焦化汽油加氢火炬分液罐工艺计算及数值模拟

吕传涛

摘要：火炬分液罐的作用是去除火炬气夹带的凝液和固体，以免带到火炬中，形成火雨。本文简要介绍火炬分液罐的工作原理和分类。以焦化汽油加氢装置火炬分液罐为例进行了工艺计算，运用ANSYS软件数值模拟，分析了液滴直径、泄放温度，长径比对分离效率的影响。

关键词：火炬分液罐；工作原理；设计计算；数值模拟

1 概述

火炬系统是用于处理无法再回收利用的可燃有毒气体或蒸汽的燃烧设施，因石化行业涉及可燃有毒介质较多，处理量较大，且温度压力较高，因此优质可靠的火炬系统对石化行业尤其重要。其作用是移除火炬气中的液体、固体，减少火炬气中的凝液量，以免液滴被夹带到火炬头造成下火雨，有利于火炬系统管网运行，保证火炬安全[1]。

1.1火炬分液罐的分类

火炬分液罐主要分二种，立式罐与卧式罐。立式罐占地面积小，高位架设较方便，且有效气液分离的空间较大，中间的混合层可以连续分离，但液面稳定性小，因此适用于液相含量低，空间狭小的工况。卧式罐适用于液相含量高、气相量大、安装空间大的工况。卧式罐又分单流式与双流式，双流式可减小筒体直径，但会增加罐长度，因此当DK>3.6m时才采用。

1.2火炬分液罐的工作原理

火炬分液罐是利用气液两相的密度差实现气液相的分离，即液滴所受重力大于其气相的浮力时，液滴将从气相中沉降出来，实现气液相的分离。分离器的设计关键在于确定液滴的沉降速度，然后确定分离器的直径[2]。

2 火炬分液罐工艺计算及校核

2.1火炬分液罐计算方法

火炬分液罐的工艺计算主要依据为SH3009-2013。当液滴在分液罐中停留的时间大于或等于液体粒子下落所需的时间，并且流体流速低至允许液滴下落时，液体粒子便分离出来。计算分液罐尺寸前首先需要确定火炬系统的最大排放量。

计算依据：临界分离直径为600um。火炬分液罐积液体积为火炬连续排放25min产生的凝液体积。

卧式火炬分液罐直径需试算，当DSk≤Dk，假定的Dk就是卧式火炬分液罐的直径。

                                                                式2-1

—试算卧式火炬分液罐直径，m；

a罐内液面高度与罐直径比值；

b罐内液体截面积与罐总截面积比值；

—入口气体流量，Nm3/h；

—操作条件下的气体压力，kPa；

—系数，宜取2.5~3.0；

—液滴沉降速度，m/s；

卧式分离罐进出口距离Lk；

式2-2

Dk—假定的分液罐直径，m；

Lk—气体入口至出口的距离，m；

液滴沉降速度计算；

式2-3

g—重力加速度，取9.81m/s2；

—液滴直径，m；

—操作条件下液滴密度，kg/m3；

—操作条件下气体密度，kg/m3；

C—液滴在气体的阻力系数；

罐内液体截面积与罐总面积比值b：

式2-3

—分液罐内储存的凝液体积，m3；

罐内液面高度与罐直径比值a：

式2-4

液滴在气体中的阻力系数C：

式2-4

—气体粘度，cp

Re—雷诺数

二相流的雷诺数由阿基米德准数Ar计算[5]。

式2-4

若Ar≤36；

若36≤Ar≤83000；

若Ar≥83000；

式2-5

计算出卧式火炬分液罐的直径后按下式进行校核，并满足卧式火炬分液罐内最高液面之上气体流动的截面积大于入口管道横截面积的3倍。

卧式火炬分液罐直径≥

式2-6

q—操作条件下入口气体流量，m3/s；

—卧式罐内气体水平流动临界流速，m/s；其值由下图查询。

图2-1 卧式罐内气体水平流动临界流速

2.2 焦化汽油加氢装置火炬分液罐校核计算

下面对焦化汽油加氢装置的火炬分液罐进行校核计算，其操作温度为35~50℃，最高工作压力为50KPa。火炬分液罐尺寸为φ2200×7180mm。

经装置安全阀计算得知，装置最大泄放工况为高压分离器堵塞时。由于液量很少，按照火炬泵连续运行15min要求的液相量计算。

表2-1 火炬分液罐输入参数

1、基本参数输入
T(工况温度，K)	313
P(工况压力，MPa)	0.15
ρ1(液体密度，kg/m3)	665.0
ρ2(工况下气体密度，kg/m3)	0.12
μ(气体粘度，mPa·s)	0.0088
dl(液滴直径，μm)	300
qv(工况下气量，m3/h)	22000
qv(标况下气量，m3/h)	25000
g（重力加速度，m/s2）	9.81
ψ1（分液罐长径比）	2.76
ψ（进出口距离与罐直径比值）	2.12
Dk直径	2.2

表2-2过程参数

2、过程参数
qv(标况下气量，m3/h)	25000
Ar（阿基米德准数）	274.76
ql（罐内积液量）	2.13
a(罐内高度与罐直径比值)	0.15
b(罐内液体截面积与罐总面积比值）	0.09
Vc（临界流速，m/s）	9.20

