（机械电子工程专业论文）加氢空冷系统氯化铵沉积机理及多场耦合数值模拟.pdf

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p e r i o do p e r a t i o no fr e a c t h em a i ni n n o v a t i o ni nt h i sp a p e ri s ( 1 ) m u l t i - p h y s i c sc o u p l e dm o d e lo fd e p o s i t i o ni n n i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义l 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 加氢反应空冷器失效与控制现状3 1 2 2 铵盐沉积失效预测研究综述6 1 2 3 多物理场耦合研究综述7 1 3 主要研究内容。一8 第二章加氢空冷系统过程分析及氯化铵沉积机理1 0 2 1 加氢空冷系统过程分析1 0 2 1 1 典型工况及物性参数确定10 2 1 2 氯化铵沉积失效的多物理场耦合过程1 2 2 1 - 3 氯化铵沉积失效形式1 8 2 2 氯化铵沉积机理18 2 2 1 氯化铵结晶过程1 8 2 2 2 氯化铵沉积机理1 9 2 3 本章小结2 0 第三章氯化铵盐结晶沉积过程的多物理场耦合建模与仿真2 1 3 1 多物理场耦合作用下氯化铵结晶沉积数理建模2 1 3 1 1 流动场2l 3 1 2 温度场2 4 3 1 3 浓度场2 8 3 1 4 各场间的耦合关系3 0 3 2 仿真计算31 3 2 1 计算方法与步骤3l 3 2 2 基管的结构特性3 2 3 2 3 几何建模与网格划分3 4 3 2 4 边界条件3 5 i 、， 3 2 5 耦合变量自定义函数3 8 3 3 结果分析。4 0 3 4 失效案例解剖分析4 3 3 5 本章小结4 5 第四章氯化铵沉积失效影响因素及失效规律分析4 6 4 1 原料杂质含量的影响4 6 4 1 1n 含量的影响4 6 4 1 2c l 含量的影响4 9 4 2 运行工况的影响5l 4 2 1 操作压力的影响5 1 4 2 2 入口温度的影响：51 4 2 3 处理量的影响5 2 4 2 4 注水量的影响5 2 4 - 3 优化运行方案5 4 4 4 本章小结5 4 第五章总结与展望5 5 5 1 本文研究工作总结5 5 5 2 研究展望5 6 参考文献5 8 致谢6 4 攻读硕士学位期间的研究成果及发表的学术论文6 5 v 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 石油化工作为我国的战略性、基础性产业，具有产业链长、附加值高、牵动力强的特 点，与国民经济发展息息相关。众所周知，石油化工是在高温、高压、易燃、易爆、腐蚀 及有毒条件下进行的连续化大生产，加氢裂化装置是石油化工的核心装置，而加氢空冷系 统是加氢装置的重要特种设备系统，其管柬中输送的介质成分复杂，且具有腐蚀性，随着 运行时间的增加，管束泄漏、爆炸、火灾及中毒事故时有发生，对企业生产、周边环境和 群众生命财产造成严重的影响。 近年来，随着中东高硫原油进口量的逐年增大，我国石化企业的加氢裂化装置相继进 行了高硫扩能改造，随之发生了多起因反应流出物空冷器( r e a c t o re f f l u e n ta i rc o o l e r s ， 粼) 系统腐蚀泄漏、穿孔爆管引发的非计划停工及着火死亡等安全事故。其中，由易 结晶介质流动沉积引发的垢下腐蚀是导致事故的主要因素之一，且具有明显的局部性、突 发性和风险性，不仅影响了企业的生产计划、成本与效益，而且还威胁着节能、环保与安 全，成为制约企业安全生产与行业持续发展的重要障碍。2 0 0 6 年中国石化集团公司针对 系统内部加氢装置高压空冷器系统的普遍失效问题进行了调研【1 2 】，调研结果如表1 1 所 示：金陵石化、茂名石化、扬子石化等多套加氢裂化r e a c 系统的失效均与工艺过程中 形成n h 4 c i 介质的结晶沉积有关。经过对比分析，认为这一系统的铵盐沉积腐蚀失效比 多相流冲蚀失效的风险更大，但迄今为止，因为n h 4 c 1 的结晶沉积规律无法预测与控制， r e a c 系统的非计划停工还是持续发生。