冷板式换热反应器结构设计.pdf

石油与天然气化工
CHEMICAL ENGINEERING OF OIL GAS
2011
UTLZATON OE NTUALCAS AND NGL
冷板式换热反应器结构设计
张勇常宏岗2艾志久武艳陈昌介2
(1.西南石油大学2.中国石油西南油气公司天然气研究院)
天然气及其凝液的利用
(3.中原油田普光分公司天然气净化厂)
摘要针对传统管売式换热反应器热阻大、传热系数小的缺点,米用独特设计的新型冷板作
为换热元件,开发一种传热系数高、结构紧凑的冷板式換热反应器。通过數值模拟分析催化剂床层
及冷板内部流体的速度场及温度分布情况,验证新型冷板式换热反应器的传热系数及传热性能,分
析结果显示新型冷板的内部网状通道使流体流动方向和速度不断改变,加剧了流体的湍流效应,打
破滞留边界层,降低了热阻。计算得出,新型冷板式换热反应器与传统管壳式换热反应器相比,传
热系数明显提高。
关键词冷板换热反应器催化剂热阻传热系数温羞数值模拟
DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2011.02.003
对硫磺回收及尾气处理工艺中的硫化氢氧化反東可从壳体中抽出,方便清洗、维修及更换。反应器
应以及加压下甲醇合成,甲胺、甲醚、氨、烃类等合成壳体上部设置人孔,方使催化剂装填。中下部设置
这类气固相放热催化反应,反应过程中不断放出的卸载催化剂的人孔。管箱筒体下部设置冷却介质进
反应热使催化剂床层温度升高。温升影响了催化剂口,上部设置冷却介质出口。催化剂床层中并列竖
的活性以及催化反应转化率,为提高反应器的效率、直埋放独特设计的冷板板東。在催化剂床层的上中
选择性和生产能力?需及时把反应热移出以降低催下部分分别设置热电偶,进行床层温度检測。气体
化剂床层温度叫。目前普遍采用的是管売式换热反进口设置防冲挡板,催化剂床层下部铺垫小瓷球
应器,其存在如下缺点:换熱管内壁有滞留边界层,以利于气体的均匀分布。图1-B为新型￥?代换
热阻大,传热系数小;金属耗材量大;催化剂装填系热反应器的左视图
数小,装卸困难;反应器体积大,增加制造成本及
核心換热构件为冷板,其结构简图如图1-C
地面积;材质要求高,需大直径厚管板,不利于单系所示,其制作是采用两片金属板在其周边以密封焊
列生产能力的大型化2
缝焊接固定,中间通过呈正三角形分布的定距柱点
焊,定距柱的作用一是加强对冷板的支撑,消除由于
1新型换热反应器设计
疲劳裂缝引起的内部泄漏;二是作为扰流子添加物
为克服传统管壳式换热反应器的技术缺点,使降低热阻。冷板中间设置一钢筋条终端留有流通余
催化剂层温差小,催化剂活性高,提高传热系数,减量形成直焊缝,使内部通道形成一个往返的U形通
小反应器体积,设计了一种新型冷板式换热反应器,路。冷板一端通过冷却介质进出口连接管与固定管
设计方案如图1所示。
板连接,另一端及中部采用支撑槽支撑,可自由伸
图1-A为该反应器的主视图。管箱筒体与反缩,有效地解决了板束、壳体热膨胀量不同的问题,
应器売体利用螺栓、螺母通过法兰连接,整个冷板板不会产生温差应力,无需设置膨胀节。
x中石油2008年重点项目(编号:2008B-1304
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第40卷第2期
冷板式换热反应器结构设计
117
2322212019
181716151413
9101112
1ー下腔室;2-横隔板;3-冷却介质进口;4-冷板进ロ;5-冷板出ロ;6催化剂支撑栅板;7-冷板支撑条;8-气体出口;
9-反应器支座;10-人孔;11-定距柱;12-封头;13-直焊缝;14-人孔;15-热电偶:16-气体进ロ;17-反应器売体
18-冷板;19-固定管板;20-法兰;21-冷却介质出ロ;22上腔室;23-管箱简体
A主视图
B左视图
C冷板结枸简图
图1冷板式换热反应器设计方案
2数值模拟分析
合。各种残差控制均设为0.001。冷热流场边界
条件如表1所示。
2.1计算模型
图2为冷板几何模型示意图,图3为冷板内部
表1冷热流场边界条件
流体域模型
冷流体
热流体
介质
水
介质
空气
进口温度,C
进口温度,C
流速,m/s
0.1
流速,m/s
0,5
出口压力,MPa
0,1
出口压力,MPa0,1
2.3计算结果分析
图2冷板几何模型
(1)速度场。图4为冷板内部流体域速度云图。
由图可见,冷板内的定距柱相当于扰流子添加物,流
体通过定距柱点焊形成的内部网状通道,在流动过
程中的流速大小和方向不断改变,加剧了流体的湍
流效应。
2.603e-001
00(mm)
1.952e-001
301e-001
图3冷板内部流体域模型
2.2边界条件
设置边界条件:速度输入( Velocity- inlet)、压
图4冷板內部流体域速度云图
力输出( Pressure- outlet)和壁面(Wal)4。定义
催化剂与冷板的交界面,冷板与内部流体域的交界
(2)温度曲线。图5为催化剂床层温度分布图。
面,指定冷板材料为不锈钢,催化剂定义为多孔介从图中可以看出,初始温度为471K的高温气体进
质。流动方式为错流。在选用计算模型时采用k
入催化剂床层(Z轴坐标0.045m)后,在冷板内部
Epsilon,并可以根据需要改变模型的收敛因子以加冷流体的冷却作用下迅速被冷却,出口(Z轴坐标
速计算过程,采用 SIMPLE算法求解压力一速度耦0.045m)温度降为464K。图6为冷板内部冷流体