата смес в колоната,

се наблюдава фазов преход – част от загрятата течна фаза се изпарява. Тъй като включването

на фазов преход в симулационния модел също го утежнява допълнително, ние представихме

входния поток като смес от течност и пари на C10H22 с фиксирани обемни части.

Симулацията на увлечените капки може да бъде изпълнена, като за изчислението се

използва дискретен транспортен модел (Lagrangian Particle Tracking Model), чрез който да се

симулира отделянето на капки с различен размер от течната фаза и движението им заедно с

парите. Моделирането на полидисперсни аерозоли чрез гореспоменатия модел също е тежка

задача, която би удължила времето за изчисление и ние решихме вместо това да използваме

опростен модел на двуфазна смес (Eulerian-Eulerian Model). При този модел, двете фази са

смесени на макроскопично ниво. Разпределението им може да бъде наблюдавано, тъй като в

различните области обемните части на двете фази се различават – в дадена точка от обема на

модела може да присъства само една от двете фази, или и двете в определено съотношение

[2].

За да бъде отчетено и влиянието на стрипиращата пара, която се подава в дъното на

колоната, би следвало да се зададе двукомпонентна смес, включваща и водни пари освен

двете фази на входния поток. С цел допълнително намаляване на изчислителното време, ние

решихме да не отчитаме влиянието ѝ и проведохме симулацията с опростения

еднокомпонентен, двуфазен флуид.

2.1. Геометричен модел

Фокусът на изследването е върху флаш зоната и над нея, поради което премахнахме

другите области от модела на колоната. Моделът е създаден в Design Modeler средата на

ANSYS Workbench. На Фиг. 3 е показана схема на работния модел.


- 8 -

Мазутът се подава

тангенциално в колоната, за да

се създаде завихряне. За да се

подсили ефектът допълнително,

хоризонталното му движение

към вътрешността на колоната

е ограничено от завирхителя.

Във вертикална посока

движението на потока не е

ограничено.

Фиг. 3Геометрия на изследваната област от колоната

Горната граница включва дъната на

колекторите за течна фаза и зоните между

тях, през които газовата фаза се издига нагоре

в колоната.

За да отчетем ефектите от различната

ширина на завихрителя, ние я зададохме като

конструктивен параметър. Дефинирахме 4

частни случая – един без завихрител и 3

други, в които ширината заема различни

стойности, съответно показани в табл. 1. За

всеки отделен случай, процесите са изчислени

наново.

Табл. 1Ширина на завихрителя при

отделните симулации

Изследване Ширина, m

1 0 (без завихрител)

2 0,8

3 1,2

4 1,5

Направена е сравнителна

симулация, при която не е използван

завихрител. Максималната стойност

на ширината е подбрана поради

конструктивни съображения –

устройството на колоната не

позволява по-нататъшно

увеличаване на размера.

2.2.Създаване на елементнамрежа на модела

Създаденият геометричен модел на изследваната област бе омрежен в средата

Meshing. Фиг. 4 показва завършената елементна мрежа.

Фиг. 4


- 9 -

2.3.Граници и гранични условия

Тъй като може да се приеме, че с течение на времето не настъпват значителни промени

в граничните условия, симулацията е стационарна (независима от времето), а резултатите са

получени за равновесното състояние на системата.

Въведохме граничните условия за съответните лица, определени като граници на

изследваната област:

Вход – в моделът присъства самоедин вход - главният вход на колоната,отбелязан на фиг. 5. Граничните условия саописани в табл. 2.

Таблица 2Параметър Стойност

Bulk mass flowrate 0,04 t/s

Temperature 391,7 ̊ CVolume fraction

(течност) 0,8

Volume fraction(пари) 0,2

Turbulence Medium (Intensity = 5%)Фиг. 5

Преход към горната част наколоната – дефиниран като изход с

фиксирано налягане, представлява

участъците от горното лице на колоната,

без областите, които съвпадат с дъната на

колекторите (в зелено на фиг. 6). Именно

през тези зони пaрите напускат флаш

зоната и продължават да се издигат.

Таблица 3

Параметър СтойностMass and

momentumtransfer

Average static pressure

Flow regime SubsonicRelativepressure 0 atm

Фиг. 6


- 10 -

Преход към долната част наколоната – дефиниран като изход с

фиксирано налягане, през който течната

фаза напуска изследвания обем и се оттича

към дъното на колоната. Граничните

условия, показани в табл. 4, са идентични с

тези, зададени за прехода към горната

част.

