加氢反应炉炉管偏流原因分析及方案优化

镇海炼化Ⅵ加氢反应加热炉 F6501 在开停工 过程中尤其是在低负荷（220t/h 以下）、低温度下 （200℃以下）屡次发生对流段四根炉管表面温度 差别大、四根炉管出口温度不一致的现象，据现 场初步分析判断该炉管存在堵油现象，为防止存
油在炉管内结焦，有必要对该装置开停工时炉管 温差问题进行分析和治理。 1 设计数据
相流的体积含气率为 0.95，均相流速仅为 5.7m/s，
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2016 年第 2 期
根据《石油化工工艺装置管径选择导则》 (SH/T3035-2007)里格里菲思流型图判断停工工
况下管内气—液两相流流型为块状（塞状）流， 详见图 1。
4.035
677.42
4.03E-04
2.646
1.04E-05
1.74E-02
1.02E-02
λc 越大，气液两相之间界面越不稳定，界面 决定性作用，在加热炉炉管设计中通常要求炉管
波的不稳定性是引起液塞的主要原因之一。由表 2 进、出口管道对称布置，尽量保证炉管内介质分
可看出开、停工工况时两相界面不稳定，容易形 配均匀。为分析炉管内气液两相的分配状况，采
图 1 炉管内气液两相流流型图
2） 流体稳定性分析 Rayleigh 和 Taylor 提出了两种不同密度的
流体之间的界面稳定性的判断公式（1-1），据此 计算出各工况下的临界波长λc，结果详见表 2。
（1-1）
表 2 加热炉在三种工况下的气液流动稳定性判断
工况
温度 压力
柴油密度
柴油粘度
循环氢密度
循环氢粘度
3）CFD 模拟
分稳定时又受到弯头壁面的作用力改变了流动方
炉管入口管道的布置对管内介质分配起到 向，此后分支管向下不到 1 米再次二分为四，此
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加氢反应炉炉管偏流原因分析及方案优化
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次分支后流体分配不均状况进一步加剧，导致四 根炉管内流量不等，出现偏流。在正常生产工况 下，炉管均满管，偏流不明显。在开停工工况下， 流量降低大半，炉管偏流现象被放大，不仅体现 为四根炉管的流量不同，而且各炉管内的气液比 也不同，这是因为流体在经过弯头时，在离心力 的作用下液体甩向弯头外侧，气体集中于弯头内 侧，气液产生部分分离，并在经过多个三通、弯 头、分支变径后，流体在离心力和重力共同作用 下进一步发生分离。从模拟的炉管流场分布图中 可看出，停工工况下 D 号炉管内液含率最高，流 速最低，说明存在堵油现象，A 号炉管内流量最小， 这些与现场实际情况相符。 3 方案选择 3.1 优化方案
种相态持续不断的发生变化，炉管内的流动属于
复杂的气液两相流动。在不同的条件下，气液两
相流动的流型不一样，主要流型包括：气泡流、
柱状流、环状流和雾状流，气液两相流的流型与
管道形状、管道角度、介质流量、介质温度和压
力等操作条件、所处的重力场、介质的表面张力、
壁面及相界面间的剪切应力等因素密切关系，两
相流流型的不同对管内流动状况影响很大。
管线介质：柴油、氢气混合物
表 1 加热炉在三种工况下的操作参数
工况
柴油 流量
循环氢 流量
A/B/C/D 炉管 表面温度
A/B/C/D 炉管 出口温度
炉入口总 管压力
炉出口总 管压力
/
t/h
Nm3/h
℃
℃
MPa
MPa
正常工况
263
162000
326/322/324/320
309/306/307/306
根据实际生产经验，造成炉管出口介质温度
差异的原因主要有以下几点：
1)加热炉每路进料量不一致，存在偏流
90/90/134/88
4.05
4.02
2)加热炉炉膛偏烧
3)炉管结焦
4)出口温度计安装位置不一致
5)炉管低点有存油
由于装置在正常生产中未存在进出口温差及
偏流等情况，问题是发生在开停工时且以停工时
情况最严重，重新开工正常生产后出口温度又恢
复正常，因此本案中排除2）、3）、4）、5）条原因，
考虑为炉管偏流。本文主要从流体的流型、稳定
性及CFD(计算流体动力学)模拟几方面分析，找出
造成炉管偏流的原因。
1） 流体流型判断
停 工 时 原 料 油 量 为 150t/h ， 氢 气 量 为
116000Nm3/h，此处理量是正常设计值的 40%，两
1）方案Ⅰ 不更改配管，调整气液比来改变流体流型。 在开停工阶段尽量采用较大的氢油比操作，保持
目前停工时原料油量 150t/h 不变，将氢气量提升 至 160000 Nm3/h，此时虽然炉管仍存在偏流，但 其流量足够大，能保证炉管内气液两相流型为环 状流，可改善炉管堵油现象。
表面张力
临界波长λc
/
℃
t/h
Kg/m3
Pa.S
Kg/m3
Pa.S
N/m
正常工况 307
7.825
431.52
6.55E-05
3.197
1.43E-05
1.42E-03
3.65E-03
停工工况 250
7.365
520.31
1.00E-04
3.334
1.33E-05
4.75E-03
6.08E-03
开工工况 90
加氢反应炉炉管偏流原因分析及方案优化
2016 年第 2 期
【工程设计】
加氢反应炉炉管偏流原因分析及方案优化
郑明芳 （镇海石化工程股份有限公司，宁波 315042） 摘要：针对某反应炉炉管偏流导致开停工时各炉管温差大问题从流体流型、流体稳定性、CFD 模拟几方面分析原 因，并对各优化方案进行模拟、对比，找出最优方案。 关键词：炉管偏流，气液两相，流体流型，CFD 模拟，柱塞流 中图分类号：TE966 文献标识码：A
成塞状流。充满整个管道流通面积的液体被气团 用 CFD (计算流体动力学)模拟方法对装置现有配
分割，交替出现断流、大液塞以及强烈的气体脉 管进行建模模拟。分析结果显示，由于总管分支
动，这种塞状流在立式炉管中上下折返流动，极 前直管段短，流体波动性较大，导致管道一分二
易造成堵塞。
时发生分配不均，并且分支管内的流体未得到充
7.89
7.76
停工工况
150
116000
447/277/bad/272
2526
开工工况
70
178000
90/123/97/167
2 问题分析
镇海炼化Ⅵ加氢反应炉为立管炉。柴油和氢
气在管道内高速流动，部分液相会蒸发、分解为
气相，部分气相也会溶解、吸附于液相之中，两