俞晨煬，金浩哲，黃本清，偶國(guó)富

(1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018；2.常州大學(xué) 機(jī)械工程與軌道交通學(xué)院，江蘇常州 213000)

0 引言

空冷器是加氫裝置冷熱交換的重要設(shè)備，在加氫反應(yīng)流出物系統(tǒng)中承擔(dān)著重要作用[1-4]。隨著原油劣質(zhì)化的加劇，加工原料油中S，N，Cl的含量不斷升高，因銨鹽結(jié)晶沉積造成的設(shè)備腐蝕失效事故頻發(fā)，對(duì)石化企業(yè)長(zhǎng)周期安全運(yùn)行形成了巨大的挑戰(zhàn)[5-8]。其中，渣油加氫裝置因?yàn)樵透g性強(qiáng)、加工工藝過(guò)程復(fù)雜等因素，反應(yīng)流出物系統(tǒng)的換熱器、空冷器等設(shè)備面臨較大腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

由于腐蝕產(chǎn)物的形成機(jī)理復(fù)雜，銨鹽結(jié)晶沉積涉及到傳熱、傳質(zhì)、相變等復(fù)雜過(guò)程，給高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的預(yù)測(cè)帶來(lái)巨大困難。武本成等[9]通過(guò)分析原油蒸餾的反應(yīng)過(guò)程，提出反應(yīng)流出物中HCl氣體是由原料中氯化物的反應(yīng)產(chǎn)生。美國(guó)石油化工協(xié)會(huì)(API)、NACE技術(shù)委員會(huì)、殼牌石油公司等收集整理大量失效案例，提出了采用API 932等一系列操作規(guī)范來(lái)減小腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)[10-11]；WU等[12]基于靜態(tài)條件下的熱力學(xué)模型，得出理想狀態(tài)下的NH4Cl結(jié)晶平衡曲線，可用于定量計(jì)算銨鹽沉積速率；金浩哲等[13]通過(guò)對(duì)Aspen Plus進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立了變工況下銨鹽的結(jié)晶速率模型；ZHU等[14]采用多相流方程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)銨鹽腐蝕速率的影響因素以及沉積位置進(jìn)行了研究。綜上所述，以往針對(duì)空冷器的銨鹽結(jié)晶研究大多基于冷態(tài)流動(dòng)以及理想狀態(tài)下，但是對(duì)于空冷器管束內(nèi)介質(zhì)在流動(dòng)及傳熱特性下的銨鹽結(jié)晶規(guī)律的研究尚不完善，對(duì)于銨鹽沉積位置的預(yù)測(cè)方法需要進(jìn)一步地深入討論。

本文通過(guò)對(duì)銨鹽沉積腐蝕的機(jī)理進(jìn)行研究，對(duì)渣油加氫裝置空冷器的銨鹽結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)合多相流湍流模型與空冷翅片管傳熱模型，對(duì)空冷管束內(nèi)的流體分布特性與銨鹽結(jié)晶特性進(jìn)行研究，構(gòu)建空冷器銨鹽沉積特性的預(yù)測(cè)方法，研究成果對(duì)加氫裝置空冷器的銨鹽結(jié)晶沉積預(yù)測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 反應(yīng)流出物系統(tǒng)銨鹽結(jié)晶特性預(yù)測(cè)

1.1 原料特性與工藝過(guò)程分析

針對(duì)近期愈發(fā)嚴(yán)重的腐蝕失效問(wèn)題，結(jié)合全國(guó)加氫裝置的原料油腐蝕特性調(diào)研結(jié)果，對(duì)某石化廠渣油加氫裝置的加工進(jìn)料進(jìn)行分析，如表1所示。加氫裝置加工的幾種原料油中，原料渣油的平均硫、氮、氯的含量最高，具有最強(qiáng)的腐蝕性。本加氫裝置的原料渣油中，硫含量為2.24%，氮含量為3 600 mg/kg，氯含量為0.5 mg/kg。對(duì)比可知，本裝置原料的氮含量遠(yuǎn)超渣油原料的平均值，具有較強(qiáng)腐蝕性，加氫反應(yīng)流出物系統(tǒng)內(nèi)的銨鹽結(jié)晶腐蝕風(fēng)險(xiǎn)大大增加。

