壁面粗糙度对催化裂化烟气轮机内颗粒沉积影响的数值研究

通过数值模拟的方法,采用标准k-ε湍流模型和离散相模型（DPM）对烟气轮机（简称烟机）内催化剂颗粒与壁面碰撞及其沉积过程进行研究,探究了壁面粗糙度对烟机内颗粒沉积的影响。结果表明,动叶片吸力面颗粒沉积明显比其压力面严重,吸力面上催化剂颗粒主要沉积在入口附近区域,压力面上催化剂颗粒主要沉积在机壳附近及轮毂靠近出口处;壁面粗糙度对动叶片不同位置颗粒沉积情况的影响不同;与清洁的防护涂层（Ks=50 μm）相比,Ks值在100~500 μm之间时,烟机动叶片压力面催化剂颗粒沉积问题有所缓解,但吸力面上沉积情况恶化。     

催化裂化装置沉降器汽提段冲刷磨损原因分析及对策

针对催化裂化装置沉降器汽提段运行后期出现的器壁冲刷及喷嘴磨穿现象,从汽提段操作工况及汽提过程原理等方面分析了原因,并进行了相应的改造。结果表明,汽提段磨损主要是由于蒸汽分布不均匀造成局部产生催化剂涡流冲刷所致。通过采取将一段、二段汽提蒸汽下降管穿管位置与器壁的距离分别由113,100 mm均改为1000 mm,两段汽提蒸汽下降管增加厚20 mm的Y形保温钉耐磨层,二段汽提蒸汽分布环喷嘴改为正向下布置等改进措施,避免了器壁冲刷穿洞现象的发生。     

矢量优化技术在FCC进料喷嘴开发中的应用(Ⅰ)——"外部矢量"的优化

采用大型冷模实验,结合多种现代多相流测试技术,考察了FCC提升管内催化剂和原料油的流动、混合状况.通过引入4个新参数:射流相无量纲特征浓度(反映射流的扩散速度)、颗粒密度分布均匀性指标(反映催化剂颗粒分布的均匀程度)、颗粒相返混比(反映催化剂颗粒的返混)和特征浓度剂油比(反映剂油的浓度"匹配"),定量比较了不同喷嘴出口射流速度对提升管内多相流场的影响.从优化提升管内油-剂流动、混合效果的角度出发,对进料雾化喷嘴的两个"外部矢量"进行了优化:一是喷嘴出口射流速度应控制在65～70 m/s,二是采用"气体内构件"来调控提升管内流场.工业应用的效果表明,进料雾化喷嘴"外部矢量"的优化切实有效.     

射孔工况下多喷嘴水力喷射工具冲蚀研究

大排量高砂比水力喷砂压裂的射孔过程中,高速流动的携砂液会对喷射工具表面产生严重的冲蚀损伤。根据喷射工具本体材料35CrMo钢的喷射式冲蚀实验,得到了半经验的冲蚀计算模型。结合DPM数值模拟方法获得射孔过程中工具内部的液固两相流场分布及壁面冲蚀速率,讨论了液相参数和固相颗粒参数对流经上、下游喷嘴颗粒含量及喷嘴入口区域冲蚀损伤的影响。计算结果表明,当工具内部流动达到稳定时,下游喷嘴的颗粒含量大于上游喷嘴的颗粒含量,下游喷嘴入口区域的冲蚀损伤更为严重,颗粒含量及冲蚀损伤的差异性在使用大排量、高黏度液体和大直径、高密度颗粒时更为严重。为防止因上、下游喷嘴颗粒含量差异较大影响射孔效率的情况,建议在实际生产过程中,使用携砂性较好的高黏度压裂液和低密度小直径的颗粒,在保证作业效率和工具寿命的同时控制施工排量。     