表2-3火炬分液罐结果输出

3、卧式单流分液罐结果输出
Re（雷诺数）	8.44
C（液滴在气体中的阻力系数）	5.14
Uc（液滴沉降速度，m/s）	2.06
Dsk（卧式分液罐计算直径，m）	1.22
Dk（卧式分液罐选取直径，m）	2.2
L1（进出口管之间的距离，m）	4.7
Ug（气相在罐内速度，m/s）	1.77
tl（液滴停留时间，s）	0.91
tg（气相停留时间，s）	2.63
校核参数	1.66

经过计算，分液罐实际直径Dk>Dsk，气相的停留时间大于液滴的停留时间（气液已完成分离，液滴沉降），且分液罐直径大于校核参数。因此该装置的火炬分液罐设计较合理，满足实际应用。

3.火炬分液罐数值模拟

3.1火炬分液罐模型建立及网格划分

焦化汽油加氢装置火炬分液罐长度为6080mm，进出口之间距离为4680mm，直径为2200mm。采用ansys workbench模块按照此尺寸建模。构体图见下图3-1。

图3-1 焦化汽油加氢装置火炬分液罐构体图

通过构体创建软件得到流体经过的区域时，几何模型流体域建立后用ICEM CFD软件进行网格划分。焦化汽油加氢装置火炬分液罐结构简单，主要依靠重力沉降实现分离。计算时选择雷诺应力模型，采用四面体网格。

图3-2焦化汽油加氢装置火炬分液罐网格图

3.2边界条件及计算方法

计算前处理设置入口(INLET)边界类型为速度入口控制条件，流体介质选为40℃下的氢气，入口流量为22000m3/h。气相含液量为0.5%。入口介质的密度为0.12kg/m3，粘度为0.0088mpa*s。出口(OUTLET)为压力控制条件，排气管压力为50kpa；集液槽排液口不出任何物质，为封闭壁面，气相全部从排气管流出。

选用RSM模型，流体的湍流强度认为是中等湍流强度取5%，壁面均为无滑移光滑壁面。残差为10-5，离散格式采用高阶处理方式，保证计算的准确度。采用局部步长法，加快收敛速度。

3.3粒径等因素对分离效率的影响

图3-3为800，500，100um的液滴直径在焦化汽油加氢装置火炬分液罐内运行25分钟后气液两相体积云图。从图上可以看出，粒径对分离效率的影响非常大，粒径越大越容易分离。

图3-4为焦化汽油加氢装置火炬分液罐内运行25分钟后，不同液滴直径的分离效率图。由图可以看出，随液滴直径的增大，导致重力沉降速度加大，可加快实现气相两相的快速分离[4]。

图3-3焦化汽油加氢装置火炬分液罐不同粒径下气液两相体积分数云图

图3-4 焦化汽油加氢装置火炬分液罐不同粒径下分离效率图

不同泄放温度对焦化汽油加氢装置火炬分液罐气液相分离效率主要是影响气液相的密度和粘度。密度和粘度变化，液滴的浮力变化，沉降速度随之变化，进而影响分离效率。下面考察20℃，40℃，60℃，80℃对分离效率的影响。图3-5为焦化汽油加氢装置火炬分液罐内运行25分钟后，不同温度下的分离效率图。由图可以看出，随着温度的升高，分离效率降低。20℃下分离效率为87.05%，80℃下分离效率为82.45，但是分离效率差距并不大。可见泄放温度对分离效率的影响有限。

图3-5 焦化汽油加氢装置火炬分液罐不同温度下分离效率图

现有焦化汽油加氢装置火炬分液罐长径比为2.76，现将长径比调为2.5和2.9，即焦化汽油加氢装置火炬分液罐筒体长度更改为5500mm和6380mm。其他条件不变的情况下，分离效率见表3-1。长径比对分离效率影响较大，长径比越大，气相的停留时间时间越长，液滴在沉降速度不变的前提下被分离下来的概率越大，即液滴的分离效率越高。但是长径比越大制造成本较高，且安装难度增大。所以火炬分液罐长径比一般在2.5左右。

表3-1 焦化汽油加氢装置火炬分液罐不同长径比下分离效率

长径比/m	2.5	2.76	3.0
气相停留时间/s	2.29	2.63	2.95
分离效率/%	80.28	85.38	88.45

4 结论

焦化汽油加氢火炬分液罐由于气液相密度差距较大，较容易实现分离，可采用单流式卧式火炬分液罐。按照SH3009-2013要求校核焦化汽油加氢火炬分液罐的尺寸结构，现有火炬分液罐满足连续运行25min，液滴直径600um的分离要求。运用数值模拟软件ANSYS综合分析液滴粒径，泄放温度、长径比对分离效率的影响，为后续火炬分液罐设计优化提供理论依据。

参考文献：

[1]牛晓旭，火炬系统分液罐的工艺设计.化工设计，2010(20)；

[2] 罗方敏，化工装置火炬分液罐工艺设计.广东化工，2013；

[3] 石油化工企业燃料气系统和可燃性气体排放系统设计规范 SH/T 3009-2013；

[4] 郑平，分液罐内气液两相流分离效率的数值模拟及优化.石油与天然气化工，2016；

[5] 马兴亮，火炬分液罐设计计算研究.山东化工，2018；