表1 原料特性分析Tab.1 Analysis of raw material characteristics

渣油加氫反應(yīng)流出物系統(tǒng)Ⅰ系列的工藝流程如圖1所示。反應(yīng)流出物從反應(yīng)器Ⅰ-R-101底部流出后經(jīng)過(guò)換熱器Ⅰ-E-101降溫至336 ℃，通過(guò)熱高壓分離器Ⅰ-V-101進(jìn)行氣液兩相分離；底部的熱高分油去V-105進(jìn)行進(jìn)一步分離，頂部的油氣混合物經(jīng)換熱器換熱后降溫至181 ℃，空冷器前注入的沖洗水與油氣混合后溫度降低至129 ℃，隨后進(jìn)入加氫空冷器進(jìn)行對(duì)流換熱，冷卻至41 ℃的空冷器出口物流進(jìn)入分離罐Ⅰ-V-102 進(jìn)行油氣水三相分離，得到循環(huán)氫、冷高分油和酸性水并進(jìn)入后續(xù)流程。

渣油加氫裝置空冷器翅片管與風(fēng)機(jī)空氣側(cè)的傳熱模型如圖2所示。

圖1 渣油加氫反應(yīng)流出物系統(tǒng)工藝流程

圖2 空冷器結(jié)構(gòu)示意

加氫反應(yīng)流出物Ⅰ系列共有4臺(tái)空冷器，每臺(tái)空冷器共分為3個(gè)管程，每個(gè)管程由兩排管組成。每臺(tái)空冷器中，奇數(shù)管排共有50根翅片管，偶數(shù)管排共有49根翅片管。后期對(duì)空冷器進(jìn)行改造，將奇數(shù)管排靠近管箱兩側(cè)的管束各堵2根作為假翅片管，將偶數(shù)管排靠近管箱兩側(cè)的管束各堵3根，從而提高整體流速。翅片管的直徑25 mm，壁厚3 mm，每排翅片管的長(zhǎng)度10.5 m。129 ℃的熱流體從空冷器入口管道進(jìn)入管箱內(nèi)，通過(guò)光管和翅片與外界進(jìn)行熱量交換，從空冷器風(fēng)機(jī)吹出的冷空氣經(jīng)過(guò)光管和翅片的外表面換熱后變成熱空氣，翅片管內(nèi)的熱流體被帶走熱量后進(jìn)入空冷器出口管箱，經(jīng)過(guò)多管程換熱后成為41 ℃的冷流體。在該工藝過(guò)程中，多相流介質(zhì)在管內(nèi)的流動(dòng)及相變特性受到傳熱過(guò)程的密切影響，因此需要對(duì)空冷器翅片管內(nèi)的傳熱特性進(jìn)一步分析。

1.2 銨鹽結(jié)晶失效機(jī)理與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

在加氫反應(yīng)過(guò)程中，原料中含有S,N和Cl的化合物和H2作用生成H2S,NH3和HCl氣體，腐蝕性介質(zhì)在氣相發(fā)生結(jié)晶反應(yīng)生成NH4Cl和NH4HS結(jié)晶顆粒[15-18]。生成的銨鹽結(jié)晶顆粒不斷在管道頂部堆積，逐漸形成大的顆粒團(tuán)。隨著沖洗水的注入，部分銨鹽沉積顆粒溶解于水相中，但在液態(tài)水含量不足的情況下，銨鹽結(jié)晶顆粒的濕度增高，從而導(dǎo)致銨鹽顆粒不斷在翅片管壁吸附堆積，管內(nèi)流動(dòng)空間不斷減小，多相流流速不斷降低，使得局部堵塞區(qū)域的流體溫度急劇下降；在該溫度下的銨鹽結(jié)晶速率較大，銨鹽沉積堵塞進(jìn)一步加劇，長(zhǎng)此以往造成管道徹底堵死，引起空冷器翅片管彎曲變形，如圖3所示。

圖3 空冷器翅片管彎曲變形示意Fig.3 Schematic diagram of bending deformation of air cooler finned tube

根據(jù)反應(yīng)流出物系統(tǒng)分離得到的各相產(chǎn)物，采用逆序倒推法構(gòu)建工藝仿真模型，對(duì)反應(yīng)流出物系統(tǒng)的銨鹽結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算[12]。通過(guò)計(jì)算工況下的腐蝕性介質(zhì)在氣相中的分壓乘積，與結(jié)晶平衡熱力學(xué)曲線進(jìn)行對(duì)比，得到反應(yīng)流出物系統(tǒng)的銨鹽結(jié)晶溫度,如圖4所示。經(jīng)比對(duì)分析，反應(yīng)流出物系統(tǒng)的NH4Cl結(jié)晶溫度為200 ℃，此溫度分布在換熱器Ⅰ-E-103內(nèi)，因此反應(yīng)流出物系統(tǒng)具有 NH4Cl結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算可知NH4HS結(jié)晶溫度為13 ℃，不在反應(yīng)流出物系統(tǒng)的溫度范圍內(nèi)，因此判斷反應(yīng)流出物系統(tǒng)內(nèi)沒(méi)有NH4HS結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。