Таблица 4Параметър Стойност

Mass andmomentum

transferAverage static pressure

Flow regime SubsonicRelativepressure 0 atm

Фиг. 7

Разделянето на двете фази във вертикална посока се извършва под действието на

силата на земното притегляне и пониженото налягане в колоната – газовата фаза, чиято

плътност е по-ниска, се издига, а течната фаза се оттича под влиянието на гравитацията. Това

явление бе включено в симулацията чрез използване на опцията Buoyancy. За да симулираме

влиянието на гравитацията, дефинирахме сила с големина, равна на големината на земното

ускорение, и действаща в отрицателна посока по направлението на вертикалата в модела (Y-

оста).

3. РЕЗУЛТАТИ

Резултатите, получени за всяка от четирите отделни симулации бяха изведени и

разгледани в CFD Post.

На фиг. 8 е показано условното разпределение на газовата фаза в колоната за

произволна симулация. Разпределението е изразено графично върху 3

взаимноперпендикулярни контурни равнини.

Ясно забележимо е присъствието на градиент в разпределението – парите имат

максимална концентрация (червен цвят върху контурните равнини) в зоните под пакетите и

минимална (син цвят) в областта под входа. В преходната област (в зелено и жълто)

концентрацията на парите е в границите 0,4 ÷ 0,7.

В областите със зелен цвят обемните концентрации на газовата и течната фаза са

приблизително еквивалентни. Физическият смисъл на тези данни е, че във въпросната област

се наблюдава увличането на капки от течната фаза. При издигане нагоре в колоната,

вследствие на кондензация, капките падат обратно и концентрацията им намалява, а

концентрацията на парите се увеличава.


- 11 -

3.1. Разделяне на двете фази

За количествена оценка на влиянието на ширината на завихрителя върху разделянето

на двете фази използвахме обемната част на парите по граничната повърхност, през която те

напускат горната част на модела. Като основен критерий на оценката използвахме разликата

между долната и горната граница на получените стойности. Горната граница показва

максималната стойност на обемната част на газовата фаза по споменатата повърхност, а

долната – минималната.

Тъй като горната граница на получените стойности не варира в широки граници, по-

голямата разлика би означавала, че по наблюдаваната повърхност присъстват зони с по-ниска

концентрация на газовата фаза и по-висока концентрация на течната фаза. Реално, това би

означавало, че разделянето на двете фази е недостатъчно и по-голямо количество капки биват

увлечени заедно с парите.

Границите, в които варира обемната част на парите, са изразени графично като

функция от ширината на завихрителя на Фиг. 9.

Фиг. 8Условно разпределение на парите в колоната.


- 12 -

Фиг. 9

Въпросните граници не могат да бъдат използвани като единствен критерий, поради

факта, че областите, в които обемната част има стойности, близки до долната граница,

обикновено заемат много малка площ от цялата изследвана повърхност. Затова като

допълнителна оценка за разделянето на двете фази използвахме и средноаритметичната

стойност на обемната част на парите върху граничната повърхност. Стойностите ѝ при

различните изследвания също за изразени графично като функция от ширината на завихрителя

на Фиг. 10.

Фиг. 10

На Фиг. 11 са показани контури, изобразяващи разпределението на парите по обемна

част, върху лицата от граничната повърхност. На тях могат визуално да се определят зоните,

където обемната част е по-ниска и да се направи качествена оценка на потока към горните

части на колоната.


- 13 -

1. без завихрител 2. ширина 0,8 m

3. ширина 1,2 m 4. ширина 1,5 mФиг. 11

Разпределение на парите по обемна част при различни ширини на завихрителя

3.2. Разпределение на парите по вертикална скорост

За допълнителна оценка на ефективността на завихрителите с различна ширина,

използвахме скоростта на парите във вертикално направление по граничната повърхност.

Подобно на разпределението по обемна част, върху контура на скоростта се наблюдават зони,

където тя заема различни стойности. Основен критерий при оценяването е възможно най-

равномерното разпределение по повърхността, т.е. потокът към структурните пакети, да е

колкото се може по-хомогенен по отношение на скоростта на издигане.

На Фиг.12 са показани разпределенията на газовата фаза по скорост във вертикално

направление (по координатната ос Y), получени при различните изследвания.