逆流变径耦合催化裂化提升管进料段内固含率及颗粒速度的径向分布

优化现有的油、剂逆流接触催化裂化提升管进料段结构,将进料喷嘴倾斜向下与内径变化相耦合。通过大型冷模实验装置,考察了在逆流变径耦合催化裂化提升管进料段不同轴向高度,固含率和颗粒速度的径向分布及操作条件对其产生的影响,并分别与前人所用的同径结构内的分布结果进行比较。结果表明,与对应的油、剂逆流接触催化裂化提升管进料段同径结构相比,变径结构进料段内,射流控制区域范围约缩短45.2%,且变径结构进料段内局部固含率分布更加均匀,有利于油、剂两相均匀混合。在实验操作范围内,提高预提升气速和适当提高进料喷嘴气速可使催化剂颗粒在径向分布更加均匀。     

水力脉冲射流钻井提速技术在江苏油田的应用

水力脉冲射流钻井技术是一种具有改善井底流场、减少压持效应、降低重复破碎以及提高破岩携屑效果和机械钻速的特设技术。通过将PDC钻头安装脉冲喷嘴,将连续射流变为脉冲射流,克服了现有喷嘴射距短和持续能量小等缺点。该技术在40多口井进行了应用,在2 000 m中上部井段使用脉冲喷嘴,机械钻速提高10%~40%,在2 000~3 500 m下部井段使用脉冲喷嘴机械钻速提高10%~20%。水力脉冲空化射流接头与脉冲喷嘴的耦合钻井,产生多级谐振脉冲射流,该技术在4口井进行了应用,在2 000 m上部地层机械钻速提高15%左右,在2 000~2 800 m的下部井段机械钻速提高15%~25%。该技术在江苏油田的应用中取得了较好的提速效果。     

重叠式两段再生催化裂化装置的优化运行

介绍了延安炼油实业集团公司０．８ Ｍｔ／ａ重叠式两段再生催化裂化装置的设计特点和优化运行经验。装置主风与催化剂在两个再生器之间逆流接触,增加了预提升段的长度,采用了提升管上部急冷技术,并在提升管上设有上下两组进料喷嘴。该装置的独特设计为操作者根据具体的原料性质选择合适的剂油比、反应时间等反应条件提供了更多的选择。通过不断优化反应再生部分的工艺参数,即合理分配第一、二再生器主风风量,控制再生温度,优化油剂接触,根据原料性质灵活选择不同的进料方式、剂油比以及加强再生催化剂的脱气等,在保证产品质量的前提下最大地提高了液体收率,而主风、催化剂等的消耗降到最低,同时也指出了今后进一步改进的方向。     

催化裂化提升管进料段的优化

通过分析冷模实验的结果,并结合催化裂化提升管的实际操作情况,揭示了催化裂化提升管进料混合段内存在的问题:由于射流二次流的产生,在进料段内局部区域催化剂颗粒相返混严重并且油剂两相浓度分布并不匹配——在油相浓度高(低)的位置,剂相浓度却较低(高)。并介绍了一种能够有效地利用和控制二次流的CS型雾化喷嘴,工业应用的结果表明CS喷嘴对提升管内油、剂两相流动、混合状况有明显地改善,可有效地提高液收、降低结焦。     

催化裂化装置四旋分离系统内气相流场的数值研究

采用雷诺应力模型(RSM)对两种催化裂化装置四旋分离系统内气相流动的三维流场进行数值模拟,分析了两种第四级旋风分离系统（简称四旋）内气相流场的特点。结果表明：在传统式结构中,储料罐内部分区域气流向上运动,不利于颗粒沉降,料腿内产生气流反窜现象,四旋内存在偏流,影响颗粒输送,结构设计不合理是导致颗粒堵塞的主要原因;改进式结构中,储料罐内气相速度很小,有利于颗粒沉降,料腿中周期性的二次涡影响颗粒的气力输送,可能对壁面产生磨损,四旋分离空间内流场稳定,有利于颗粒分离,改进式结构可以有效避免颗粒堵塞现象的发生。两种结构内部气相流场的对比为合理设计四旋分离系统结构提供了参考依据。     

