張智亮，胡紫維，張 昕，劉 強(qiáng)，張本軒，周 銳，陳柳君，李 超，何 軍

(1. 西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；2. 中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；3. 北京興油工程項目管理有限公司，北京 100089；4. 中國石油西部鉆探吐哈鉆井公司，新疆 吐魯番 838200；5. 中國石油玉門油田分公司，甘肅 酒泉 735200；6. 中國石油西部鉆探玉門鉆井公司，甘肅 酒泉 735200)

0 前 言

催化裂化是重質(zhì)油輕質(zhì)化的核心加工手段，而提升管末端旋流快分系統(tǒng)是催化裂化過程中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能的優(yōu)良直接影響系統(tǒng)的分離效率。在工業(yè)應(yīng)用中，流體中的固體顆粒造成的壁面沖蝕磨損成為了快分系統(tǒng)的主要失效形式之一，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用和發(fā)展。為了提高分離器的使用壽命，學(xué)者們對傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器、水力旋流器的磨損做了較多研究。袁惠新等[1]、韓婕等[2]分析了旋風(fēng)分離器壁面磨損的位置，從氣固兩相的流動特性、固相顆粒的特性、分離器的結(jié)構(gòu)以及壁面材質(zhì)方面，分析了壁面磨損產(chǎn)生的原因。金有海等[3]采用計算流體力學(xué)(CFD)軟件對旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場進(jìn)行顆粒追蹤，分析了壁面磨損。但是提升管末端帶隔流筒和隔流蓋板的旋流快分系統(tǒng)(SVQS)是中國石油大學(xué)(北京)盧春喜團(tuán)隊提出的新型分離系統(tǒng)，目前國內(nèi)外對該類型快分系統(tǒng)的沖蝕磨損研究極少。國內(nèi)僅夏明川等[4]對催化裂化反應(yīng)裝置的磨損及裂紋問題進(jìn)行了理論分析，國外還未見相關(guān)研究的報道。SVQS工作原理與傳統(tǒng)分離器原理一致，故在分析過程中借鑒了分離器的磨損研究思路，為本研究奠定了一定理論基礎(chǔ)。

SVQS快分系統(tǒng)性能優(yōu)良，最高分離效率可達(dá)到97.12%，能較好地消除“短路流”問題，且油氣平均停留時間短，具有較強(qiáng)的代表性[5]。為促進(jìn)SVQS系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用，以現(xiàn)有的研究成果為基礎(chǔ)，并運(yùn)用計算流體力學(xué)方法(CFD)對SVQS快分系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。對SVQS快分系統(tǒng)進(jìn)行壁面磨損分析，追蹤固體顆粒的運(yùn)行軌跡，分析其磨損規(guī)律，研究快分系統(tǒng)的磨損部位以及可能影響磨損的因素，結(jié)合磨損分布規(guī)律分析磨損原因，為快分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能的優(yōu)化以及安全高效運(yùn)行提供理論參考，以期提高快分系統(tǒng)的使用壽命。

1 磨損研究理論基礎(chǔ)

氣固兩相流對分離器壁面磨損的影響十分繁雜，是一個復(fù)雜的沖蝕磨損現(xiàn)象，其中任意一個因素的變化都可使壁面磨損發(fā)生改變并使磨損機(jī)理發(fā)生變化[6]。壁面磨損常見的是沖刷磨損和撞擊磨損2種形式，二者的區(qū)別主要在于顆粒撞擊壁面的沖擊角度不同。對于不同的材料，產(chǎn)生磨損的機(jī)理、形式不同。沖蝕磨損也稱為侵蝕或者侵蝕磨損，根據(jù)流動介質(zhì)可以分為氣固沖蝕磨損、液固沖蝕磨損、液滴沖蝕磨損以及氣蝕磨損。

氣固兩相流沖蝕磨損問題的模擬主要采用離散相模型(DPM)，該模型是通過歐拉 - 拉格朗日法來建立的，能夠有效地將計算介質(zhì)在歐拉坐標(biāo)系中進(jìn)行描述，通過數(shù)值計算可以得出理想的分析結(jié)果。其磨損率可定義為：

(1)