(a)NH4Cl結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

(b)NH4HS結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)圖4 銨鹽結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)Fig.4 Risk prediction of ammonium salt crystallization

2 數(shù)值模型介紹

2.1 物理模型

利用SOLIDWORKS建模軟件實(shí)現(xiàn)空冷器的物理模型構(gòu)建，并通過(guò)ICEM軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)所有的內(nèi)部點(diǎn)都具有相同的毗鄰單元，具有更好的計(jì)算精度。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證分析，網(wǎng)格數(shù)量為405萬(wàn)時(shí)收斂性較好，能夠滿足計(jì)算要求?？绽淦骶W(wǎng)格劃分與邊界條件如圖5所示。

圖5 空冷器網(wǎng)格劃分與邊界條件Fig.5 Meshing and boundary conditions of air cooler

對(duì)空冷器入口管道壁面的邊界層進(jìn)行加密處理，同時(shí)采用質(zhì)量入口并設(shè)置油氣水三相混合物流的物性參數(shù)。空冷器管箱設(shè)置為絕熱壁面，保證多相流進(jìn)入空冷器管箱后無(wú)溫度耗散；空冷器翅片管束為對(duì)流傳熱壁面，管束的出口為壓力出口，同樣采用邊界層加密的方法保證截面及近壁面的計(jì)算精度。

2.2 控制方程

采用數(shù)值方法對(duì)空冷器管束的多相流流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬，一般控制方程見(jiàn)式(1)(2)，其中式(1)為質(zhì)量守恒方程，式(2)為能量守恒方程。

(1)

(2)

式中，ρ為流體的密度，kg/m3；μ為流體的動(dòng)力黏度，kg/(m·s)；T為流體的溫度,℃;k為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Cp為流體的比熱容，J/(kg·K);SE為微元體內(nèi)熱源。

采用SSTk-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，該模型在湍流黏度定義中考慮了湍流剪切應(yīng)力的輸運(yùn)，精度和可靠性更高，控制方程如下：

(3)

(4)

式中，Гk，Гω分別為k，ω的有效擴(kuò)散系數(shù)；Gk為由于平均速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Yk，Yω為k，ω由于湍流作用而產(chǎn)生的耗散；Sk，Sω為用戶自定義源項(xiàng)。

2.3 對(duì)流傳熱模型

開(kāi)啟能量方程對(duì)空冷管束內(nèi)多相流的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)進(jìn)出口流體的物性參數(shù)，計(jì)算得到管內(nèi)流體的熱負(fù)荷如下：

QR=Wi(Hl1-Hl2)

(5)

式中，QR為管內(nèi)流體產(chǎn)生的熱負(fù)荷,W;Wi為管內(nèi)流體的質(zhì)量流量,kg/s;Hl1,Hl2分別為管內(nèi)流體在進(jìn)口和出口溫度下的熱焓,kJ/kg。

空冷翅片管換熱傳熱模型分為外部換熱區(qū)域與內(nèi)部換熱區(qū)域。外部換熱區(qū)域中主要存在空氣與光管和翅片對(duì)流換熱的過(guò)程，對(duì)于內(nèi)熱內(nèi)部區(qū)域，主要存在管內(nèi)流體與光管和翅片換熱的過(guò)程，通過(guò)計(jì)算可得到空冷翅片管換熱模型的總體換熱系數(shù)K：

(6)

式中，ho為管道對(duì)空氣的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；hi為管道對(duì)流體的傳熱系數(shù)；φ為修正系數(shù)；ri為流體的污垢熱阻，W/(m2·K);D為管道的外徑，m;d為管道的內(nèi)徑，m;ro為空氣的污垢熱阻，W/(m2·K)；rf為其他熱阻，W/(m2·K);rg為間隙熱阻,W/(m2·K)。

3 空冷器銨鹽沉積特性數(shù)值模擬預(yù)測(cè)

3.1 空冷器整體流場(chǎng)分析

對(duì)空冷器整體流場(chǎng)的平均流速和平均溫度分布進(jìn)行分析，取距離入口管箱2 m處截面上的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

(a)

(b)圖6 空冷管束平均流速和平均溫度分布Fig.6 Distribution of average velocity and average temperature of air cooler tube bundle