仅2 0 0 8 年至今，镇海炼化、扬子石化两企业的 加氢裂化r e a c 管束泄漏、爆管就达6 次之多。国务院、国家质量监督检验检疫总局、 中石化等部门相继出台相关规程及管理要求1 3 - 9 1 ，全力控制加氢空冷系统管束事故频发的 被动局面。尽管使用单位和质检部门对空冷器的管理非常重视且日益规范，但面对过程工 业条件的日益苛刻化及输送系统的日益复杂化，空冷器管束的失效事故至今未得到根本性 的遏制。要彻底解决此类难题，必须通过基础理论体系的突破，准确把握腐蚀性多相流冲 蚀临界特性与结晶沉积腐蚀临界特性，才能从根本上保障加氢空冷系统的运行可靠性。 泄露原因 流：速，i n s 1 腐蚀 3 1 l ( p 值一 腐蚀制造 2 9 3 5 0 0 7 腐蚀 3 o o 1 腐蚀 6 o o 3 8 n h 4 h s 浓度 4 8 64 8 62 72 59 6 r e a c 系统的流动腐蚀在国际上同样具有普遍性，四十多年来，n a c et - 8 委员会、 u o p 公司、a p i 协会先后进行了大量调研，根据统计数据及操作运行经验先后形成了国 际上通用的r e a c 系统设计、制造、运行和检验标准a p l 9 3 2 at j 、a p i9 3 2 b1 1 2 j 及相应 的风险检验标准a p i5 8 1 1 3 l ，提出通过运用n h 4 h s 浓度、腐蚀因子k p 值和流速等参数 来控制此类腐蚀问题，但由于r e a c 系统腐蚀工况苛刻、运行过程多变、失效机理复杂， 尽管按照上述标准进行设计，r e a c 管束的失效仍然没有得到根本性的控制u 引。 针对以上情况，本文以多物理场耦合为理论基础，全面分析加氢裂化反应流出物空冷 器系统的氯化铵沉积失效过程；在深入研究氯化铵沉积失效机理的基础上，探讨流动场、 2 硕士学位论文 温度场和浓度场之间的耦合作用，建立相应的多物理场耦合数理模型，进行数值模拟定量 预测管束内氯化铵沉积失效部位，并进一步研究原料杂质含量以及运行工况条件对氯化铵 沉积失效的影响，最终实现在役r e a c 系统氯化铵沉积失效的定量预测和检测定位，切 实提高检测预防的准确率，保障r e a c 系统安全、高效、长周期运行，经济效益和社会 效益显著，具有重大的学术理论价值与工程应用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 加氢反应空冷器失效与控制现状 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，经过近五十余年的发展和完善，其应用 领域日益拓宽1 1 6 1 ，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 7 羽，研究表明垢下腐蚀和冲蚀是r e a c 系统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，含量较少的氯化物、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 1 盐的结晶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 引。r 1 p i e h l 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 2 9 - 3 0 | 。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【3 。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 3 硕士学位论文 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 一a 、a p i9 3 2 一b ，明确提出r e a c 系统管束流速控制在4 6 6 1m - s - 1 ， k p 值小于0 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阎。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【3 3 4 0 l 。