2 數(shù)值模擬分析

2.1 物理模型

SVQS快分系統(tǒng)的模型及結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu)尺寸如下：封閉罩長度4 000 mm、封閉罩直徑600 mm、提升管直徑100 mm、旋流臂噴口長度88 mm、旋流臂噴口寬度29 mm。模型沿軸向為Z軸，旋流臂頂部平面為Z=0平面，向下為正。

系統(tǒng)內(nèi)流體為氣、固兩相流，氣相介質(zhì)為空氣[溫度為20 ℃，密度為1.225 kg/m3，黏度為1.789 4×10-5kg/(m·s)]。固相介質(zhì)顆粒密度約為1 450 kg/m3，濃度為5 kg/m3，顆粒作為離散相進(jìn)入系統(tǒng)與氣體混合，同時顆粒粒徑分布符合雙R分布。根據(jù)Rosin - Rammler指數(shù)方程進(jìn)行擬合計算得到粒子的分布系數(shù)(spread parameter)為1.897，平均粒徑為66.9 μm。為保證結(jié)果可靠性，計算時預(yù)設(shè)的主要工作參數(shù)與快分系統(tǒng)實際應(yīng)用中的工作參數(shù)一致，具體數(shù)值詳見表1。

表1 預(yù)設(shè)工作參數(shù)與實際工作參數(shù)對比

2.2 邊界條件

系統(tǒng)提升管入口采用速度入口(velocity - inlet)，由于固體顆粒進(jìn)入系統(tǒng)時已有較佳的跟隨性，不存在相對滑移，故認(rèn)為氣、固兩相入口速度相同。固相顆粒濃度為5 kg/m3，其入口邊界條件為將入口射流源設(shè)為面源。計算過程中入口處湍流已處于充分發(fā)展的狀態(tài)，入口氣流都垂直于入口截面，且入口氣速在截面上均勻分布。提升管入口速度是根據(jù)旋流頭噴出口的速度計算得到的，本工作選擇的噴出口速度為20 m/s，根據(jù)公式(2)計算可得提升管入口速度vi=19.5 m/s。具體入口邊界參數(shù)值詳見表2。

表2 入口邊界參數(shù)值

(2)

式中：vi為入口速度；vs為旋流頭噴出速度，20 m/s；Si為入口截面面積；Ss為噴出口截面面積。

根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的經(jīng)驗并結(jié)合快分系統(tǒng)的流場特殊性，將固相出口處的氣相邊界設(shè)置為OUTFLOW(Flow rate weighting=0)，顆粒邊界設(shè)置為捕捉(Trap)；氣相出口處氣相邊界按照充分發(fā)展的管流條件設(shè)置為OUTFLOW(Flow rate weighting=1)，顆粒邊界設(shè)置為逃逸(Escape)；壁面處的氣相流場設(shè)置為無滑移邊界，顆粒相邊界設(shè)置為反彈(Reflect)。

3 計算結(jié)果可靠性驗證

為確保計算結(jié)果的可靠性和磨損分析的準(zhǔn)確性，將數(shù)值仿真結(jié)果與工業(yè)運(yùn)用中的快分系統(tǒng)壁面磨損情況進(jìn)行對比分析。SVQS快分系統(tǒng)在工業(yè)運(yùn)用中長周期運(yùn)行最終會出現(xiàn)嚴(yán)重的壁面破壞，嚴(yán)重影響其工作效率。如圖2所示是某企業(yè)催化裂化過程中使用的SVQS快分系統(tǒng)局部壁面破壞與本工作仿真結(jié)果的對比圖，該系統(tǒng)2008年投用，于2019年進(jìn)行大檢修時發(fā)現(xiàn)快分系統(tǒng)在長期磨損作用下旋流臂弧形段外壁面、沉降段以及封閉罩外壁面出現(xiàn)局部磨穿現(xiàn)象。

