SZorb反应器分配盘抗磨设计研究.pdf

.422023年第2 6 卷论文广场石油和化工设备SZorb反应器分配盘抗磨设计研究贾同威（中国石化扬子石油化工有限公司江苏省南京市2 10 0 0 0）摘要】本文提出一种提高分配盘抗磨蚀性能的优化设计方案，即在泡罩下方加装凹型托盘。构建了SZorb脱硫反应器分配盘模型，采用CFD-DEM耦合方法进行气固两相流磨蚀数值预测，通过F1uent软件对流体进行求解，通过EDEM软件对颗粒进行求解。采用最高磨蚀速率及高磨蚀区域占比两个特征参数来表征优化方案，根据在不同设计参数下的特征参数对比分析，发现凹型托盘角度为4时改善分配盘抗磨蚀性能效果最明显，最终确定为分配盘加装4托盘的设计方案。关键词】SZorb；分配盘；气固磨蚀；磨蚀表征；CFD-DEM1SZorb分配盘抗磨设计1.1分配盘结构及参数反应器分配盘由分配盘基材、堆焊层、提升管及泡罩构成。泡罩之间呈正方形有规律的分布在分配盘基材上，泡罩总数为7 5，两相邻泡罩中心距为152 mm,泡罩内径为92 mm,提升管内径为48 mm，泡罩上表面到堆焊层表面的距离为133mm，泡罩最低点到堆焊层表面距离为13mm;提升管最高点到泡罩内顶面距离为6 0 mm。泡罩底部出口呈齿状分布，高温高压气体通过提升管进入泡罩，在泡罩作用下改变其流动状况，使含硫混合气体可以更充分与吸附剂接触，进而达到吸附脱硫目的【1-5】。由于泡罩之间呈规则正方形分布，在研究中可以选择四个相邻的1/4泡罩作为一个分析单元，其在考虑了泡罩间流场相互影响的前提下，大大简化了分析计算过程，并可以代表分配盘整体磨蚀状况。(a)(b)图1泡罩分配器局部示意图及泡罩分配器实际磨蚀失效形貌图1.2分配盘结构优化设计由于SZorb反应器泡罩结构特殊，必然会导致分配盘发生磨蚀，且从实际案例中可以发现，分配盘冲击区域主要在泡罩外部呈圆周锯齿状分布，因此在本文中提出的分配盘改进方案为，保持泡罩自身结构的基础上，将泡罩分配器整体提升一定距离，并在泡罩正下方增加一个最厚处与泡罩提升距离相同的凹型托盘，并在托盘上方喷涂抗冲蚀涂层以保护装置中的易冲蚀区域，凹型托盘最薄处厚度为3mm,其结构呈内低外高且有特定弧度，可以在一定程度改善流场分布，使吸附剂颗粒与含硫原料混合更均匀并降低磨损。在托盘表面喷涂的抗磨蚀材料为碳化钨WC88-Co12,使用超音速火箭喷涂技术喷涂，碳化钨材料工作温度范围较宽，可以承受超40 0 高温工况，其表面强度范围950-130 0 HV，且结合强度大于7 0 MPa,使用此次材料可以降低冲击系数，有效提高零件的耐磨性能。托盘结构如图2 所示。07030140图2 托盘结构示意图作者简介：贾同威，男，汉族，硕士研究生，工程师，（198 9-），河北省河间市人，目前在中国石化扬子石油化工有限公司从事设备管理工作。-43-第9期贾同威SZorb反应器分配盘抗磨设计研究2变参数工况下磨损数值模拟及分析2.1标准载荷下不同设计参数分析图3为标准载荷下分配盘磨蚀速率图。在标准载荷下0 倾角（未安装设计托盘）对堆焊层最高磨蚀速率为3.8 6 10 kg/(ms)，标准载荷下托盘2 倾角时对堆焊层的最高磨蚀速率为3.8 10kg/(ms)当标准载荷下托盘4倾角时对堆焊层最高磨蚀速率为3.7 110 kg/(ms)，当标准载荷下托盘6 时对堆焊层最高磨蚀速率为2.910 kg/(ms)。