化工装置工艺管路改造的计算机模拟分析

2021-04-25岳广涛曹建尚宇北京航天试验技术研究所北京100074

化工管理 2021年10期

岳广涛，曹建，尚宇(北京航天试验技术研究所，北京 100074)

1 概述

某化工生产装置配备有一个大容积气体储罐作为原料气罐，工作介质为高纯氢气[1]，罐内氢气压力范围为1.1 MPa至1.2 MPa(表压)，工作温度为常温。原有工艺管路为一根DN40的不锈钢管，将罐内高纯氢气连续输送至该化工生产装置的主反应系统，如图1所示。

图1 某化工生产装置工艺管路示意图

后期由于系统改造，在主反应系统之外又新增了一套辅助反应系统，辅助反应系统的氢气供应仍借助于原有的DN40工艺管路。具体改造方案如下，在原有的DN40工艺管路上，选取合适位置加装一个三通，通过三通支路使高纯氢气分流，同时输送至主反应系统和辅助反应系统。根据工艺规程要求，主反应系统中的原料氢气流量有最低限制条件，因此，在加装三通及进行支路分流时，需要充分考虑到氢气分流对主管路流量的影响，从而设计合适的管路改造方案[2-3]。

本文首先利用了比利时LMS公司的AMESim软件进行了该装置管路中氢气流量的仿真计算[4]，随后利用美国ANSYS公司的Fluent软件进行了模拟验证[5]，上述工作优化了管路改造方案，降低了施工过程中的风险成本，具有一定的参考价值。

2 AMESim仿真计算

AMESim软件全称为Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems，最早由1995年的法国Imagine公司推出，2007年被比利时LMS公司收购。作为一种服务于多学科领域的复杂系统建模仿真平台，AMESim软件可以建立复杂的多学科领域的系统模型，并在此基础上进行仿真计算和深入分析，例如研究燃油流动、机械制动、气体冷却等元件或系统的稳态和动态性能。本研究选择了AMESim软件的7.0版开展后续研究工作。

图2 AMESim软件版本说明

首先利用AMESim软件自带的气动模型(Pneumatic Model)搭建与图1中工艺管路示意图相匹配的模型图，如图3所示。图3中的Gas Data作为气体定义模块，定义了一种作为全局变量的气体，本文中为氢气。

图3 AMESim中工艺管路改造的模型图

图3中有3个容性元件，分别代表了气体储罐、主反应系统和辅助反应系统，分别设置了不同的压力和温度参数，确保管道内的气体因压力差而产生流动，其中主反应系统与辅助反应系统之间的压差为0，气体储罐与主反应系统之间的压差设置为0.005 MPa。图3中还有3个阻性元件，用来模拟管路上截止阀的开闭状态。图3中的主管路管径设置为40 mm，而三通处的支路管径作为变量，分别取值为2 mm、4 mm、6 mm、……，直至40 mm，根据实际工作经验，随着支路管径的增加，主管路的氢气流量会受到影响，为了对主管路的氢气流量变化情况进行量化评估，记录了AMESim软件仿真过程中主管路氢气流动的稳态最大值，结果如表1所示。

由表1可知，随着三通支路管径的增加，主管路中的氢气流量和流速均单调下降。同时，根据工艺装置的安全要求，管路内氢气流速的安全范围为低于15 m/s[6]。如果选择在主管路上安装等径三通，并且支路管径也选择为DN40的规格，最终气体储罐总排气量可达到约844 Nm3/h，虽然比原工艺管路的输气量提高了约21%，但是主管路自身的氢气流量下降了约40%，不符合主反应系统的运行限制条件。综上，此次改造拟选用支路管径为DN10的异径三通，在保证支路中有一定氢气流量的同时，使主管路自身的流量波动小于3%，最大限度地降低管路改造对主反应系统的影响。

3 Fluent模拟验证

为了确保此次改造方案一次成功，不留二次施工的隐患，本文还利用Fluent软件对改造三通处的氢气流动情况进行了模拟验证。首先利用面向CFD分析的前处理器GAMBIT软件进行三通的简化几何建模和网格生成，如图4所示，其中主管路通径为40 mm，支路通径为10 mm，建立了非等距的三角网格，尤其加密了支路处的网格，从而更加关注支路处的氢气流动情况。