比较 有代表性的有顾望平、韩建宇、苏国柱等人针对茂名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 冷器寿命一1 4 3 1 ；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制1 ；沈春夜、偶国富、 俞国庆等h 5 4 8 1 ，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 a h s 腐 蚀试验( n h 4 h s 浓度为1 0 4 5 ) 。当n h 4 h s 浓度小于3 5 时，碳钢和3 1 6l 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1 0 4 5 时，n i - 1 4 h s 溶液的腐蚀速率如表1 2 所示。 4 硕士学位论文 表1 2 金属在n i t 4 h s 溶液中的腐蚀速率4 i 在模拟r e a c 冷凝系统n h 4 h s 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，通过调节n i - 1 3 和h 2 s 的分压，改变流速来测试低碳钢的腐蚀速率5 0 1 ，实验结果如表 1 3 所示。 表1 3 碳钢在n n 4 n s 溶液中的腐蚀速率 n i - 1 4 h s 含量6 0 1 0 0 c 时碳钢的平均腐蚀率m a - 1 s c h e r r e r 研究结果表明：在4 1 0 浓度下，当流速从3 5i n s 1 上升到6 5m s - 1 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 i - 1 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 s l - s 2 】，并绘制 了h 2 s 分压为3 4 0k p a 、温度5 5 的实验条件下碳钢随n h 4 h s 浓度变化的等腐蚀曲纠5 3 l 。 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 s a - s t l 运用线性极化、 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验装置【5 8 】和环道式多相流沉积冲蚀实 验装置【5 9 1 ，以2 0 # 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 气 硕士学位论文 试碳钢试件腐蚀产物保护膜的冲蚀临界特性。 实验结果表明：2 0 4 钢在单相流试验介质中膜破裂的临界流速为8 0 3m s ，临界剪切 应力为1 5 0 p a 。 综上所述，空冷器失效研究主要集中在冲蚀失效上，采用控制流体流速、g p 、n h 4 h s 浓度和提高材质来减轻冲蚀，用实验研究来预测冲蚀失效。但是对在流速慢时的铵盐沉积 失效研究较少，缺乏系统性。 1 2 2 铵盐沉积失效预测研究综述 反应流出物空冷系统的腐蚀失效是制约装置安全、稳定长期运行的瓶颈问题，始终是 国内外行业专家、学者及工程应用人员研究的焦点。基于工程应用的特点，失效案例的现 场调研一直是研究者选用的研究手段之一，a p i ，u o p ，n a c e 及国内的中石化集团都组 织了多次大规模的现场调研。根据现场的工艺条件，对在役装置的运行及腐蚀情况进行 跟踪记录、统计分析，以统计规律指导生产，形成行业规范和标准( 如a p l 9 3 2 一a ，a p l 9 3 2 b 以及我国在这两个标准指导下建立的各类标准和规范等) ，成为r e a c 设计、选材、制造、 运行和检验的依据。采取的防护措施基本上都是通过降低n 、c l 等杂质元素含量、调整 注水量、调节流速、控制g p 来防止氯化铵沉积堵塞。k p 值控制在o 3 之内，多相流流速 控制在4 6 6 1m s 1 之间。当流速高于6 1m s - 1 时，易发生冲蚀失效，当流速低于4 6m s 1 时，易发生铵盐沉积堵塞失效。 含易结晶组分的多相流管道的流动沉积特性研究目前还比较少。北京科技大学于皓等 人 6 0 l 针对钢铁管道内针状铁氧体的沉积行为，运用透射电镜术和x 射线光谱测试技术，指 出碳氮化物沉积是其工艺条件下的主要沉积过程；中国石化集团从德胜等人【6 l 】为解决原油 管道蜡沉积问题，基于沉积的危害、测试及影响因素提出了原油管道防蜡、脱蜡和清蜡的 措施。