大型急冷油旋液分离器的研发与应用.pdf

收稿日期:.作者简介:杨玉奇,男,年毕业于哈尔滨工业大学动力机械及工程专业,工学硕士,主要从事流体机械设计研发方面的工作,研究员.E m a i l:y a n g y q c a l t c n.基金项目:中国石油化工集团公司(批准号:J K C )资助的课题.大型急冷油旋液分离器的研发与应用杨玉奇,张金彦,王俭革(北京航天石化技术装备工程有限公司,北京 ;中国石化工程建设有限公司,北京 ;中国石化中原石油化工有限责任公司,河南 濮阳 )摘要:针对百万吨乙烯装置中急冷油与焦粒固液分离难题,采用模拟软件对直径为m的大型急冷油旋液分离器进行了优化设计,并对设备内部流场、性能进行了数值模拟分析,同时对设备进行了变工况特性研究,并在典型工况下将实际运行参数与数值模拟结果进行了对比.结果显示,实际运行参数与数值模拟结果一致,说明该设计方法具有很强的工程实用价值.关键词:急冷油大型旋液分离器数值模拟工程应用d o i:/j i s s n 急冷油旋液分离器是有效脱除急冷油中焦粒的重要设备,其能够防止稀释蒸汽换热器堵塞,延长装置的运行周期.而百万吨乙烯装置中急冷油有其独特的特点:急冷油的流量大;急冷油和其中的焦粒之间的密度差小,仅有 k g/m.截至目前,国内在大型急冷油旋液分离器方面的技术还是空白.为了适应目前乙烯装置向大型化、规模化发展的趋势,研发操作简便、维护容易的大型急冷油旋液分离器十分必要.近年来,随着计算机的发展,国内外的研究者运用计算流体力学软件对旋液分离器内部的流体特征进行了大量的研究.Y a n gI H和他的同事对提纯装置中用于污泥分离的直径为 mm的旋液分离器进行了实验和数值模拟研究【】,数值模拟结果与实验结果符合得很好.N e e s s eT h和D u e c kJ 对直径为 mm的旋液分离器的分离性能进行了研究【】,研究表明,在进料波动的情况下,进料中的大尺寸颗粒比小尺寸颗粒达到平衡所需要的时间更长.E v a n s W a n w i l a iK r a i p e c h等对直径为 mm的旋液分离器内部插入杆件后的分离性能和速度场进行了研究【】,研究表明,在旋液分离器内部插入合适尺寸的杆件可以提高设备的分离性能.以上研究全部是针对小尺寸旋液分离器进行的,随着设备尺寸的增大,基于实验研究的经验与半经验公式对旋液分离器的分离效率等参数进行预测存在较大的偏差【】,而应用大型旋液分离器做实验的成本又太高.基于此,本文采用数值模拟的方法设计了大型急冷油旋液分离器,并对急冷油旋液分离器的性能进行了分析.然后,用设备的实际运行结果对计算方法进行了验证.大型急冷油旋液分离器的设计利用数值计算方法,设计了直径为m的大型急冷油旋液分离器,将进口的截面形状设置为矩形,以提高设备的分离效率;减小了底流口直径,以降低底流的流量.其结构的变化已不符合传统小尺寸旋液分离器的最优尺寸匹配关系.利用数值计算方法,得到了旋液分离器性能的最优解,并分析了设备内部的流场特征.建模及网格划分大型旋液分离器结构建模如图所示.旋液分离器网格结构如图所示.整个旋液分离器内部的流场全部采用六面体结构化网格,并进行了网格无关性验证,计算的总网格数为 ,以入口上端截面为基准面(z),z轴向下为正.静设备石 油化工设备技术,()P e t r o c h e m i c a lE q u i p m e n tT e c h n o l o g y图旋液分离器结构图旋液分离器网格划分边界条件进口边界条件定义为质量流量,按高斯规律分布的粒径为 m的焦粒以与急冷油同样的速度射入旋液分离器的进口.溢流口和底流口均采用压力出口边界条件.为保证发展充分,将溢流口及底流口段加长.颗粒相的溢流口边界条件设置为颗粒完全逃逸,底流口设为颗粒捕捉.壁面处采用无滑移边界条件,对近壁网格点用壁面函数近似处理.数值模拟采用基于有限体积法的F l u e n t数值模拟程序,考虑计算时间和计算精度之间的平衡,并同时考虑旋液分离器内流场是具有很强的各向异性的三维强旋转湍流流场的特点,选择雷诺应力模型(R S M)作 为 湍 流 模 型.压 力 项 采 用P R E S TO(P r e s s u r eS t a g g e r i n g O p t i o n)方法进行离 散处理,压力和速度的耦合采用S I MP L E(S e m i I m p l i c i tP r e s s u r eL i n k e dE q u a t i o n s)方 法 进 行 处理【】.粒子的轨迹采用离散相模型(D PM)进行计 算,连 续 相 中 粒 子 轨 迹 方 程 可 接 式()计算【】.dupdtFD(uup)gx(p)p()式中:up 颗粒的速度,m/s;t 时间,s;FD 阻力,N;u 液体相的速度,m/s;gx 重力加速度,m/s;p 颗粒的密度,k g/m;液体的密度,k g/m;FD(uup)单位颗粒质量所受到的阻力,N/k g.其中FD pdpCDR e()式中:流体的动力粘度,P as;dp 颗粒直径,m;CD 阻力系数;R e 相对雷诺数.相对雷诺数定义如下:R edp|upu|()固液两相流采用双向耦合的方式进行模拟,因为当固体颗粒由外旋流的向下螺旋运动转向内旋流的向上运动时,不仅连续相对分散相有冲击,分散相对连续相也有影响.双向耦合交替地求解连续相和离散相的运动方程,直到两相的求解停止变化为止.由于旋液分离器内部的流场具有三维非定常的特性,故选用非定常求解器进行求解,开始求解的时间步长设为 s.当残差和设备出口的流量达到稳定时,认为计算收敛.结果与讨论旋液分离器内部的压力特征选取进口流量为 m/h、底流口流量为 m/h的典型工况对旋液分离器内部的压力特征进行分析,由模拟得到的旋液分离器内的压力云图如图所示.图中左侧显示的是x的平面,右侧显示的是z mm间隔为 mm的个平面的压力分布.从图中可以看出,在旋液分离器的中心区域形成了低压区,沿着半径的方向,压力逐渐升高,产生了指向圆心的压力梯度,此压力梯度用来平衡颗粒旋转运动石油化工设备技术 年所产生的离心力.图旋液分离器轴向平面和垂直平面的压力云图旋液分离器内部速度特征选取进口流量为 m/h、底流口流量为 m/h的典型工况对旋液分离器内部的速度特征进行分析,旋液分离器轴向平面和垂直平面的速度矢量见图.