由此可以看出，在标准载荷下，增加角度为2、4、6 的托盘相对于未增加托盘式时对降低流体最高磨蚀速率有轻微作用。由此可见，在标准载荷下，增加有一定角度的托盘可以适当降低流体对堆焊层的最高磨蚀速率。在标准载荷下，各个泡罩之间的菱形区域没有明显磨蚀现象。磨烛速车kg/m2s)3.8550-083.2120-082.5700-081.0276-081.2850-086.4246990.000e+000(3.86e-8)2(3.8e-8)4(3.71e-8)6(2.9e-8)图3标准载荷下磨蚀速率图在对不同优化方案研究时，并不能只根据最高磨蚀速率一个参数来确定方案。所以在本研究中又采用高磨蚀区域占比这一参数。通过将模拟与现场实际图对比，得出堆焊层临街磨蚀速率约为5.5e-9kg/(ms)得出不同托盘角度下高磨蚀区域占比图，如图4所示，在标准载荷下，增加托盘角度会减小堆焊层的高磨蚀区域占比，在增加托盘情况下和原有结构相比，有托盘结构下的高磨蚀区域占比明显比无托盘结构下高磨蚀区域占比小，而在有托盘结构下各个角度的高冲蚀区域占比相差不多。0(7.1%)2(3.5%)4(3.8%)6(1.8%)图4为标准载荷下分配盘高冲蚀区域占比图5为标准载荷下最高磨蚀速率与高冲蚀区域数据处理图。可以看出在标准载荷下，增加托盘结构对降低最高磨蚀速率及减小高冲蚀区域占比都有一定作用，这也直接验证了本研究中所提出的优化改进思路是正确的。2.2极端载荷下不同设计参数模拟分析图6 为极端载荷下分配盘磨蚀速率图。在极端载荷下0 倾角（未安装设计托盘）对堆焊层最高磨蚀速率为6.310 kg/(ms)，极端载荷下托盘2 倾角时对堆焊层的最高磨蚀速率为5.2 10 8kg/(ms),当极端载荷下托盘4倾角时对堆焊层最高磨蚀速率为3.8 X10kg/(ms)，当极端载荷下托盘6 时对堆焊层最高磨蚀速率为4.110 kg/(ms)。由此可以看出，在极端载荷下，流体对堆442023年第2 6 卷论文广场石油和化工设备焊层的冲击速率有明显升高，在原结构中极端载荷最大磨蚀速率比标准载荷增加了6 3.2%，各个泡罩中间的菱形低磨蚀区域面积也有所减少。而增加托盘后，流体对堆焊层最高磨蚀速率明显降低，其中在托盘角度为4时，对降低流体最高磨蚀速率效果最明显，在角度增加到6后最高磨蚀速率有轻微反弹。由此可知，在极端载荷下托盘设计角度为4时降低流体最高冲蚀速率效果最好。4.08最高磨蚀速率高辣蚀区域卢比(S m/3Xg-01x)73.86（%）3.6-3.4-3.233.022.0123456角度（）图5标准载荷下数据处理图磨蚀速率kg/(m-s)6.267008522:30-084.1780-083.1340-0810450-080.000e+000(6.3e-8)2(5.2e-8)4(3.8e-8)6(4.1e-8)图6 极端载荷下最高磨蚀速率图图7 为极端载荷下高磨蚀区域占比图，如图所示在极端载荷下堆焊层高磨蚀区域占比明显增加，尤其是在原结构中高磨蚀区域占比高达15.6%。在增加托盘结构后高磨蚀区域占比大幅度降低，尤其是在托盘角度为4时高磨蚀区域占比为7.5%，相比于原结构降低了51.9%，在托盘角度超过4后高磨蚀区域占比会有有所上升。0(15.6%)2(8.7%)4(7.5%)6(9.0%)图7 极端载荷下高磨蚀区域占比图图8 为极端载荷下最高磨蚀速率及高磨蚀区域占比数据处理图，由图可知在极端载荷下最高磨损速率与高冲蚀区域占比随托盘角度变化规律基本一致，两者在增加托盘结构后数值均大幅度降低，在托盘角度为4时最高磨蚀速率及高磨蚀区域占比降低最多，即在托盘角度为4时托盘性能最好。