（流体机械及工程专业论文）基于不平衡度的加氢空冷系统失效分析及优化研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 加氢反应流出物空冷器( r e a c ) 系统属于特种设备，承受高压、临氢和腐 蚀性多相流动等苛刻工况，管束泄漏、爆管等事故时有发生，严重影响企业生产 和装置安全。近年来，在炼油装置大型化、原料油劣质化、运行工况苛刻化的发 展过程中，r e a c 系统的普遍性失效成为倍受关注的焦点。n a c et - 8 委员会、 u o p 公司和a p i 协会调研表明，r e a c 系统的平衡分布至关重要，但现有研究 缺少有关平衡参数的定量计算及其对r e a c 系统失效影响的数据支撑。 本文以扬子石化r e a c 系统的失效案例为研究对象，在典型工况条件下， 结合工艺流程，运用石化工艺流程软件h y s i s 仿真获得了r e a c 系统多相流组 成及物性参数；建立了r e a c 系统结构离散模型，在此基础上提出了r e a c 系 统入口管道及管束不平衡度数学表征方法，并运用c f d 实现了相关定量计算： 结合失效解剖研究，基于不平衡度的角度分析了r e a c 系统的失效原因及危害 源，指出原料油c l 。含量超标、注水不稳定、系统存在不平衡度、选材不当是导 致n h 4 c 1 在入口管箱结晶沉积，进而引起碳钢管束入口端发生严重垢下腐蚀及 局部冲蚀的主要因素。根据以上研究结果，提出合理注水、平衡布置进出口管道、 增设入口管道静态混合器、选用不锈钢衬管、第一管程管束采用3 1 6 l 碳钢复合 管等r e a c 系统工艺、结构、材质优化方案。 本论文提出了r e a c 系统入口管道不平衡度，管束不平衡度、不均匀系数 及极不均度表征方法，在实现相关定量计算的基础上，成功分析了扬子r e a c 系统的失效原因及危害源，所形成的基于不平衡度的r e a c 失效分析及优化研 究方法具有一定的创新性。 关键词：r e a c 系统；流动参数不平衡度；c f d 数值模拟；失效分析；优化设计 浙江理工大学硕士学位论文 t h ef a i l u r ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nr e s e a r c hf o rr e a c s y s t e m b a s e do ni m b a l a n c e - d e g r e e a b s t r a c t a sak i n do fs p e c i a le q u i p m e n t ，r e a c t o re f f l u e n ta i rc o o l e r s ( r e a c ) s y s t e mi s u n d e rc o m p l i c a t e do p e r a t i n gc o n d i t i o n ss u c ha s h i g h - p r e s s u r e ，t h ep r e s e n c eo f h y d r o g e na n dc o r r o s i v em u l t i p h a s ef l o wa n ds oo n t h e r e f o r e ，t h ef a i l u r ea c c i d e n t s u c ha sp i p e s l e a k a g ea n db u r s th a p p e n sf r e q u e n t l y , a n di m p a c t st h ep r o d u c t i o no f e n t e r p r i s e sa n dt h es a f e t yo fe q u i p m e n ts e r i o u s l y i nr e c e n ty e a r s ，t h ee q u i p m e n to fo i l r e f i n i n gi se n l a r g e d ，t h eq u a l i t yo fc r u d eo i li sl o w e r , a n dt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o ni s m o r ec o m p l i c a t e d a l o n gw i t hd e v e l o p m e n to ft h e s ep r o c e s s e s ，t h ef r e q u e n tf a i l u r eo f r e a cs y s t e mh a sb e c o m et h ef o c u so fa t t e n t i o n ag r e a td e a lo fr e s e a r c hh a sb e e n d o n eb yn a c et - 8c o m m i t t e e ，u o pa n da p i ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb a l a n c e d i s t r i b u t i o no fr e a cs y s t e mi sc r u c i a l h o w e v e r , i nc u r r e n ts t u d y , t h eq u a n t i t a t i v e a n a l y s i st ob a l a n c ep a r a m e t e r sa n dt h es u p p o r t i n gd a t ao ft h ei m p a c tf a c t o r st ot h e f a i l u r eo fr e a cs y s t e ma r el a c k i nt h i sp a p e r , r e s e a r c h e rt a k e st h ef a i l u r ec a s eo fy a n g z ir e a cs y s t e ma st h e s t u d yo b j e c t c o m b i n e dw i t ht e c h n o l o g i cp r o c e s s ，t h ec o m p o s i t i o no fm u l t i p h a s ef l o w a n di t sp h y s i c a lp a r a m e t e r si nt h et y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o nw e r eo b t a i n e db y p e t r o c h e m i c a lp r o c e s ss i m u l a t i o ns o f t w a r eh y s i s a tt h es a m et i m e ，ad i s c r e t em o d e l o ft h e s t r u c t u r ei nr e a cs y s t e mw a se s t a b l i s h e d ，t h ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h e i m b a l a n c e - d e g r e eo fi n l e tp i p e l i n e sa n dt u b eb u n d l ew e r ep r e s e n t e db a s e do nt h i s m o d e la n dt h eq u a n t i t a t i v e a n a l y s i s b yc f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sf u l f i l l e d a c c o r d i n gt ot h ea n a t o m i c a lo u t c o m eo ff a i l u r et u b eb u n d l e s ，t h ef a i l u r er e a s o na n d t h eh a r ms o u r c ea b o u ti m b a l a n c e d e g r e eo fr e a cs y s t e mw e r ea l s oa n a l y z e d t h e e x c e s sc o n t e n to fc 1 。i nc r u d eo i l ，u n s t a b l ew a t e ri n j e c t i o n ，t h ei m b a l a n c e - d e g r e e e x i s t i n gi ns y s t e ma n di n a p p r o p r i a t em a t e r i a ls e l e c t i o na r e t h er e a s o n st on h 4 c 1 d e p o s i t so nt h ei n l e to ft a n k s ，w h i c hw i l ll e a dt os e r i o u sf o u l i n gc o r r o s i o na n dp a r t i a l i i 浙江理工大学硕士学位论文 e r o s i o n c o r r o s i o na tt h ee n t r a n c eo fc a r b o ns t e e lt u b eb u n d l e s b a s i n go nt h ea b o v e f i n d i n g s ，t h eo p t i m i z a t i o nm e a s u r e so ft h et e c h n o l o g y , s t r u c t u r ea n dm a t e r i a lo f r e a cs y s t e mw e r ef u r