东华大学任毅、亢燕铭等人【6 2 1 采用数值方法模拟矩形弯头中的气溶胶粒子沉积规律， 得出粒子沉积率随弯曲比和粒子s t o k e s 数的增加而上升，湍流扩散时小粒子沉积影响明显， 但大粒子在弯头内的沉积主要受惯性作用控制的结论。针对加氢r e a c 系统，研究表明， n h 4 h s 和n h 4 c 1 流动沉积是引发其频繁失效的重要因素。对于n h 4 h s 的冲蚀失效，c a y a r d m s 等 6 3 - 6 4 提出相关的失效预测和评估方法；d k a n e 结合实验分析，提出将h 2 s 分压 作为评估溶液腐蚀性的重要指标6 5 1 ；对于n h 4 c i 的结晶规律，p a u l op i oa l v i s i 等人嘶7 】 针对换热器管束n h 4 c i 沉积进行失效分析，提出应控制原料中氯含量以减轻腐蚀。最新的 研究成果表吲鹋】，含易结晶组分的多相流管道系统流动沉积机理不仅与多相流及易结晶介 质的物性相关，而且与工艺过程、管道结构特性和多相流动场分布相关，受温度场、浓度 6 硕士学位论文 场及流动场等综合因素的影响，属于多物理场的耦合问题。 以上研究为加氢反应流出物系统的腐蚀防护提供了新技术和新方法，有力的推动了防 腐蚀技术水平的进一步提高，多关注在原料杂质含量的控制和管束材料的升级上，但也存 在不足之处。依据现场调研结果制定的标准和规范，来源于失效案列的统计规律，缺少理 论研究的依据和指导，在许多实例中没有可操作性。同理，在此类标准、规范指导下建立 的各种风险评估技术和失效控制体系具有本质的上的不合理性和不完善性；由于原料油中 s 的含量远远高于c l 的含量，使得研究者在研究铵盐沉积腐蚀机理时，把研究的重心集中 于n h 4 h s ，n i - 1 4 c i 的腐蚀作用的重视程度不够，而且研究也只是对腐蚀产生的原因进行定 性分析，缺少定量的研究结果，也没有研究腐蚀的主体铵盐的形成、沉积机理，所以不能 实现铵盐沉积腐蚀的源头控制。实际上，加氢空冷系统的环境体系本身也是一个温度场、 流动场和浓度场耦合的多物理场，铵盐的沉积过程是一个复杂的动态过程，这种多物理场 耦合作用下铵盐沉积的数值模拟研究目前基本还没有涉及。 1 2 3 多物理场耦合研究综述 多物理场耦合是由两个或两个以上的场通过交互作用而形成的物理现象【6 9 1 ，它在客观 世界和工程应用中广泛存在。随着制造工业对热能和机械能的应用量级不断突破自己的极 限，电磁能、微波、化学能和生物能等超越传统领域的能量形式相继引入工业过程r 7 0 】，多场 耦合现象表现得越来越显著，也引起了越来越多的研究者的关注r ”】。 多物理场耦合问题最初是在研究航空领域的气动弹性问题时被提出来的，2 0 世纪2 0 年 代，由于飞机在飞行时，机翼经常发生突然断裂，使得科学家开始有目的研究气动弹性问 题1 7 2 1 。随着航空工业的迅猛发展，2 0 世纪3 0 年代到7 0 年代，科学家对气动弹性问题中的多 物理场耦合问题进行了探索，直到2 0 世纪8 0 年代，研究者从实验中发现热变形对热流有较 大的影响，证明了气动与热变化存在着耦合关系，从而将流动、传热和能量转换作为耦合 的整体来研究。 有关电、磁、热、弹性耦合问题由鼬1 0 p o f 和c h a d 州c k 提出，f l 了k a l i s k i 等进一步推动发 展。在地球物理学、生物物理学等方面，电、磁、热、压电、弹性耦合问题得到广泛的应 用。早期的研究( 2 0 世纪6 0 年代以前) 都是在传统的热弹性理论的基础上进行的。其中 k a l i s k i 、n o w a e k i 、n a s s a l a s 、d a l m a n g a s 、p a d 瘌p u r u s h o t h a m a 等研究者做出了卓越的贡献。 随着微电子机械系统功能的集成日益增强，各种能量域包括热、电磁、流体、机械等相互 作用，使m e m s 的仿真与建模越来越复杂。同时在微极理论下，e i - ka r a m a n l 7 3 1 研究了线性 7 硕士学位论文 微极性热粘弹性问题的解的唯一性和互易定理；p a s s a m l l a 7 4 】对微极性热弹性理论进行了总 结：s i n g h i 尊 7 5 1 研究了线性粘弹性固体和微极性弹性固体界面处的微极性弹性波的反射和折 射问题；k u m a r 掣7 6 】在无能量耗散的热弹性理论下研究了微极性平面波的传播问题。 