图左侧所示为x平面的速度分布矢量,右侧所示为z mm间隔为 mm的个平面的速度分布.从图中可以看出,分离空间内流场分布为非对称结构,且在局部有二次涡流的产生,而且在进口和溢流口之间还形成了部分短路流,这主要是由于内旋流在上升过程中各个方位的受力不均匀,旋转轴线与几何中心不一致、发生摆动所致,这在压力分布云图中也可看出.而传统的经验与半经验公式在设计旋液分离器时,认为旋液分离器内部的流场分布为对称结构,这也是应用传统的经验与半经验公式预测旋液分离器的分离性能存在较大偏差的原因之一.由图还可以看出,旋液分离器的内部流体呈典型的兰金组合涡,中心为类似于刚性旋转的准强制涡,外部为准自由涡区,形成了有效的旋转.旋液分离器的分离效率采用数据表中要求的分割粒径(m)对旋液分离器的分离效率进行评估.按照粒径分布和颗粒含量选取给定流量下的 m焦粒的数量.该数量的焦粒沿旋液分离器进口均匀射入旋液分离器中,通过统计底流口捕捉到的尺寸为 m焦粒的数量可计算出旋液分离器的分离效率,具体计算如式()所示.NuNi()式中:旋液分离器指定尺寸颗粒的分离效率,;Nu 旋液分离器底流口捕捉的指定尺寸颗粒的数量;Ni 旋液分离器进口设定的指定尺寸颗粒的数量.图旋液分离器轴向平面和垂直平面的速度矢量大型急冷油旋液分离器的应用大型急冷油旋液分离器除焦效果大型急冷油旋液分离器在某百万吨乙烯装置上成功运行,清理出焦粒量为 k g/月,将急冷油中 以上的焦粒从急冷油系统中分离了出来.大型急冷油旋液分离器的性能评估设备实际投产后,对典型工况下旋液分离器进口流量、压降及分离效率进行了性能评估,如表所示.表进口流量、压降及分离效率对比工况流量/(mh)压降/k P a分离效率(分割粒径),运行值计算值运行值计算值运行值计算值工况 工况 工况 第 卷第期杨玉奇等大型急冷油旋液分离器的研发与应用由表可见,随着流量的增大,旋液分离器的压降增大,对应分割粒径尺寸的颗粒的分离效率提高.大型急冷油旋液分离器的变工况特性在试车阶段对旋液分离器进行了变工况特性研究,得到旋液分离器压降随流量的变化曲线,如图所示.从图中可以看出,随着进口流量的增加,旋液分离器的压降呈线性增大趋势,当增大到 m/h时,压降为 k P a,此时明显能感觉到框架的晃动.图表明,设备运行的参数与设计计算的结果符合得很好,该曲线对旋液分离器的实际运行能够起到明确的指导作用.图大型急冷油旋液分离器的变工况特性结论本文采用数值模拟的方法设计了大型急冷油旋液分离器,分析了设备内部的流场特征,并对设备在典型工况下的压降和分离效率与工程实际运行结果进行了对比,形成如下结论:)针对百万吨乙烯装置中急冷油的大流量、固液低密度差工况,采用数值计算方法开发了大型急冷油旋液分离器,并对其内部流场及性能进行了数值模拟.结果表明,大型旋液分离器内流体能形成有效的旋转,流场分布合理.)实际投用的大型急冷油旋液分离器除焦效果说明,本文所述的设计方法能够有效地将大流量急冷油中的焦粒清除到系统之外.)在典型工况下,按本文所述设计方法计算得到的 压 降 和 分 离 效 率 与 工 程 实 际 运 行 结果一致,表明该设计方法具有很强的工程实用价值.)大型急冷油旋液分离的变工况特性可以推广至相似工况的项目中应用,对避免因系统产生晃动而导致装置停车的情况具有实际的指导意义.参考文献:YAN GIH,S H I N CB,K I M T H A T h r e e D i m e n s i o n a lS i m u l a t i o no fa H y d r o c y c l o n ef o rt h eS l u d g eS e p a r a t i o ni n W a t e rP u r i f y i n g P l a n t sa n dC o m p a r i s o nw i t hE x p e r i m e n t a lD a t aJM i n e r a l sE n g i n e e r i n g,():N E E S S ET,D U E C KJ D y n a m i cM o d e l i n go ft h eH y d r o c y c l o n eJ M i n e r a l sE n g i n e e r i n g,():E VAN S W K,S UK S AN G P ANOMR UN G A,NOWAKOWS K IAF T h eS i m u l a t i o no f t h eF l o ww i t h i naH y d r o c y c l o n eO p e r a t i n gw i t ha nA i rC o r ea n dw i t ha n I n s e r t e dM e t a lR o dJ C h e m i c a lE n g i n e e r i n gJ o u r n a l,(/):化学 工 业部 教育 培训 中 心液 相非 均 一 系 分 离M北京:化学工业出版社,:O L S ON T J,VAN OMME N RO p t i m i z i n gH y d r o c y c l o n eD e s i g nU s i n gA d v a n c e dC F D M o d e lJ M i n e r a l sE n g i n e e r i n g,():R I E T EMA K P e r f o r m a n c ea n dD e s i g no fH y d r o c y c l o n e sI:G e n e r a lC o n s i d e r a t i o n sJ C h e m i c a lE n g i n e e r i n gS c i e n c e,():VAN D U I J N G,R I E T EMA K P e r f o r m a n c eo faL a r g e C o n e A n g l eH y d r o c y c l o n eI:H y d r o d y n a m i c sJ C h e m i c a lE n g i n e e r i n g S c i e n c e,():K E L S A L LD F A S t u d yo