t h e rp r o p o s e d , i n c l u d i n gt h ej u s t i f i e dw a t e ri n j e c t i o n ，t h e b a l a n c e a b l ea r r a n g e m e n to fi n l e ta n do u t l e tp i p e s ，s e t t i n gs t a t i cm i x e ri ni n l e tp i p i n g ， c h o o s i n gs t a i n l e s ss t e e la sm a t e r i a lo fr e a cl i n e rt u b e ，a n du s i n g316c a r b o ns t e e l c o m p o s i t ep i p ei nt h ef i r s tt u b eb u n d l e i nc o n c l u s i o n ，t h ep a p e rs h o w st h ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h ei m b a l a n c e - d e g r e eo f i n l e t p i p e l i n e sa n dt u b eb u n d l e s ，t h ea s y m m e t r yc o e f f i c i e n t a n dt h ee x t r e m e a s y m m e t r y d e g r e e t h ef a i l u r er e a s o na n dt h e h a r ms o u r c ea b o u ty a n g z ir e a c s y s t e mw a sa n a l y z e ds u c c e s s f u l l yo nt h eb a s i so fq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s a n dt h ef i n a l f a i l u r ea n a l y s e sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g no fr e a cs y s t e mb a s e do i li m b a l a n c e d e g r e e h a sc e r t a i ni n n o v a t e k e y w o r d s ：r e a cs y s t e m ；f l o wp a r a m e t e ri m b a l a n c e d e g r e e ；c f dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；f a i l u r ea n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n i i i 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：锄鹚 日期：沙丫年多月，罗日 l 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权浙江理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 保密口，在年解密后使用本版权书。 不保密口 鹪毽 日期：f q 7 年弓月if 日 指导教师签名： 日期： 伽司疡 年弓月d 日 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 自1 9 5 9 年c h e v r o n 公司发明加氢裂化技术以来，经过近五十年的发展，该项技术己 成为国内外石化企业重质油轻质化的核心技术【l 】。作为炼油厂重要的二次加工手段，加氢 裂化反应流出物空冷器( 简称r e a c ) 系统占据着重要地位【2 1 。在炼油装置大型化、原油 劣质化、运行工况苛刻化的发展过程中，r e a c 系统频繁出现管束穿孔泄漏事故，且具有 明显的局部性、突发性和风险性，成为制约行业安全生产与持续健康发展的重要障碍。 r e a c 系统的失效问题由来已久，自加氢工艺投用以来，国际上已发生多起r e a c 腐蚀引发的加氢裂化装置失控的严重事故【】，损失惨重。近年来，随着中东劣质原油的 进口量逐年增大，我国许多炼油装置相继实施了高硫扩能改造，继而发生了多起r e a c 系统管束的穿孔泄漏事故【5 吲。例如：扬子石化加氢裂化经历高硫扩能改造后，自2 0 0 5 年l o 月至次年6 月，先后发生四次由r e a c 管束泄漏引发的非计划停工事故【j 7 1 。为此， 2 0 0 5 2 0 0 7 年间中石化集团曾多次组织技术研讨，并开展全国性调研，调研结果见表1 1 。 