有关流固耦合的多物理场问题在2 0 世纪7 0 年代才开始研究，也取得了不少成就。张 立翔【7 7 1 结合管道系统，在流体结构互动的基础理论、计算方法、试验以及工程应用等方面 作了大量的工作；张升明、吴士冲【7 8 j 以流体附加压力作为基本未知数，利用极值原理建立 离散形式的流体运动方程，分析了弹性结构与流体相互作用的耦合振动问题，建立了流固 耦合振动的一般方程式，并编制了相应的计算程序，对储液器进行了水弹性分析。随着计 算机技术的发展，多物理场耦合问题受到了普遍的重视，与之相应，多物理场耦合问题逐 渐成为工程设计中越来越重要的问题。 近几年来，随着计算机软件技术的发展，专业的多场耦合软件也相继研发成功，耦合 算法也相继出现，陈军、莫则克提出了多物理场数值模拟中的并行耦合方法【7 9 】：莫则克提 出了多物理场模拟中的联接耦合算法【8 0 】；宋少云提出了求解瞬态和稳态耦合场的协同仿真 方法【引- 8 2 。 目前多物理场耦合方法正沿着三个方向发展：一是在满足计算速度要求的前提下尽可 能提高多物理场耦合预测的可信度，这一方法主要通过对所要分析的物理问题进行充分的 简化，来达到优化设计所需的时间要求，可以称“优化设计 ；二是在尽可能高的可信度 下，提高计算速度，这一方法主要通过对几种典型的工况进行设计分析，从中选择最优的 设计，可称为“择优设计”；三是随着研究的不断深入，多物理场耦合会越来越复杂，如 在叶轮机械中的会涉及气动、结构、传热的三场耦合，在加氢空冷系统中会涉及浓度场、 温度场、流动场的三场耦合等，多场耦合将是以后研究的方向。 无论哪种发展方向，高的速度、稳定性、计算结果的可信度，都是多物理场耦合问题 的目标。因此，并行化、全三维、非定常是未来求解多物理场耦合问题的必然趋势。 1 3 主要研究内容 能源是社会、经济发展的基础，炼油企业是能源工业的重要支撑，加氢裂化是石化企 业的重要工艺，而r e a c 系统是其核心炼油设备系统。本文拟围绕r e a c 系统中管束的氯 化铵结晶沉积失效问题，在深入研究多物理场耦合作用下氯化铵结晶沉积失效机理的基础 上分析流动场、温度场和浓度场之间的耦合作用和各场间耦合变量关系，构建氯化铵沉积 失效的多物理场耦合数理模型，运用c f d 软件及其u d f 功能，开展氯化铵沉积破坏的多 8 硕十学位论文 物理场数值模拟，确定管束内氯化铵沉积失效部位。结合失效案例解剖分析结果，验证多 物理场耦合数值模拟方法的可靠性，并在此基础上分析原料中n 、c l 含量以及运行中操作 压力、入口温度、处理量和注水量对对氯化铵沉积位置的影响，实现在役r e a c 系统的氯 化铵沉积失效预测和监控定位以及指导注水量、流体流速等优化运行，做好预见性的更换 和调整，确保整个r e a c 系统的高效安全长周期运行。本论文主要研究内容包括： 第一章分析r e a c 系统氯化铵沉积失效研究意义；阐述加氢反应空冷器失效与控制 现状；综述铵盐沉积失效研究现状和多物理场耦合的研究进展及其发展趋势；确立本文的 技术路线和研究内容。 第二章选取典型工况，运用石化工艺流程模拟软件进行工艺流程仿真计算，获得多 相流的物性参数，分析n h 3 、h c i 和n 】瞰c l 在气、油、水三相中摩尔流量随温度的变化规 律，并根据气相中n h 3 和h c l 的分压，获得n h 4 c l 结晶温度系数k p ，结合氯化铵经典结 晶温度曲线，确定氯化铵结晶温度，分析氯化铵沉积失效的多物理场耦合过程，研究氯化 铵在多物理场耦合作用下的沉积失效机理。 第三章分析了流动场、温度场和浓度场中耦合变量之间的关系，建立了多物理场耦 合作用下的氯化铵沉积数理模型；针对r e a c 系统实际工艺条件、结构特性和各场间耦合 变量关系特性参数，运用c f d 软件及其u d f 功能，进行结构离散和多物理场耦合数值模 拟，获得了管束内多相流温度分布及各相的分布规律和氯化铵的沉积分布规律，确定氯化 铵沉积失效危险区域；并结合失效案例解剖实验数据验证数值模拟方法的可靠性。 第四章对比分析原料中n 和c l 含量以及运行中操作压力、入口温度、处理量和注水 量等影响因素对氯化铵沉积失效的影响，并总结在役r e a c 系统的优化运行方案，为r e a c 专家诊断系统开发提供依据。 第五章对全文进行总结并对后续研究进行展望。 9 硕士学位论文 第二章加氢空冷系统过程分析及氯化铵沉积机理 空冷系统中氯化铵沉积失效与空冷器入口反应流出物的物性参数、流体动力学参数和 氯化铵结晶温度存在很大联系。