從圖6可以看出，平均溫度與平均流速的分布呈現(xiàn)大致相同的趨勢(shì)，在空冷器正對(duì)入口法蘭處、管箱中心區(qū)域及管箱兩側(cè)的流速與溫度較高，而空冷器正對(duì)法蘭處兩側(cè)存在低流速與低溫區(qū)域。在平均流速偏低的區(qū)域，翅片管內(nèi)的多相流溫度也較低，這是因?yàn)樵诹魉佥^低區(qū)域，管束內(nèi)多相流的停留時(shí)間較長(zhǎng)，與翅片管內(nèi)壁面的換熱時(shí)間更長(zhǎng)，因此溫度降低的幅度較大。

圖7示出空冷器管箱的流線分布。多相流從空冷器入口正對(duì)法蘭處進(jìn)入空冷器管箱，隨后在管箱內(nèi)擴(kuò)展流動(dòng)，空冷器管箱兩側(cè)及管箱中心存在高速渦流區(qū)域，導(dǎo)致該區(qū)域的管束內(nèi)多相流平均流速較大；同時(shí)，液相物質(zhì)在重力的作用下沉降至空冷器底部，導(dǎo)致空冷器第2管排管束內(nèi)的液相分率較大，因此空冷器第2管排的平均流速低于第1管排。此外，空冷器第1管排正對(duì)法蘭兩側(cè)存在低流速區(qū)域，其中第1管排正對(duì)法蘭兩側(cè)管束的流速較低，因此該區(qū)域管道的銨鹽沉積風(fēng)險(xiǎn)最大，需要重點(diǎn)分析。

圖7 空冷器管箱內(nèi)流線分布Fig.7 Streamline distribution in air cooler channel box

3.2 高風(fēng)險(xiǎn)管道流場(chǎng)分析

基于空冷器整體流場(chǎng)的分析結(jié)果，取空冷器風(fēng)險(xiǎn)最大的第33根管束進(jìn)行研究，對(duì)該翅片管在入口管箱不同距離截面上的流速和溫度分布進(jìn)行分析，如圖8所示。結(jié)果表明，隨著相對(duì)入口管箱距離的增大，管內(nèi)高/低流速區(qū)域分層愈發(fā)顯著，在Z=2 m截面上的高流速區(qū)域主要集中在管道頂部附近，呈現(xiàn)明顯的階梯狀分布；在Z=8 m截面上的高流速區(qū)域分布在管道上部區(qū)域，較為集中。同時(shí)，隨著距離的增加，管內(nèi)低流速區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，這是由于隨著流動(dòng)距離的增加，多相流的混合與發(fā)展更加的充分，密度最大的液相物質(zhì)在重力的作用下不斷沉降，造成管道高/低流速區(qū)域的進(jìn)一步分層。在此過(guò)程中，隨著相對(duì)入口管箱距離的增大，截面上的整體平均溫度不斷降低，這是因?yàn)殡S著多相流在管內(nèi)的持續(xù)流動(dòng)，通過(guò)光管與翅片與外界空氣不斷交換熱量，因此整體溫度不斷降低。同時(shí)，隨著距離的增加，截面上的高溫區(qū)域不斷下移；在Z=2 m截面上，管內(nèi)流動(dòng)的高溫區(qū)域主要分布在管道中心偏上位置，低溫區(qū)域主要集中在管道近壁面附近，在Z=8 m截面上，高溫區(qū)域逐漸下移至管道底部附近。這是由于在近壁面處主要存在比熱容相對(duì)較低的氣相物質(zhì)，該區(qū)域的管內(nèi)流體與外界的換熱速率最高，降溫趨勢(shì)最為明顯；同時(shí)隨著比熱容較大的液相物質(zhì)不斷沉降，流體與管道壁面的換熱較為緩慢，導(dǎo)致高溫區(qū)域不斷下移。

圖8 不同距離截面上的流速和溫度分布

對(duì)翅片管內(nèi)平均溫度與流速隨距離的整體變化趨勢(shì)進(jìn)行進(jìn)一步分析，如圖9所示。隨著距離的增加，多相流的平均溫度和平均流速不斷降低。這是由于溫度的降低造成多相流氣-液相不斷轉(zhuǎn)換，在溫度較低區(qū)域相變過(guò)程更加顯著，流速較大的氣相物質(zhì)不斷轉(zhuǎn)換成液相，造成管內(nèi)平均流速不斷降低。

圖9 管內(nèi)平均溫度和平均流速的變化規(guī)律Fig.9 Variation rule of average temperature and average velocity in the tube