抽吸式微取心PDC钻头的研究与应用

常规PDC钻头切削产生的粉状或片状岩屑颗粒不便于地质录井,对此提出了一种新型抽吸式微取心PDC钻头。该抽吸式微取心PDC钻头取消了常规PDC钻头心部的主切削齿,设置特殊的水力结构,使钻头心部在钻进过程中形成一定直径的竖直岩心并适时折断,通过负压抽吸作用将断的微岩心从钻头体内部流道带离井底。结合破岩仿真与液固两相流理论,研究了在岩心、岩屑与钻井液混合流动的流场中,射流喷嘴直径的大小对取心通道中抽吸效果的影响规律。数值模拟结果表明,对于拟定条件下钻头直径为215.9 mm的微取心PDC钻头,当射流喷嘴直径为8 mm时,从排心孔排出的岩心、岩屑和钻井液的质量较高,其负压腔的抽吸效果较好。室内及现场试验表明:采集的岩心以柱状为主,岩心完整性和采集率高;在磨溪111井位嘉陵江组二段3亚段至长兴组上部地层,获总进尺805.65 m,平均机械钻速为4.57 m/h,最高机械钻速可达7.4 m/h;该钻头在嘉陵江组二段3亚段至飞仙关组一段(总进尺742 m)的机械钻速比该区块同层位的其他常规PDC钻头高出了50%以上。     

FCC装置主风分布管喷嘴磨损的气相流场分析

用FLUENT流体计算软件对FCC装置再生器树枝状分布管喷嘴流场进行了计算,分析了喷嘴发生磨损的机理.对喷嘴流场的计算表明喷嘴磨损是催化剂颗粒造成的,属于气固两相流冲蚀磨损.由于某些喷嘴的压力降偏低和流场存在偏流,造成催化剂颗粒倒流至喷嘴内部或分布支管内部.催化剂颗粒流经喷嘴时,斜向冲击内壁产生冲蚀磨损.磨损首先发生在喷嘴内壁局部区域,形成圆弧状磨损痕迹,再将喷嘴磨穿,逐渐扩大为整个喷嘴,磨掉喷嘴.这些分析结果可为主风分布管的设计提供帮助.     

催化裂化再生器树枝状主风分布管磨损的气相流场分析

通过对催化裂化装置再生器树枝状主风分布管内流场的数值模拟,分析了树枝状主风分布管磨损的机理.再生器树枝状主风分布管的磨损一般发生在分支管内部和喷嘴内壁,属于气固两相流的冲蚀磨损.流场计算表明,沿管程各喷嘴的出流流量不均匀,压力降也不相等,造成分支管外部的催化剂颗粒倒流至分支管内部从下游的喷嘴流出,进而导致分支管内部和喷嘴内壁的冲蚀磨损.     

低压大口径管道的稳定性设计

催化裂化装置烟气管道及油气管道承受较低内压,特别是烟气轮机及烟气降压孔板后操作压力更低,小于0.01MPa,另外烟气管道采用冷壁设计,内衬隔热耐磨材料相当重,管道的单重远高于管道的金属单重,再加上热应力的影响,致使此类管道的安全评价取决于稳定性控制而非强度控制。文中根据Strum推导的公式和双简支梁公式,导出低压大口径管道的稳定性设计方法,该方法能较好地适用于催化裂化装置烟气管道的设计。     

用于超声速旋流分离器中的超声速喷管研究

超声速旋流分离器是一种免加热或免加注防冻剂的新型天然气脱水和重烃分离装置，喷管是其关键部件。针对超声速旋流分离器中拉伐尔喷管的特点，对3种不同的喷管设计方法进行了对比分析。结果表明：亚声速收缩段为维托辛思基曲线、喉部为一段光滑圆弧、超声速扩张段按富尔士法设计的喷管出口气流均匀，达到设计的马赫数要求。数值模拟表明，天然气在喷管内绝热膨胀形成超声速气流，在喷管扩张段水和重烃组分凝析。喷管内极短的滞留时间不会形成水合物，亦不需添加防冻剂。     