表1 1 加氢高压空冷器系统现场调研结果汇总【8 】 年产量( 万吨年) 1 5 0 泄露失效次数6 次 泄露原因腐蚀 流速m s d3 1 k p 值 n h 4 h s 浓度 4 8 6 1 5 0 2 次 腐蚀 2 9 | 4 8 6 1 5 0 1 次 制造 3 5 o 0 7 2 7 1 0 0 3 次 腐蚀 3 o o 1 2 5 1 0 0 7 次 腐蚀 6 o 0 3 8 9 6 续表1 1 加氢高压空冷器系统现场调研结果汇总 年产量( 万吨年) 1 5 0 泄露失效次数 1 次 泄露原因 制造 流速1 1 1 s 。 3 4 k p 值 0 1 n h 4 h s 浓度6 3 9 2 2 0 3 次 腐蚀+ 制造 6 7 0 3 5 1 0 7 1 8 0 1 次 制造 4 5 0 2 3 1 0 1 0 02 0 0 1 次1 次 腐蚀+ 制造腐蚀 5 6 73 3 0 3 5 50 3 5 1 05 浙江理工大学硕士学位论文 为解决r e a c 系统的失效问题，四十多年来，n a c e 1 - 8 委员会、u o p 公司、a p i 协会等通过多次调研，提出将流速、腐蚀因子k p 值和含硫污水中的n h 4 h s 浓度作为控 制r e a c 系统腐蚀的主要参数【9 】。但由于r e a c 系统失效的影响因素众多，且上述失效 控制参数主要来源于腐蚀现象的统计分析结果，在实际应用中存在明显的局限性。2 0 0 4 年前后，在a p i9 3 2 b 【l o 】的影响下，国内外许多石化企业将r e a c 材料升级为i n c o l o y 8 2 5 ， 以提高系统运行周期，但i n c o l o y 8 2 5 价格昂贵( 价格为碳钢材料的l o 倍以上) ，部分企 业难以承受。此外，尽管采用i n c o l o y 8 2 5 能相对提高空冷管束的耐腐蚀性，但亦有管束 泄漏爆管事故的报道。 前期研究发现，r e a c 系统的失效与系统结构特性及多相流流场分布密切相关，r e a c 系统进出口管道的对称设计有助于降低因结构因素造成的腐蚀失效，但迄今尚无法提供因 结构引起流动参数的不平衡度与r e a c 失效的定量关系。面对日趋频繁的r e a c 系统失 效和由此导致的严重后果，本文在前期r e a c 系统失效机理研究的基础上，结合扬子石 化r e a c 系统工艺流程、多相流动特性，提出流动参数不平衡度的表征方法，运用数值 模拟方法定量计算r e a c 系统不平衡度，实现基于不平衡度的加氢空冷系统失效分析， 并提出相应地优化措施。研究成果有望为r e a c 系统的安全、稳定、长周期运行提供保 障，具有重要的学术理论价值和广阔的工程应用前景。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1r e a c 失效研究现状 现代加氢裂化技术源于二战前德国出现的煤和煤焦油高压加氢技术。1 9 5 9 年美国 c h e v r o n 公司率先发明i s o c r a c k i n g 加氢裂化技术，经过近五十年的发展和完善，其应用领 域日益拓宽】，但r e a c 系统频繁失效也一直严重制约着装置的安全运行。为提高r e a c 系统运行周期，国内外许多大专院校、科研院所围绕r e a c 系统的腐蚀开展了大量研究， 有关r e a c 系统失效的国内外研究历程和主要技术进展主要有以下几个方面： ( 1 ) r e a c 系统的腐蚀研究 关于r e a c 系统腐蚀研究已有许多文献涉及【1 2 2 2 1 ，研究表明垢下腐蚀和冲蚀是r e a c 的主要失效表现形式。其中大部分腐蚀失效与反应流出物中的h 2 s 、n h 3 及n h 4 h s 有关， 少量的氯化物、氰化物和氧气以及温度、压力等工况对腐蚀也有较大影响，但通常认为 r e a c 系统的腐蚀与n h 4 h s 、n h 4 c i 盐的沉积垢下腐蚀及反应流出物的流速关系较大。 1 9 7 6 年，r 1 p i e h l 为n a c et - 8 委员会进行了r e a c 系统的腐蚀调研【2 3 1 。r 1 p i e h l 2 浙江理工大学硕士学位论文 收集了4 2 套加氢装置的r e a c 腐蚀实例进行分析，认为r e a c 系统的腐蚀是碱性环境下 的硫化物腐蚀，n h 3 和h 2 s 的浓度及比率非常重要，氯化物、氧气等杂质浓度对r e a c 系统腐蚀有严重影响【砒5 1 。由于r e a c 系统腐蚀的主要形式为冲蚀，控制流速范围有利 于控制r e a c 系统腐蚀失效；但同时指出r e a c 系统腐蚀包括多个互相依赖的可变因素， 单独通过控制流速并不能完全控制r e a c 系统的腐蚀。 在n a c et - 8 委员会调研的基础上，反应流出物的腐蚀问题虽达成共识，但仍是研究 的焦点。1 9 9 6 年，u o p 的h a r v e ya n ds i n g h 对4 6 套相关加氢装置( 总运行时间大于7 0 0 年) 进行了更为深入的调研，进一步研究r e a c 系统腐蚀的经验数据和影响因素【2 6 1 。