由圖2a可知，長期運(yùn)用的快分系統(tǒng)封閉罩壁面出現(xiàn)磨穿現(xiàn)象，其破壞開口痕跡較為集中，呈一條螺旋斜向下的線形縫；由圖2b可知，旋流臂外壁面的頂部出現(xiàn)了磨穿現(xiàn)象，磨穿位置在旋流臂的弧形段，磨穿位置較為集中，證明顆粒在此處的沖擊情況嚴(yán)重；由圖2c可知，在快分系統(tǒng)沉降段的錐形板中下部位出現(xiàn)了較大范圍的壁面磨穿現(xiàn)象。將磨損破壞的各個部位與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)仿真得到的磨損集中位置以及可能發(fā)生磨損破壞的部位和磨損破壞的開口形狀與實際情況相符，有效驗證了仿真結(jié)果的可靠性，證明可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行SVQS快分系統(tǒng)的磨損分析。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 速度分布

快分系統(tǒng)的流場為強(qiáng)旋流流場，內(nèi)部流場的速度是影響壁面磨損的重要因素，根據(jù)仿真結(jié)果，可得到系統(tǒng)內(nèi)部流場的速度分布云圖(如圖3a所示)和軸向不同截面的速度云圖(如圖3b所示)。分別沿Z軸不同位置的等距截面上取點(diǎn)A、B、C、D，得到各點(diǎn)速度隨軸向距離的變化曲線如圖4所示。系統(tǒng)內(nèi)部流場整體速度呈對稱分布，其速度變化具有規(guī)律性。流體在提升管內(nèi)速度幾乎不變，當(dāng)進(jìn)入旋流臂時在旋流臂速度入口處速度值達(dá)到最大，經(jīng)過旋流臂后，流體由于旋流作用產(chǎn)生較大的離心力，使得流體顆粒在離心力作用下偏離流場的流動方向，流體以較大的速度噴出沖擊到封閉罩壁面，經(jīng)多次壁面反彈后其切向速度逐漸衰減直至趨近于0。由速度曲線圖4b可知，隨著流體向下運(yùn)動，外旋流區(qū)域的速度逐漸減小，且越靠近封閉罩壁面位置的速度變化率越大。由圖4a可知，氣體在沉降段錐板作用下向上運(yùn)動后，內(nèi)旋流區(qū)域的速度逐漸減小，速度變化較為穩(wěn)定。在旋流頭頂端(Z=0)附近，速度變化較明顯，結(jié)合其結(jié)構(gòu)及運(yùn)動特性分析，主要是因為隔流筒結(jié)構(gòu)影響速度變化。

4.2 壁面磨損分析

SVQS快分系統(tǒng)的流場運(yùn)動較為特殊，壁面的磨損情況相對復(fù)雜，本工作主要分析嚴(yán)重磨損部位的磨損分布規(guī)律。快分系統(tǒng)不同方向的壁面磨損云圖如圖5所示，由圖可知，壁面靠近旋流臂噴出口位置的磨損最為嚴(yán)重，封閉罩壁面磨損軌跡是呈螺旋狀的磨損帶分布，且在自上而下的運(yùn)動中螺旋磨損帶的間距是逐漸增大的。隨著軸向距離增大，顆粒的切向速度逐漸減小，對壁面的沖擊減弱，磨損程度逐漸減弱，磨損率減小。流體從分離段進(jìn)入沉降段后，沉降段磨損率沿軸向先增大后減小，在中下部位置磨損達(dá)到最大值，此處易發(fā)生磨損破壞。不同方向的磨損云圖分布存在差異，這說明壁面磨損受到切向速度的影響。壁面的磨損分布軌跡與顆粒的運(yùn)動軌跡相符。

為準(zhǔn)確分析壁面磨損率的變化規(guī)律，沿軸向不同位置等距離截取若干個平面(與上述速度截面相同)，在每個截面的壁面相同位置分別取磨損率相對較大的點(diǎn)A、B、C和磨損率相對較小的點(diǎn)D、E、F，如圖6所示。分別對各點(diǎn)的磨損率值進(jìn)行分析，得到了磨損率的變化規(guī)律，如圖7所示。

由圖7可知，壁面磨損率呈波峰、波谷交替變化，表明磨損值呈間隔分布，與磨損云圖的螺旋磨損帶分布相符；隨著軸向距離的增大，磨損率逐漸減小且磨損值的變化率也減小。

SVQS快分系統(tǒng)的壁面磨損速率在不同圓周方向上是不同的，以X軸正半軸為圓周角0°起點(diǎn)，順時針方向間距30°位置分別取值，得到快分系統(tǒng)環(huán)形空間內(nèi)不同軸向位置的壁面磨損率沿圓周方向的變化曲線如圖8所示。