喷洒塔性能的研究

在内径475mm的有机玻璃塔内,采用两种不同口径的实用空心锥压力喷嘴,对喷洒型气液接触过程的流体力学和传质特性进行测定。研究了空气、氨-水吸收系统的传质速率,得到每个喷头所相当的气相总传质单元数与气、液流速及喷洒高度之间的关联式。还根据试验数据对壁流问题进行了探讨,指出当采用空心锥喷嘴时,喷洒塔内的壁流效应不可忽视。     

0.5Mt/a重油催化裂化装置三旋的技术改造

针对催化裂化能量回收装置高温烟气轮机(简称烟机)出现的故障,采用中国石油大学(华东)开发的新型导叶式旋风分离技术,提出了新型高效低阻型立管多管式三旋的改造方案。三旋出口烟气在线采样催化剂浓度与粒度分析表明:改造后三旋入口烟气中催化剂平均质量浓度为362.8 mg/m3(工况下湿基),主要是40μm以下的颗粒,其中10μm以下的颗粒占30%～50%,细颗粒含量较高;改造后三旋出口烟气中催化剂平均质量浓度为31.8 mg/m3(工况下湿基);已完全没有10μm以上的大颗粒,工况下三旋的总效率为91.2%。改造后烟机入口催化剂质量浓度及粒度指标远远低于控制指标,三旋分离性能指标完全达到烟机入口烟气的净化要求,保证了烟气轮机长周期安全运行。     

FCC装置三旋效率低的原因及对策

针对中国石油抚顺石化分公司石油二厂催化裂化装置再生器第三级旋风分离器(三旋)效率低的问题,对三旋的运行状况进行了分析和核算,找出了原因,认为主要问题是烟气中催化剂细粉较多、粒度大,以及三旋单管烟气线速较低和单管排尘锥体处粉尘返混严重.采取堵管和排尘锥体开孔的措施后,实际运行结果证明,三旋效率提高了,三旋出口烟气中催化剂浓度、粒度达到标准,保证了烟气轮机的安全平稳运行.     

催化裂化装置烟气系统设备结垢分析与对策

分析了催化裂化装置烟气系统设备结垢的原因,认为所使用催化剂配方中添加的降烯烃成分是导致催化剂细粉粘附的直接原因;而装置扩能没有更换烟气系统设备导致设备超负荷运转也是产生结垢的重要原因;文丘里管型临界流速喷嘴的设计缺点,各级旋分器失效导致进入烟机的烟气粉尘含量超标,也是烟机叶片结垢的主要因素。利用停工检修的机会,更换一二级旋分器、更换临界流速喷嘴并扩大孔径、采用低速喷嘴取代高速喷嘴控制系统催化剂细粉含量,使烟气系统结垢标本兼治。再生烟气系统连续运行17个月,没有出现较明显的结垢现象。实现了再生烟气系统与装置的长周期同步安全运行。     

催化裂化烟气轮机内不同Stokes数颗粒沉积特性数值研究

采用数值模拟的方法研究了烟气轮机内的催化剂颗粒沉积过程。在计算流体力学软件Fluent中,采用RNG -k-ε湍流模型计算烟气轮机内气相流场。在流场模拟的基础上,应用自定义函数修正了固有的沉积模型,模拟不同Stokes数颗粒的沉积特性。模拟结果表明,小Stokes数的催化剂颗粒沉积速率较大,静叶吸力面、动叶压力面及动叶吸力面轮毂和机壳附近是颗粒沉积的主要区域;大Stokes数的催化剂颗粒沉积区域主要分布在静叶压力面和动叶压力面,分布比较均匀,但沉积速率较小。工业条件下应尽量避免小Stokes数颗粒进入烟气轮机,保障烟气轮机安全长周期运行。