该 调研通过计算进料量、注水率、转化率、流速、温度、压力和管道流通面积等参数来提供 统一的评定标准，并对每套装置的典型结构进行因素综合评估，同时分析包括k p 值、注 水率、n h 4 h s 浓度对腐蚀的影响。然而，h a r v e ya n ds i n g h 的调研并未形成控制r e a c 腐 蚀的创新准则，不足之处仍在于缺少腐蚀机理的定量分析和对腐蚀位置的准确预测，基于 生产经验提出的r e a c 腐蚀控制方法局限性很大。 2 0 0 2 年和2 0 0 4 年，a p i 总结以往的调研结果，分别推出了r e a c 设计、制造、选材、 运行、检验指南a p i9 3 2 a 、a p i9 3 2 b ，明确提出r e a c 系统管束流速控制在4 6m s 6 1 m s ，k p 值小于o 5 ，n h 4 h s 浓度小于8 ，推荐将材质升级为i n c o l o y 8 2 5 ，可有效 控制r e a c 的腐蚀。但应用中发现，尽管完全按照上述控制参数进行设计，亦不能从根 本上解决r e a c 系统的失效问题。 相对于国外而言，我国关于r e a c 系统的失效研究起步较晚，王德会教授较早的分 析了r e a c 系统中铵盐的沉积与腐蚀问题【2 刀。近年来，伴随着我国加工劣质原油出现的 r e a c 腐蚀失效问题，国内许多学者围绕这一领域开展了较多研究，建树颇丰【2 8 弼】。比 较有代表性的有顾望平、韩建宇、苏国柱等针对茂名r e a c 管束腐蚀现象、腐蚀产物和 现场采集的数据进行了分析，提出通过控制处理量、添加缓蚀剂、改善注水条件来延长空 冷器寿命【3 8 】；胡洋、王昌龄等对齐鲁r e a c 腐蚀泄漏事故进行调查分析，认为添加多 硫化铵缓蚀剂、选用镍基合金可使高压空冷器的腐蚀得到有效控, f i t 3 9 】；沈春夜、偶国富、 俞国庆等【4 0 棚】，经过长期的工程研究和应用实践，认为原料油中的氮、硫、氯含量的升 高是造成r e a c 腐蚀泄漏的危害源，提出通过提高注水量，加强腐蚀监测等延长r e a c 系统的运行寿命。 ( 2 ) r e a c 系统腐蚀模拟实验研究 针对r e a c 系统铵盐的腐蚀问题，d a m i n 和m c c o y 通过搅拌反应釜进行n h 4 h s 腐 浙江理工大学硕士学位论文 蚀试验( n 瞰h s 浓度为1 0 一4 5 ) 。当n h 4 h s 浓度小于3 5 时，碳钢和3 1 6 l 的腐蚀 速率较低，高于这个浓度时，腐蚀速率上升较快。因此，d a m i n 和m c c o y 认为存在一个 临界n h 4 h s 浓度，当其大于3 5 时会形成金属铵络合物，从而剥去金属表面f e s 保护膜。 此外，d a m i n 和m c c o y 还分析了影响h 2 s n h 3 h 2 0 系统腐蚀的其它因素，如流速、p h 值、管束布置等。研究结果表明：流速和p h 值是影响碳钢r e a c 系统腐蚀的主要因素， 流速高，腐蚀产物保护膜会被流体冲破，形成冲刷腐蚀；p h 值8 3 8 9 之间，测试浓度 为l o 4 5 时，n i - h h s 溶液的腐蚀速率见表1 2 。 表1 2 金属在n h 4 h s 溶液中的腐蚀速率【4 4 j 在模拟r e a c 冷凝系统n h 4 h s 的腐蚀实验方面，s c h e r r e r 投建了一个循环回流实验 装置，实验方法是，通过调节n h 3 和h 2 s 的分压，改变流速来测试低碳钢的腐蚀速率【4 5 】， 实验结果见表1 3 。 表1 3 碳钢在n h 4 h s 溶液中的平均腐蚀速率( r a m a 1 ) s c h e r r e r 研究结果表明：在实验温度为6 0 1 0 0 ，n h 4 h s 含量为4 1 0 的条 件下，当流速从3 5m s d 上升到6 5m s o 时，碳钢的腐蚀速率明显增加，腐蚀最严重的情 况出现在较高的n h 4 h s 浓度和流速下，研究表明，铵盐浓度和流速是碳钢r e a c 系统腐 蚀的两个关键参数。在此基础上，r d k a n e ，r j h o r v a t h 等运用离子模型研究了 n h 4 h s 浓度和h 2 s 对p h 值的影响【4 7 1 ，并绘制了h 2 s 分压为3 4 0k p a 、温度5 5 c 的实 验条件下碳钢随n h 4 h s 浓度变化的等腐蚀曲线【4 8 1 。 国内中科院沈阳金属腐蚀研究所郑玉贵、北京科技大学李晓刚等 4 9 - - 5 刁运用线性极化、 4 浙江理工大学硕士学位论文 电化学阻抗谱测试等对不同材料的腐蚀保护膜的腐蚀性能、失效原因及防护措施研究的较 为深入。目前专门从事r e a c 系统腐蚀临界特性测试研究成果较少，比较有代表性的有 浙江理工大学偶国富等搭建了旋转式单相流冲蚀实 装置t s 3 j ( 图11 ) 和环道式多相流沉 积一冲蚀实验装置q ，以2 矿碳钢为研究对象，选择含硫污水运用电化学测试方法模拟 r e a c 系统测试碳钢试件腐蚀产物保护膜的冲蚀临界特性( 图12 ) 。实验结果表明：2 0 “ 钢在单相流试验介质中膜破裂的临界流速为80 3ms 。，临界剪切应力为1 50 p a 。 