3.3 銨鹽沉積特性分析

圖10(a)示出多相流介質(zhì)中腐蝕性氣體NH3和HCl隨溫度變化的分布規(guī)律。隨著多相流溫度的降低，氣相中NH3的摩爾分率不斷降低，而HCl的摩爾分率不斷升高。這是因?yàn)殡S著溫度的降低，NH3在水相中的溶解度不斷升高并大量溶解，造成NH3氣相分率的不斷降低和氣相總體摩爾流量的下降，因此HCl的摩爾分率隨之升高。隨著溫度的降低，HCl的摩爾分率升高速度逐漸放緩，這和HCl在水中溶解度的升高也有直接關(guān)聯(lián)。

(a)氣相中NH3和HCl摩爾分率隨溫度的變化規(guī)律

(b)氯化銨結(jié)晶速率隨溫度的變化規(guī)律圖10 銨鹽沉積特性預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.10 Prediction result of deposition characteristics of ammonium salt

圖10(b)示出氯化銨在管束內(nèi)的結(jié)晶速率隨溫度變化的規(guī)律。隨著溫度的降低，銨鹽結(jié)晶速率呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，但增大的速率逐漸放緩，這和HCl在氣相中摩爾分率的變化密切相關(guān)。因此在靠近出口管道附近區(qū)域，銨鹽結(jié)晶速率達(dá)到最大值，是管內(nèi)銨鹽結(jié)晶沉積堵塞的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

4 失效解剖驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，在停工檢修階段，取每管排第23,29,36根管束進(jìn)行失效解剖，驗(yàn)證銨鹽結(jié)晶預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，結(jié)果如圖11所示。

圖11 空冷器管束解剖驗(yàn)證示意Fig.11 Anatomical verification diagram of air cooler tube bundle

圖12 空冷管束堵塞垢物形貌Fig.12 Morphology of blockage scale in air cooler tube bundle

圖12為空冷器管束的失效解剖驗(yàn)證。結(jié)果顯示，空冷器第1排第23根和第29根管束內(nèi)堵塞嚴(yán)重，堵塞形貌為白色晶體呈環(huán)形狀附著在壁面上，其余管束未發(fā)現(xiàn)明顯堵塞。其中，第1排第23根管束堵塞位置距離出口管箱710 mm，第1排第29根管束堵塞位置距離出口管箱2 879 mm；根據(jù)溫度分析可知，堵塞部位均為第1排管束靠近出口管箱附近區(qū)域，結(jié)合銨鹽結(jié)晶速率分析結(jié)果，該區(qū)域?yàn)殇@鹽結(jié)晶速率最大區(qū)間，與模型預(yù)測(cè)結(jié)果吻合。從空冷器整體平均溫度分布規(guī)律可知，該區(qū)域并不屬于流速最低區(qū)域，但翅片管內(nèi)銨鹽沉積堵塞已較為嚴(yán)重，因此判斷空冷器整體的銨鹽沉積堵塞風(fēng)險(xiǎn)較大。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)渣油加氫空冷器的銨鹽沉積特性預(yù)測(cè)方法進(jìn)行研究，首先研究氯化銨在空冷管束內(nèi)的沉積腐蝕機(jī)理，對(duì)渣油加氫反應(yīng)流出物系統(tǒng)的工藝過(guò)程進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)了渣油加氫空冷器的NH4Cl結(jié)晶沉積風(fēng)險(xiǎn)；構(gòu)建了空冷翅片管與外界空氣的對(duì)流換熱模型，通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)管內(nèi)多相流的流動(dòng)及傳熱特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)空冷器第1管排正對(duì)入口法蘭附近管束的流速和溫度較低；同時(shí)，隨著相對(duì)入口管箱距離的增加，管束內(nèi)多相流的平均流速和平均溫度不斷降低，HCl的氣相摩爾分率不斷升高，造成氯化銨結(jié)晶速率也隨著溫度的降低不斷升高，因此判斷空冷器第1管排正對(duì)法蘭管束的后部的結(jié)晶沉積風(fēng)險(xiǎn)最高。對(duì)空冷管束堵塞情況進(jìn)行解剖驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)第1排第23根管束距離出口管箱710 mm處以及第1排第29根管束距離出口管箱2 879 mm處存在氯化銨沉積堵塞，其余管束未發(fā)現(xiàn)明顯堵塞情況。

雖然本文提出了渣油加氫空冷器的銨鹽沉積特性預(yù)測(cè)方法，通過(guò)失效解剖驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性，但空冷器銨鹽結(jié)晶沉積腐蝕的問(wèn)題，還需要對(duì)原料的腐蝕性進(jìn)行控制，在生產(chǎn)過(guò)程中采取工藝防護(hù)方法，才能從根本上解決。