由圖8可知，各個截面的壁面磨損率都是以局部磨損為主，磨損率變化是呈“波形”變化；隨著軸向距離的增大，各截面圓周上的磨損值在減??；因受到系統(tǒng)內(nèi)部切向速度的影響，圓周上的磨損率幾乎是關(guān)于180°對稱的。Z=200 mm和Z=700 mm 2個截面的磨損率值相比其他截面明顯較大；Z=200 mm平面在圓周角為30°，150°，270°時磨損較為嚴(yán)重，Z=700～2 200 mm平面均在圓周角150°～180°附近磨損較嚴(yán)重，靠近封閉罩底部，磨損減小趨近于0。

旋流頭的磨損云圖如圖9所示。由圖可知，3個旋流臂的磨損分布情況幾乎相同，與系統(tǒng)內(nèi)部流場的切向速度對稱分布特點(diǎn)相符。旋流臂的磨損主要集中在外壁面的弧形段，部分磨損集中在旋流臂上、下部，內(nèi)壁面幾乎無磨損現(xiàn)象，其中弧形段中部位置的磨損值最大，此處易發(fā)生磨損破壞；旋流臂直線段外壁面的磨損分布不具規(guī)律性，磨損主要集中在壁面與上平面結(jié)合位置及附近區(qū)域，這與流場速度的分布相關(guān)。

隔流筒磨損云圖如圖10所示。由圖可知，隔流筒的磨損分布比較集中，主要集中在上部的擋板，擋板外邊緣的磨損值較大，內(nèi)邊緣附近的磨損值幾乎為零，磨損整體分布在圓周方向具有均勻?qū)ΨQ性。在圓周0°，90°，180°，270°的位置沿軸向提取壁面磨損值，得到不同圓周方向磨損值隨軸向距離的變化曲線如圖11所示。由圖可知，從內(nèi)邊緣到外邊緣磨損值逐漸增大，在不同圓周方向上磨損率在擋板外邊緣均出現(xiàn)最大值，磨損率也是呈“波形”變化。從磨損結(jié)果可知，隔流筒的在隔流擋板的外邊緣位置最容易發(fā)生壁面磨損破壞。

沉降段壁面磨損云圖如圖12所示。由圖可知，沉降段的壁面磨損變化具有從上到下逐漸增大的規(guī)律，在中下部靠近出口位置磨損相對嚴(yán)重，此處易發(fā)生磨損破壞。在不同方向的磨損云圖分布存在差異，且磨損軌跡總體呈斜向下分布，與顆粒螺旋向下運(yùn)動的軌跡相符合。

從磨損云圖可定性地分析沉降段壁面磨損率的變化情況，但是不能定量地分析磨損率的變化規(guī)律。沿圓周方向為0°，90°，180°，270°位置在不同軸向位置處分別提取磨損值，得到不同圓周方向上磨損率隨軸向距離的變化曲線如圖13所示。由圖可知，在錐形段與分離段接觸處有一定的磨損，沉降段上部磨損趨于0，隨著軸向距離的增大，磨損值總體呈先增大后減小的趨勢，在Z=3.4 m附近，磨損值變化明顯，在Z=3.5 m附近磨損值最大，說明此處磨損最嚴(yán)重，越靠近底部出口，壁面磨損值越小。

綜上所述，通過對快分系統(tǒng)的數(shù)值仿真分析，得到系統(tǒng)的主要磨損部位為旋流臂弧形段、壁面靠近噴出口位置、沉降段中下部位置、隔流筒擋板以及提升管頂部。壁面的磨損規(guī)律為：磨損主要以局部磨損為主，隨著軸向距離的增大，壁面磨損率逐漸減小。同時，綜合分析系統(tǒng)的速度分布以及磨損分布規(guī)律，可得到壁面磨損率大小與沖蝕的速度有關(guān)的結(jié)論。