图1 1 旋转式单相流冲蚀实验装置图1 2 不同转速下的电流- 时间曲线 ( 3 ) r e a c 系统流动腐蚀数值模拟 关于r e a c 系统的流动腐蚀的数值模拟方面，现有研究主要集中在多相流冲蚀破坏 分析，偶国富、徐呜泉等运用流体仿真软件c f d 针对r e a c 系统管束内部流场进行数值 模拟口“删，研究表明：各相态相分率和剪切应力分布的不同，r e a c 系统管束冲蚀破坏 位置及冲蚀速率存在很大差异，水相分率大、剪切应力大的部位恰好是工程实际中穿孔泄 漏的位置( 图13 ) 。南京工业大学的代真等1 6 e - 6 3 1 分析了流体力学因素对r e a c 系统冲刷 腐蚀的影响机制，并提出了相应的防护措施。 躐 罐搏蹰f 。 震：= ： l 撒 酩苷*( a ) 剪切应力 蠛 鬟 聪 麟 磐墨罂! 竺竺鬯翼 图1 3r e a c 流体动力学参数分布 5 f b ) 水相相分率 浙江理工大学硕十学位论文 此外，现有研究发现，r e a c 系统的腐蚀不仅与流速相关，而且与冷却过程中铵盐的 浓度变化及温度变化等密切相关，属于一个多物理场的耦合问题，浙江理工大学许根富、 浙江大学唐萍等人运用a n s y s 、f e m l a b 实现了腐蚀与流动两场耦合作用的数值模拟【5 1 ， 三场甚至多物理场耦合的研究将是未来发展的主要方向。 1 2 2 流场分布不均研究进展 引起加氢裂化换热器、反应流出物空冷器内部流场不均匀分配的因素是多方面的，早 在1 9 9 6 年u o p 对加氢装置的调研时，h a r v e ya n ds i n g h 在肯定r l p i e h l 结论的同时亦 提出结构特性，例如r e a c 系统管束的对称性是影响流动腐蚀的一个关键因素，流速小 于6m s 。1 和n h 4 h s 浓度小于8 的操作限制，仅适用于完全对称布置的碳钢r e a c 管束 系统【6 7 】，如图1 4 所示。一旦因结构因素发生物流分配不平衡，极易引起管束流速的偏 流问题，引起管束冲蚀或堵塞失效。遗憾的是h a r v e ya n ds i n g h 仅提到r e a c 系统对称布 置的重要性，并没有实现物流分配不平衡的定量计算。 矗n 矗n 下丁丁下下下下丁 图1 4r e a c 进出口管系布置图 随着研究的深入和数值模拟技术的发展，许多学者投身于换热器和空冷器的物流分配 特性研究领域，其中焦安军、余敏等将引起板翅式换热器效能降低的原因归结于换热器内 部的温度场、流动场分布不均两大因素【6 8 西9 1 ，并通过数值模拟计算，提出了板翅式换热 器的结构优化方梨7 0 】；曹丽华，郭婷婷等结合壁面函数法，利用s i m p l e c 算法编程，对 3 0 0 m w 汽轮机喉部进行数值模拟，分析了凝汽器喉部出口流场分布的不均匀性和造成流 场不均匀的原斟7 1 】。王松岭，刘阳等采用c f d 技术，对2 0 0 m w 直接空冷机组排汽管道 内水蒸汽流场进行三维数值模拟【_ 7 2 】，认为在直接空冷大直径排汽管道内的弯头和三通等 处安装导流叶，有利于管道内阻力和工质的均匀分布。此外，随着r e a c 技术的发展， 其结构亦在不断改进，如翅片管入口设衬管，管束数量为2 n 等，一定程度上对于降低r e a c 管束的失效起到了积极效果。目前a p i9 3 2 一b 在定性分析的基础上，提出r e a c 系统进、 出口管道对称布置有助于防止流动的偏流，降低系统的失效风险，但对于结构特性引起的 6 浙江理工大学硕士学位论文 流动参数不平衡对r e a c 系统失效的影响未能实现定量分析。换言之，基于不平衡度的 r e a c 系统失效分析及优化研究尚处于起步阶段。 1 3 本文主要研究内容 为实现r e a c 系统的闭环管理，建立和完善r e a c 系统失效控制体系，本论文针对 扬子r e a c 系统的失效案例，提出r e a c 系统不平衡度表征方法，开展r e a c 系统入口 管道、管束流场分布的流体动力学分析，定量计算流量、流速、相分率的不平衡度分布规 律；结合失效案例的解剖研究，实现基于不平衡度的r e a c 失效分析及优化研究。本论 文主要包括以下研究内容： 第一章阐述r e a c 系统失效背景及本文的研究意义；综述国内外r e a c 系统失效机 理、数值模拟、腐蚀实验、流场分布分配不均等方面的研究现状及发展趋势，并结合r e a c 失效案例和现代数值模拟技术，确定了本文的技术路线和研究内容。 第二章结合扬子石化r e a c 系统的实际工艺流程，选择典型工况的原始操作数据， 运用国际通用的石化工艺流程软件h y s i s 进行理论建模和仿真计算，给出典型工况下反 应流出物三相流物性参数，为c f d 分析提供基础数据和量化分析依据。 第三章针对r e a c 系统及相连工艺管道的结构特性、运行工况及流体物性等特点， 进行流体动力学理论的建模分析。选择科学的湍流计算模型，给出边界条件的处理及网格 划分方法，为后续进行r e a c 系统的c f d 仿真计算提供理论背景和研究基础。 第四章建立扬子r e a c 系统结构离散模型，提出入口管道不平衡度，管束不平衡度、 不均匀系数及极不均度数学模型，运用c f d 通用软件f l u e n t 定量分析流量、流速、相 分率等流动参数的不平衡度分布规律。 