ft h e M o t i o no fS o l i dP a r t i c l e s i naH y d r a u l i cC y c l o n eJ T r a n s a c t i o n so fI n s t i t u t i o no fC h e m i c a lE n g i n e e r s,():V I E I R ALG M,D AMA S C E NOJJR,B A R R O Z OM AS I m p r o v e m e n to fH y d r o c y c l o n eS e p a r a t i o nP e r f o r m a n c eb yI n c o r p o r a t i n gaC o n i c a lF i l t e r i n gW a l lJ C h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n d P r o c e s s i n g,():HA I D E R A,L E V E N S P I E L O D r a gC o e f f i c i e n ta n dT e r m i n a lV e l o c i t yo fS p h e r i c a l a n dN o n s p h e r i c a lP a r t i c l e sJ P o w d e rT e c h n o l o g y,():D E L G A D I L L OJA,R A J AMAN IR K E x p l o r a t i o no fH y d r o c y c l o n eD e s i g n sU s i n gC o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c sJ I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fM i n e r a lP r o c e s s i n g,():A N S Y SI n c F l u e n t U s e r sG u i d eM U S A:AN S Y SI n c,:石油化工设备技术 年E X T E N D E DA P P L I C A T I O N O FS T R A I N H A R D E N I N GA U S T E N I T I CS T A I N L E S SS T E E LS T U D SG u oX u e h u a,X uL e i,C u iM i n h o n g(S I N O P E CE n g i n e e r i n gI n c o r p o r a t i o n,B e i j i n g,;S h a n d o n gM e i l i n gC h e m i c a lE q u i p m e n tC o,L t d,Z i b o,S h a n d o n g,)A b s t r a c t:T h i sp a p e rc o m p a r e d a n d a n a l y z e dt h er e g u l a t i o n s f o r s t r a i n h a r d e n i n g a u s t e n i t i c s t a i n l e s s s t e e ls t u d s i n t h ed o m e s t i cs t a n d a r d sa n dt h eA S M EC o d e s W h e nt h ed o m e s t i cs t a n d a r d sc a n n o tm e e tt h ea c t u a ld e s i g n r e q u i r e m e n t s,t h e m a t e r i a l t y p e,n o m i n a ld i a m e t e r a n d a p p l i c a b l e t e m p e r a t u r e o f s t r a i n h a r d e n i n gs t a i n l e s ss t e e ls t u d sc a nb ee x p a n d e d S i n c e G B/T d o e sn o t s p e c i f y t h e a l l o w a b l e s t r e s sv a l u eo f s t r a i n h a r d e n i n ga u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l s t u d s,t h i sp a p e rp r o v i d e da m e t h o dt os o l v et h ep r o b l e ma n dr e c o m m e n d e dt h ea l l o w a b l es t r e s sv a l u ea c c o r d i n gt ot h em e t a l l o g r a p h i ca n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s T h et e n s i o nt e s t so f a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l s t u d sa t r o o mt e m p e r a t u r e a n dh i g h t e m p e r a t u r e v e r i f i e d t h e e f f e c t s o fs t r a i n h a r d e n i n ga n dp r o v i d e dr e f e r e n c ef o re x t e n d i n gt h ea p p l i c a t i o no fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e ls t u d si nd o m e s t i c s t a n d a r d K e yw o r d s:a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l;s t u d s;s o l i ds o l u t i o n;s t r a i n h a r d e n i n g;h i g ht e m p e r a t u r es t r e t c h i n g;a l l o w a b l e s t r e s sR&D A N D A P P L I C A T I O N O F L A R G E S C A L EQ U E N C HO I LH Y D R O C Y C L O N EY a n gY u q i,Z h a n gJ i n y a n,W a n gJ i a n g e(B e i j i n g A e r o s p a c e P e t r o c h e m i c a l T e c h n o l o g y a n dE q u i p m e n tE n g i n e e r i n gC o,L t d,B e i j i n g,;S I N O P E CE n g i n e e r i n gI n c o r p o r a t i o n,B e i j i n g,;S I N O P E C Z h o n g y u a n P e t r o c h e m i c a lC o r pL t d,P u y a n g,H e n a n,)A b s t r a c t:A i m i n ga tt h e p r o b l e m o fs o l i d l i q u i ds e p a r a t i o no f q u e n c ho i l a n d c o k e p a r t i c l e s i n am i l l i o nt o ne t h y l e n ep l a n t,s i m u l a t i o ns o f t w a r ew a su s e dt oo p t i m i z e t h e d e s i g n o f l a r g e s c a l e q u e n c h o i lh y d r o c y c l o n ew i t ht h ed i a m e t e ro fm e t e r sa n dt h ei n t e r n a lf l o wf i e l da n dp e r f o r m a n c eo ft h ec y c l o n ew e r ea l s oa n a l y z e d b y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n T h el a r g e s c a l e h y d r o c y c l o n e w i t h t h e a b o v e o p t i m i z e dd e s i g nh a sb e e na p p l i e d i nam i l l i o n t o ne t h y l e n ep l a n ts u c c e s s f u l l y C o m b i n i n gw i t h t h e a c t u a l a p p l i c a t i o n,t h i sp a p e r c a r r i e do u tas t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ee q u i p m e n tu n d e rv a r i a b l eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s,a n dc o m p a r e dt h ea c t u a lo p e r a t i n gp a r a m e t e r s w i t ht h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t s u n d e r t h e d e s i g n e do p e r a t i n gc o n d i t i o n s T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ea c t u a lo p e r a t i n gp a r a m e t e r s w e r ec o n s i s t e n t w i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s,w h i c hi n d i c a t e st h a tt h ed e s i g nm e t h o d i s o f g r e a t p r a c t i c a l v a l u e f o r e n g i n e e r i n g K e yw o r d s:q u e n c ho i l;l a r g e s c a l eh y d r o c y c l o n e;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nS E L E C T I O N O F D E S I G N P R E S S U R E F O RC O L D H I G H P R E S S U R E S E P A R A T O R S I NH Y D R O G E N A T I O NU N I T S W a n g H e(S I NO P E C E n g i n e e r i n gI n c o r p o r a t i o n,B e i j i n g,)A b s t r a c t:S e l