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加氢空冷系统硫氢化铵流动沉积机理及多场耦合数值分析

作　者: 曹晶
导　师: 偶国富
学　校: 浙江理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 加氢空冷系统硫氢化铵多物理场耦合沉积失效数值模拟
分类号: TE986
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

加氢反应流出物空冷器(简称REAC)及其相连管道是加氢裂化装置的重要设备系统。随着高硫、高氮及含氯原料油的加工与装置的大型化改造,由铵盐结晶沉积引发的REAC系统腐蚀失效事故频繁发生。因其失效机理复杂,涉及领域广泛,目前尚未能形成科学有效的预测方法,难以从根本上解决铵盐沉积引起的失效问题。本文通过REAC管束内硫氢化铵流动沉积过程的机理分析和数值计算,实现了铵盐沉积失效的位置预测,有利于REAC系统的优化设计和安全运行。本文结合炼油厂实际REAC系统运行工况和工艺条件,运用石化工艺软件HYSYS仿真获得多相流体物性参数;通过分析管束内硫氢化铵结晶沉积过程,确定典型工况下铵盐结晶起始温度为44℃,提出了多物理场耦合流动沉积机理并建立了多场耦合与铵盐沉积的数理模型;利用换热器计算软件HTRI进行空冷器换热分析,结果表明发生硫氢化铵结晶反应的起始位置至管束入口距离为5.9m;运用计算流体动力学软件FLUENT和多物理场耦合分析软件进行数值模拟,获得了REAC管束内流体流动场、多相流温度场、硫氢化铵浓度场分布规律及壁面铵盐沉积分布规律,预测分析出距空冷器出口3.4m处管束顶部易发生硫氢化铵沉积失效,并结合现场管束测厚数据验证了仿真结果的准确性和数值模拟方法的可靠性;通过分析原料含量、运行工况和不平衡度对硫氢化铵沉积失效的影响,提出原料中N和S含量的增加都会使硫氢化铵结晶温度上升,增大硫氢化铵沉积失效风险;在保证工艺要求和不发生冲蚀失效的前提下,调节鼓风机冷却效率、提高多相流流速和增加注水量,可有效防止硫氢化铵沉积失效;通过改变装置结构、设置合适注水方式、调节风机转速等措施,可减小不平衡度,使安全范围增大。本论文创新性研究在于:结合实际工程系统中的反应、流动、传热、传质等复杂过程,提出NH4HS结晶沉积过程的多物理场耦合机理;实现多相流动场、温度场和浓度场耦合作用下的铵盐流动沉积数值模拟,提出了可靠的NH4HS沉积失效预测方法。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-19
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-17
    1.2.1 加氢反应空冷器失效研究现状  11-15
    1.2.2 多物理场耦合研究综述  15-17
  1.3 本文主要研究内容  17-19
第二章硫氢化铵结晶沉积机理分析与数理建模  19-33
  2.1 加氢空冷系统过程分析  19-21
    2.1.1 典型工况与工艺参数  19-20
    2.1.2 物性参数的确定  20-21
  2.2 硫氢化铵结晶沉积机理  21-25
    2.2.1 硫氢化铵结晶过程  21-23
    2.2.2 硫氢化铵结晶点的确定  23
    2.2.3 硫氢化铵流动沉积的多场耦合过程  23-24
    2.2.4 硫氢化铵沉积失效形式  24-25
  2.3 多场耦合作用下硫氢化铵结晶沉积数理建模  25-32
    2.3.1 多物理场模型分析  26-28
      2.3.1.1 流动场分析  26-27
      2.3.1.2 温度场分析  27-28
      2.3.1.3 浓度场分析  28
    2.3.2 多场耦合关系建模  28-32
      2.3.2.1 流动场与温度场耦合建模  28-29
      2.3.2.2 流动场与浓度场耦合建模  29-31
      2.3.2.3 温度场与浓度场耦合建模  31-32
    2.3.3 耦合作用下的硫氢化铵沉积模型  32
  2.4 本章小结  32-33
第三章硫氢化铵流动沉积数值分析  33-55
  3.1 空冷器传热计算  33-36
    3.1.1 计算方法和步骤  33
    3.1.2 计算模型建立  33-34
    3.1.3 物性参数设定  34-35
    3.1.4 计算结果分析  35-36
  3.2 多相流动仿真计算  36-42
    3.2.1 计算方法与步骤  36-37
    3.2.2 几何建模与网格划分  37-39
    3.2.3 边界条件  39
    3.2.4 计算结果分析  39-42
  3.3 多场耦合作用下NH_4HS 沉积过程仿真  42-53
    3.3.1 计算方法与步骤  42
    3.3.2 几何建模与网格划分  42-43
    3.3.3 耦合条件设置  43-50
      3.3.3.1 相位场多相湍流模块设置  43-44
      3.3.3.2 对流传热模块设置  44-46
      3.3.3.3 对流扩散模块设置  46-50
    3.3.4 耦合求解过程  50
    3.3.5 计算结果分析  50-53
  3.4 现场测厚验证  53-54
  3.5 本章小结  54-55
第四章硫氢化铵沉积影响因素及失效规律分析  55-64
  4.1 原料杂质含量的影响  55-59
    4.1.1 N 含量的影响  55-57
    4.1.2 S 含量的影响  57-59
  4.2 运行工况的影响  59-62
    4.2.1 注水量的影响  59-61
    4.2.2 流速的影响  61-62
    4.2.3 温度的影响  62
  4.3 不平衡度的影响  62
  4.4 优化运行方案  62-63
  4.5 本章小结  63-64
第五章总结与展望  64-67
  5.1 本文研究工作总结  64-65
  5.2 今后研究工作展望  65-67
参考文献  67-73
致谢  73-74
攻读硕士学位期间的研究成果  74

加氢空冷系统硫氢化铵流动沉积机理及多场耦合数值分析

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