4.3 磨損原因分析

從快分系統(tǒng)的壁面磨損分析結(jié)果看，流體切向速度大的部位其磨損值也較大，說明速度也是磨損的影響因素之一。高速流動的流體經(jīng)提升管進(jìn)入旋流頭，此時氣流具有很大的切向速度，旋流頭產(chǎn)生較大的離心力作用，使得流體中的顆粒相受到離心力和慣性作用不斷撞擊旋流臂壁面，造成壁面磨損。封閉罩的壁面磨損也是由于顆粒在離心力作用下沖擊壁面造成的，隨著流體向下螺旋運(yùn)動，切向速度越來越小，顆粒對壁面的沖擊也是越來越小，所以表現(xiàn)出壁面磨損率呈越來越小的趨勢，而顆粒未經(jīng)過的區(qū)域，其磨損率趨近于0，所以壁面磨損呈螺旋帶分布。

隔流筒擋板的磨損與附近區(qū)域流體的流動特性有很大關(guān)系，由于受到軸向速度和切向速度的影響，使得固體顆粒受到阻力、重力、離心力等力的作用，其中部分顆粒會出現(xiàn)受力平衡而懸浮在擋板附近，在氣流的作用下與擋板表面發(fā)生沖蝕作用形成沖蝕磨損。另外，由于其結(jié)構(gòu)有向下的斜度，流體從旋流臂噴出口噴出后，速度較大，部分顆粒撞擊到擋板表面也會造成磨損，可考慮改善結(jié)構(gòu)以減小磨損。

沉降段磨損是由于流體經(jīng)過分離段進(jìn)入沉降段后，錐形筒的半徑減小，顆粒受到的離心力逐漸增大，顆粒與壁面的沖擊作用更加明顯，所以顆粒對壁面造成的磨損逐漸增大。同時，分離的顆粒集中撞擊到錐板上，使得錐板集中的顆粒濃度較大，在不斷的顆粒沖擊作用下造成磨損破壞。

可知，壁面磨損與顆粒對壁面的作用相關(guān)，同時磨損率的大小也與速度、顆粒濃度相關(guān)。通過分析磨損原因及機(jī)理可知，沖蝕磨損主要是由于顆粒與壁面材料長期沖擊作用導(dǎo)致的，材料本身的性質(zhì)從根本上決定了抵抗磨損的能力，所以采用高耐磨性的材料可以有效減小壁面磨損，提高設(shè)備使用壽命。

5 結(jié) 論

利用Fluent軟件對SVQS快分系統(tǒng)進(jìn)行流動模擬，分析其內(nèi)部流場的壁面磨損情況。通過分析系統(tǒng)的磨損分布，可有效預(yù)測壁面破壞情況，分析磨損影響因素，為快分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下堅實的理論基礎(chǔ)。具體結(jié)論如下：

(1)得到快分系統(tǒng)內(nèi)部流場的速度分布規(guī)律，速度分布具有均勻性，圓周上不同方向的切向速度大小相同，方向相反。隨著流體向下運(yùn)動，外旋流的速度逐漸減小；隨著氣體向上運(yùn)動，內(nèi)旋流的速度逐漸減小。

(2)得到系統(tǒng)的主要磨損部位為旋流臂弧形段、壁面靠近噴出口位置、沉降段中下部位置、隔流筒擋板以及提升管頂部，并可得到各部位的磨損值。封閉罩壁面的磨損值隨著軸向距離的增大而逐漸減小，且磨損率的變化率越來越小。通過仿真結(jié)果與實際磨損的對比，驗證了本文壁面磨損數(shù)值分析方法的可行性。

(3)結(jié)合速度分布與磨損分布，速度大的部位磨損率相對較大；分析沉降段磨損分布可知，顆粒濃度大的部位磨損相對嚴(yán)重。流體對壁面的沖蝕磨損程度與其速度和顆粒濃度相關(guān)。

(4)通過分析磨損原因及磨損分布規(guī)律可知，在不考慮其他因素的情況下，磨損程度主要取決于壁面材料特性，可以通過改善材料提高設(shè)備的使用壽命。旋流臂、隔流筒等結(jié)構(gòu)可能是影響系統(tǒng)壁面磨損的因素，具體影響規(guī)律需要后續(xù)繼續(xù)研究。