e c t i 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a n d a r d B yo r g a n i z i n ga n da n a l y z i n gt h eo n s i t em e a s u r e dd a t ac o l l e c t e dd u r i n gt w oi n t e r l o c k s h u t d o w n a c c i d e n t s o ft h e r e c y c l eh y d r o g e n c o m p r e s s o r i n a c e r t a i n r e s i d u e o i lh y d r o g e n a t i o n u n i ta n dc o m p a r i n gt h e m w i t ht h er e s u l t so b t a i n e db yu s i n g t h i sm e t h o d,i t i s f o u n d t h a tt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sf r o mt h i s m e t h o da r eh i g h l yc o n s i s t e n tw i t h t h e o p e r a t i o n a l d a t a c o l l e c t e d f r o mt h ea c t u a lp r o d u c t i o n,a n dt h es t a g n a n tp r e s s u r eo ft h er e c y c l eh y d r o g e nr e t u r nc i r c u i tc a nb ed e t e r m i n e dr e l a t i v e l ya c c u r a t e l y T h em e t h o dp r o v i d e sg u i d a n c eo nh o wt od e t e r m i n e t h ed e s i g np r e s s u r e f o rn e wa n dr e v a m p e dh y d r o g e n a t i o nu n i t s K e yw o r d s:c y c l eh y d r o g e nr e t u r nc i r c u i t;s t a g n a t i o np r e s s u r e;c o l dh i g hp r e s s u r e s e p a r a t o r;d e s i g np r e s s u r eC O U P L I N GA N A L Y S I SO FMU L T I F A C T O RO NI N T E R S T A G E P R E S S U R E O F R E C I P R O C A T I N GC OMP R E S S O R S Z h o uT i a n x u,W a n gC u n z h i,Z h e n gX u e p e n g(S I N O P E CE n g i n e e r i n gI n c o r p o r a t i o n,B e i j i n g,)A b s t r a c t:I n o r d e rt o d i a g n o s et h e d e v i a t i o n o fi n t e r s t a g ep r e s s u r eo fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r,t h i sp a p e rs e l e c t e dar e p r e s e n t a t i v ee x a m p l ea n dc a r r i e do u tc o u p l i n g a n a l y s i s o ft h e e f f e c t s o f p r o c e s sp a r a m e t e r s,l e a k a g e f a u l t s a n d f l o wr e g u l a t i o no n t h ei n t e r s t a g e p r e s s u r e o f r e c i p r o c a t i n g c o m p r e s s o r st h r o u g h t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n I t e x p l o r e d t h ev a r i a t i o nl a wo fi n t e r s t a g ep r e s s u r eo fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o ru n d e rt h es i m u l t a n e o u sa c t i o no fv a r i o u sf a c t o r s T h ea n a l y s i sr e s u l t s i n d i c a t et h a t t h er e s u l t sa n dr u l e s c a u s e d b y v a r i o u sf a c t o r s o f d i f f e r e n td e g r e e sa c t i n go nd i f f e r e n tc y l i n d e r sa r er e l a t i v e l yA B S T R A C T SP E T R O CHEM I C A LE QU I PME NTT E CHNO L OG YS t a r t e dP u b l i c a t i o n i n B i m o n t h l y N o v V o l N o