第五章分析反应流出物腐蚀特性及碳钢r e a c 管束失效机理，结合不平衡度仿真和 失效案例解剖研究结果，实现基于不平衡度的r e a c 失效分析；在失效原因及危害源分 析的基础上，提出r e a c 系统工艺、结构、材质等优化方案； 第六章对全文进行总结并对后续研究进行展望。 7 浙江理工大学硕士学位论文 第二章典型r e a c 系统物性参数仿真 扬子石化加氢裂化装置采用石油化工科学研究院r m c 专利技术，规模为1 0 0 万吨 年，反应压力为1 1 2m p a ，设计原料油s 含量牛2 5 、n 含量：k 1 0 0 0p p m ，c 1 牛lp p m 。 随着中东高硫原料油加工量的不断增加，原料油的c 1 。含量变化幅度很大，平均为3 4p p m ( 最高达1 0 7p p m ) 。本章主要根据扬子石化加氢裂化r e a c 系统的工艺流程，选择典型 运行工况和操作数据，运用石化工艺流程软件h y s i s 进行物性参数仿真，为后续的c f d 建模和仿真计算提供基础数据。 2 1r e a c 系统工艺及结构 2 1 1r e a c 工艺流程 扬子石化r e a c 系统工艺流程如图2 1 所示，反应流出物经r e a c 系统冷却后进入 高压分离器进行三相分离，气相为循环氢，水相为酸性水( 高分污水) 、油相为高分油。 高分油进入低压分离器继续分离，气相为低分干气，油相为低分油。在高压空冷器a 一5 3 1 0 1 前共有4 台换热器，其中在第四台换热器e 前后设有工艺注水点。 低分水 图2 1r e a c 系统工艺流程 2 1 2r e a c 结构及配管 r e a c 系统型号为g p 9 3 - 6 1 9 3 1 3 1 s 2 3 4 ，由八台空冷器( a 5 3 1 0 1 a h ) 集合管对 称并联布置。管箱材质1 6 m n r ( h i c ) ，基管( a 0 2 5 3m m ) 材质为1 0 撑碳钢，衬管( 西1 8 5 o 7 5 6 0 0m m ) 材质为钛，每台空冷器均分三管程，每一管程均由上下两排数量分别 浙江理工大学硕士学位论文 为4 6 、4 5 根的翅片管组成空冷器结构简图如图2 2 所示。 巷 蠢 e 二二二 三二# l 图2 2 空冷器结构简图 为确保r e a c 系统管箱入口油、气、水多相流体的分布平衡，防止偏流而引起多相 流冲蚀或堵塞，r e a c 系统入口管道采用对称布置方式，如图2 3 所示。 2 2 典型工况及工艺参数 图2 3r e a c 系统入口管道配管 根据扬子石化加氢裂化装置的设计条件和实际运行情况，选择2 0 0 60 32 7 。 2 0 0 60 42 7 加工高硫原油时问段作为典型工况，进行物性参数的仿真计算。循环氢工况及 鬃 誊 浙江理工大学硕士学位论文 组成见表2 1 ，高分污水工况及组成见表2 2 ，低分干气工况及组成见表2 3 ，低分油工况 及组成见表2 4 。 表2 1 循环氢工况及组成 工况组成 流量t h 温度压力i v i p a n h 4 t i s p hs m g 1 1 1 05 01 1 21 17 81 1 5 5 6 表2 3 低分干气工况及组成 工况 组成 流量n m 3 h 。1 温度压力m p a 氢气甲烷乙烷丙烷异正丁烷 c 5h 2 s 1 5 0 0 05 01 55 82 6 62 62 72 80 74 8 表2 4 低分油工况及组成 2 3 反应流出物的物性参数计算 2 3 1h y s i s 理论建模 h y s i s 中的性质包可以预测轻烃系统、复杂油品的混合物以及高度非理想的化学体 系的性质。对于烃类系统，h y s i s 提供了p r 和p r s v 状态方程进行严格的模拟。对于石 油、天然气和石油化工产品，推荐使用p e n g r o b i n s o n ( p r ) 状态方程。对于单相、两相 和三相体系都可以进行严格的解算，并提供h y s i s 中每一个可用的性质方法。包括状态 方程、活度模型、以经验方法为基础的c h a o s e a d e r 方法、蒸汽压模型和其他方法。 ( 1 ) 状态方程 h y s i s 提供强化的p e n g r o b i n s o n ( p r ) 状态方程( e o s ) ，可直接生成所需的平衡性质 和热力学性质。p r 性质包含所有库组分烃非烃二元对的交互作用参数；对于非库组分或 烃类虚拟组分，h y s i s 可自动生成h c h c 交互作用参数，用于改进气液平衡性质的预测。 1 0 翟需 浙江理工大学硕士学位论文 在p r 状态方程中，其功能应用于某些特殊的组分组分交互作用参数。 p e n g r o b i n s o n 其中： 尺r口p = l v b v ( v + b ) + b ( y - b ) 2 - ( 1 ) z 2 + ( a - 2 b 一3 8 2 ) z 一( a b b 2 一b 3 ) = d2 ( 2 ) ；朋7 7 争 a a = 0 4 5 7 2 3 5 ( r 屹t c ) - - - 堕2 ；。