- 14 -

1. без завихрител 2. ширина 0,8 m

3. ширина 1,2 m 4. ширина 1,5 mФиг. 12

4. ИЗВОДИ

На базата на изведените резултати могат да бъдат направени следните изводи:

Използването на завихрител в колона за вакуум дестилация води до по-

равномерно разпределение на парите по скорост във вертикалното направление. В

сравнение с останалите случаи, най-хомогенен (спрямо скоростта на издигане на парите)

изглежда потокът при ширина на завихрителя 1,2 m (фиг. 12.3).

С увеличаване ширината на завихрителя се наблюдава монотонно нарастване в

средноаритметичната стойност на обемната част на газовата фаза по граничната

повърхност, като последната има най-висока стойност при ширина 1,5 m. (фиг. 10).

Стойностите ѝ са приблизително равни в случаите без зав ихрител и при завихрител с

ширина 1,5 m, но за сметка на това в първия случай до границата достига по-голямо

количество от течната фаза (фиг. 9).


- 15 -

От тези резултати може да се достигне до извода, че най-изгодната ширина на

завихрителя би била между 1,2 и 1,5 m, според желания ефект. По-малката ширина обуславя

по-равномерно разпределение по скорост, а по-голямата – по-добро разделяне на двете фази и

намаляване на количеството увлечена течна фаза.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Направено е изследване на завихрител, играещ ролята на устройство за насочване на

входния поток в колона за вакуум дестилация на мазут. Геометричният модел включва само

зоната около завихрителя, където се разделят двете фази. Изследвахме четири различни

случая – един без завихрител и три с различни широчини на завихрителя. Мрежата на модела и

граничните условия са идентични за всички изследвания.

От получените решения бяха изведени числени и графични резултати, въз основа на

които направихме изводи за ефективността на завихрителя при различна ширина. Тъй като

въведохме редица опростявания на процеса при дефинирането на симулацията (описани в т.

2), може да се говори за известна неточност и разминавания в резултатите. Точността на

резултатите би могла да се подобри чрез създаване на по-фина елементна мрежа на

изследвания модел и включване на другите части от колоната, тъй като процесите в тях също

влияят върху изследвания ефект. Чрез използване на по-сложни изчислителни модели

(многокомпонентна смес, фазов преход, транспорт на частици) резултатите биха били още по-

близки до реалните. Възможно е да се изследват и химичните процеси, които протичат в

колоната – каталитични реакции, крекинг-процеси и др.

Представените начални изследвания върху симулативните подходи, представят

възможността за изследване и оптимизация на подобни процеси, чрез набиращите все по-

голяма сила числени методи за решаване на проблеми от флуидната динамика. Получените

резултати са задоволителни от хидродинамична гледна точка, което поставя основата за по-

задълбочени бъдещи изследвания на процеса.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторът изказва своята благодарност към д-р инж. Веселин Илиев, доцент в катедра„Приложна Механика“, ХТМУ, за предоставения 3D модел на колоната и активното участие визследването, и към доцент Кирил Станулов от катедра „Органичен синтез и горива“ засъветите при описанието на изследването.

ЛИТЕРАТУРА

1. ANSYS CFX – Solver Theory Guide release 12.1, ANSYS, Inc., November 2009

2. ANSYS CFX – Solver Modelling Guide release 15.0, ANSYS, Inc., November 2013

3. CFD study of a VDU feed inlet device and wash bed, D. Ray, A. Arora, A. Phanikumar, 2009

4. Entrainment issues in vacuum column flash zones, M. Pilling, M. Roza, S. M. Wong, 2010

5. Vacuum tower was section design: myth and reality, M. Roza, M. Pilling, 2010

6. Troubleshooting vacuum unit revamps, S. W. Golden, 1998


- 16 -

EFFECTS OF VARYING THE FEED INLET DEVICE WIDTH ON THE VAPORDISTRIBUTION PROFILE IN A VACUUM DISTILLATION COLUMN

Kiril ANGELOV

University of Chemical Technology and [email protected]

Abstract: The following paper presents a computational hydrodynamic study of a feed inlet

device used in a vacuum distillation unit. The results from 4 different simulations with different device

width were examined, and conclusions were drawn, regarding the separation efficiency and

distribution profiles in regard to vapor concentration and speed in the vertical direction. In accordance

with these results, the optimal width was selected, which provides sufficient degree of separation and

a homogeneous flow to the upper areas of the unit.

Keywords: column, vacuum distillation, inlet device

e-journal mathematical modeling and computer simulation ... k angelov zavihritel.pdf · на...

Documents