(上接37 页）-45-贾同威SZorb反应器分配盘抗磨设计研究第9期6.5最高磨蚀速率高磨蚀区域占比166.0145.5-5.0104.584.0-3.560123456角度（）图8极端载荷下数据处理图3结论由于反应器泡罩的特殊结构，吸附剂颗粒在高温高压氢油混合气体带动下，高速冲击塑性材料的堆焊层表面，产生微切削磨蚀。提出增加托盘结构改善流体冲击角，提高反应器耐磨蚀性能。构建了SZorb反应器分配盘模型，采用CFD-DEM模型进行耦合模拟，用最高磨蚀速率、高磨（4）目前，该超高压投球器通过了出厂试验，且在某平台得到有效应用，应用结果表明，该投球器操作简单、计数准确、安全可靠，满足国内超高压堵塞球分层压裂工况的使用要求，具有良好的推广前景。参考文献1张宏桥，董毅军，王德贵，邹子由，段树军，唐霄.远程控制堵塞球投球器研制.机械工程师，2 0 19(10):158-16 0.蚀区域占比来表征分配盘磨蚀特性，分别在标准载荷及极限载荷下对比分析了不同角度托盘对堆焊层磨蚀状况的改善作用。结果表明，在标准载荷下增加托盘结构可以少量降低流体对堆焊层的最高冲蚀速率和高冲蚀区域占比，即在一定程度提高分配盘耐磨蚀性能，并验证了设计方案的正确性与可行性。在极端载荷情况下，增加托盘可大幅度降低流体对堆焊层的最高冲蚀速率和高冲蚀区域占比，即可以极大改善分配器耐磨蚀性能，而托盘角度为4时效果最好，所以最终设计方案为为分配盘加装角度为4的托盘。参考文献1申仁俊.SZorb装置长周期运行问题分析及应对措施 .炼油技术与程,2 0 2 2,52(2):41-45.2李祖利.催化汽油吸附脱硫(SZorb)装置反应器分配盘的检修及分析 .石油化工设备技术,2 0 2 2,43(6):50-53.3李沧,孙宝财.弯管中气固两相流冲蚀模拟研究 .兰州理工大学学报,2 0 2 0,46(4):7 9-8 3.4李良,刘书文,程文钦,等.S32205不锈钢弯管在气固两相流下的冲蚀模拟研究 .油气田地面工程,2 0 2 2,41(11):18-2 4.5卓柯,邱伊婕,张引弟,等.颗粒参数对气固两相流冲蚀磨损的影响分析 J.西安石油大学学报（自然科学版）,2 0 2 0,35(6):10 0-10 6收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 9修回日期：2 0 2 3-0 8-0 52朱浩铭,吴小雄,等.分层压裂堵塞球投球器研究现状及展望.机械工程师,2 0 17(10):12 7-12 9.3陈文斌,陆红军,闫军,等.远程遥控投球装置在层间暂堵多缝压裂技术中的应用 .石油钻采工艺,2 0 14,36(0 1):10 4-10 6.4柳愿,耿敏涛,焦辉.一种新型分层压裂连续投球检测装置的设计方案 .天然气技术与经济,2 0 18,12(0 1):2 3-2 4+8 1-8 2.5张宏桥,董毅军,王德贵,邹子由,段树军,唐霄.远程控制堵塞球投球器研制 .机械工程师,2 0 19(10):158-16 0.6韩静静,邓继学,景志明.连续分层压裂投球器的研制与应用.石油机械,2 0 16,44(0 4):8 7-8 9.收日期：2 0 2 3-0 4-0 6 修回日期：2 0 2 3-0 8-0 5