j = 1 + ( 1 一死) ；他= 。3 7 6 4 6 + 1 5 4 2 2 6 嘭：；彳= 丽a p ；b = 筹 ( 2 ) l e ek e s l e rp l o c k e r 方程 l e ek e s l e rp l o c k e r 方程是应用于非极性物质和混合物的通用方程。p l o c k e r 将l e e k e s t e r 方程应用于混合物，而l e ek e s t e r 方程本身则是由b w r 方程改进而来。 压缩因子由下式确定： z = z ( 。十丽c o ( z ( r ) 一) r j 、 7 z ：旦：孕：z ( t r ，v4 )rt一一一一一么a l ，z 一7 “ 2 - ( 3 ) 2 - ( 4 ) 川+ 詈+ 参+ 参+ 嘉p 舟p 斟 2 邗， 热v 2 嚣岛一寺专 7 ) = 0 3 9 7 8 。 虚拟临界性质的混合规则如下： c2 q 专事；。= 4 + 睾；= o ； 乙= 斟莩弘识 式中：毛= z ，；= 乃；= ( 毛弓) 1 2 乃；= x , x y 。u ； i j 2 - ( 6 ) 驴毛鲁；l i o 2 蝤一o 8 。5 僻；乞= 誓；z 。= 0 2 9 0 5 - 0 0 8 5 蛾；= ；_ 嘭 混合物的临界性质定义如下： q = q 、- 、 巧 一 op 吩 q，l 0 t 闰 矧 = 口 岛t 商 = 6 p l 一3 + 一3，屹 l 1 8 = 一f 巳 浙江理工大学硕士学位论文 国= 五彩 = 1 z c i = 0 2 9 0 5 0 0 8 5 1 q 2 - ( 7 ) 2 - ( 8 ) 圪= 警 2 巾， 圪= 吾搿孝+ 孝) 3 2 m 。， c = 壶善n 善n 薯- ( ；+ ； 3 ( 瓦毛) o 5 2 m 1 ， = ( 0 2 9 0 5 - 0 0 8 5 动等 2 - ( 1 2 ) 对于给定相，h y s i s 计算的物理性质和传递函数是粘度、密度、导热系数和表面张 力。对于三相流体，h y s i s 用经验的混合规则来确定综合液相的表观性质。 ( 3 ) 液体密度 饱和液体体积用r w h a n k i s o n 和g h t h o m p s o n 开发的对应状态方程计算，该方程将 纯组分的液体体积直接与其对比体积和作为第二参数项的特征体积关联起来，目前该方法 已被a p i 接受。对应状态体积密度( c o s t a l d ) 计算中所需要的纯组分参数取自h a n k i n s o n 和t h o m p s o n 的原表。h y s i s 的库组分采用a p i 数据手册，非库存组分的参数基于a p i 重度和通用化的l u 方程。虽然c o s t a l d 方法用于饱和液体，但它也可以应用于过冷液 体，即压力大于其蒸汽压的密度计算，仅需对c h u e h 和p r a u s n i t z 关系式进行可压缩液体 校正即可。对于假对比温度低于1 的所有系统，用改进的c o s t a l d 模型来预测其密度， 高于这个温度时，用状态方程的压缩因子来计算。 对油品表征部分形成的虚拟组分，用内部关系式计算或由输出的曲线生成，给出总的 密度( p ) ，调整虚拟组分的密度，使： p = 1 07 x f p i2 - 0 3 ) ( 4 ) 蒸汽密度 对于所有给定温度和压力下蒸汽系统的密度，都用状态方程或与活度模型相应的蒸汽 相模型所给出的压缩因子进行计算。 ( 5 ) 粘度 浙江理工大学硕士学位论文 h y s i s 能够自动选择最适合所研究体系相粘度的预测模型，h y s i s 将按照表2 5 选 择合适模型。 表2 5 粘度预测模型 所有的模型都基于对应的状态原理，并提高了可靠性。对于轻烃液相和气相粘度的预 测，用改进的e l y - h a n l e y 内部模型处理更可靠。 所有库组分的形状因子常数都已经回归，并储存在纯组分性质中，虚拟组分的形状因 子常用估算的粘度进行回归，其中粘度估算值是虚拟组分基础性质和临界性质的函数。 在油品表征环境中产生的虚拟组分将形状因子进行回归、拟合运动粘度和动力粘度。 ( 6 ) 导热系数 对于烃类体系一般采用e l y 和h a n l e y 提出的对应方法，该方法需要对应组分的分子 量、偏心因子和理想热容。粘度程序计算中的形状因子被直接用在导热系数方程中。对于 两液相混合物的导热系数则用混合法近似，即由经验混合规则生成虚拟单一液相的性质。 不互溶二元液相导热系数由下式计算： k e = k h 。o c o 2 - ( 1 4 ) 式中：t e r m l = i 磊- l h , o；t e r m 2 = i i l l o i i ；也= 表观导热系数；k o i l - 油相导热系 数；，d = 水相导热系数 ( 7 ) 表面张力 烃类系统的表面张力由改进的b r o c k b i r d 方程计算，该方程将组分的表面张力表示 为对比性质和临界性质的函数。 三! 莎= 3 t 3 q ( 1 一乙) 2 b 2 - ( 1 5 ) 式中：盯：表面张力雩芋l ；q ：0 1 2 0 7