在工程实际中，通过对加氢空冷系统的过程分析，发现氯 化铵沉积是一个涉及流动场、温度场和浓度场的多场耦合问题。 2 1 加氢空冷系统过程分析 2 1 1 典型工况及物性参数确定 选用中石化集团扬子石化公司加氢装置的实际生产工况，其运行时间为2 0 0 6 年3 月 至4 月，所加工原料为高硫原油并配有循环氢脱硫装置。工艺参数如下：原料进料量为 1 1 0t - h 1 ；原料中s 含量为2 5 ，n 含量为8 0 0p p m ，c 1 含量为5p p m ；实际总注水量为 1 0t h - 1 ；脱硫前循环氢中的h 2 s 含量为3 0 0 0p p m 。 原料进入反应器r 进行加氢反应，反应流出物经两次加热器e 和两次注水进入加氢 反应流出物空冷器a ，冷却后，进入高压分离器v 进行三相分离，气相为循环氢，水相 为高分污水，油相为高分油。高分油进入低压分离器v l 继续分离，气相为低分干气，油 相为低分油，水相为低分水8 3 。3 4 】，如图2 1 所示。鉴于加氢装置工艺极其复杂，采用逆 推的方法进行化工工艺过程流程仿真计算。 循环氢、低分干气的工况及组成见表2 1 、2 2 ，低分油的工况、馏程和含硫污水工况 分别见表2 3 和2 4 。空冷器介质入口温度为1 6 0 ，出口温度为5 0 ，进口压力为1 1 7 m p a 。 r 低分水 图2 1r e a c 系统工艺流程图 1 0 低分干气 低分油 硕+ 学位论文 表2 1 循环氢： 况及组成 工况组成 表2 2 低分干气工况及组成 表2 _ 3 低分油的工况及馏程 表2 4 含硫污水工况及组成 根据所选取的典型工况，运用石化工艺流程模拟软件h y s y s ，采用p e n g r o b i n s o n 方程，对r e a c 系统进行工艺流程仿真计算，获取气、油、水三相流体的物性参数，h y s y s 建模如图2 2 所示，各种成分在三相中的分布情况如图2 3 所示，气、油、水三相流体的 流体动力学参数和物性参数见表2 5 。 图2 2h y s y s 建模示意图 w m k s h e e t o m 撮h 协 p 0 p e | l j e s ：c o m p o s i t i o n ：k v a i i j e ；u s 搿v a i a b i e 暑 ：n o i e s ；c tp a a m e t 科s m o t er a c b o m j v a p o u fp h a s e l i o u dp h a s ea e u e o u sp h e l s e h e t h a n e 0 0 9 9 7 0 1 u l u 6 b t 圮 00 3 4 2 1 8 ud u d 0 1 1 一 e t h a n e 00 1 3 3 3 1u u i 列列一0 0 10 3 3 6 。o 0 0 0 0 0 0j ? _ p f o n e 0 0 1 0 9 6 7 u u i w l 笺u i o o b d：u u u u 。l , m u i b u t a r , e 一。一一 0 0 叩8 1 6 u u u 3 4 u 0 0 0 8 5 7 00 0 0 0 0 0 0 n - p e n i a n e 0 0 0 3 8 1 6 一i “一0 0 0 3 3 9 9一0 0 1 6 1 8 5 ： 0 0 0 0 0 0 0 ： h v d m o e n 0 7 3 9 1 5 7 口7 3 b j 一b 二二二a 啦! 甄= 二二二璁鲤! 篓_ h z s n n i l 7 7 0 0u u u 3 b 、u u u u j z c j 臻u u u j 砷_ 。j h 2 0 0 0 7 3 8 0 8 u u 4 6 b u ， n - b u t a n e 00 4 5 1 u ，0 0 0 4 3 6o 0 0 1 1 6 5 0 o o o o o o n b p i o l 3 1 。00 0 0 7 3 2 一0 0 0 0 6 4 60 叩3 2 2 9 n 0 0 0 0 0 0 n b p 0 1 4 5 。 00 0 0 7 9 8 q u u i j s j0 0 0 4 2 0 旷一0 0 0 0 0 0 0 一 n bp 0 1 5 9 。 00 0 0 9 0 3 o 1 3 0 0 1 3 一0 0 0 5 6 8 7