加氫裂化REAC的仿真失效分析

偶國富，劉慧慧，王寬心，任海燕，王 凱，程福星

（1.浙江理工大學流動腐蝕研究所，杭州310018；2.杭州富如德科技有限公司，杭州310018）

加氫裂化REAC的仿真失效分析

偶國富1，2，劉慧慧1，王寬心1，任海燕1，王 凱1，程福星1

（1.浙江理工大學流動腐蝕研究所，杭州310018；2.杭州富如德科技有限公司，杭州310018）

通過對典型工況下工藝過程仿真分析、傳熱計算并結合CFD數值模擬，分析了熱高分空冷器的失效形式與管束失效部位，并運用遠場渦流檢測技術驗證結論的可靠性。結果表明：熱高分空冷管束的失效主要由高腐蝕性介質下的流體沖蝕造成；熱高分空冷系統中液態油相的黏度較低，可以降低溶液的腐蝕性和管壁所受的剪應力；典型工況下距空冷器入口5.8 m處溶液的腐蝕性強、管壁受到的剪應力大，是容易出現局部沖蝕減薄的危險區域。

空冷器；工藝仿真；傳熱計算；CFD仿真；加氫裂化

0 引 言

隨著世界能源危機的日益加深，煉油工業不斷向著裝置大型化、原油劣質化、運行工況苛刻化的方向發展。加氫裂化反應流出物空冷器（reactor effluent air coolers，REAC）作為煉油過程中的重要設備，頻繁出現堵管、爆管、泄漏事故，嚴重制約了企業的可持續發展［1-2］。REAC的腐蝕機理與失效形式與具體工藝過程密切相關，涉及化學反應、傳熱、相變、多相流動等多個領域［3］。流動腐蝕具有局部性、突發性和風險性特征，目前REAC的流動腐蝕失效并未得到有效控制。目前對流動腐蝕失效的有效控制主要通過實驗研究和數值模擬方法進行沖蝕失效研究，針對裝置中可能發生沖蝕失效的位置進行預測。文獻［4-6］搭建了水平和垂直式沖蝕實驗裝置，利用電化學阻抗譜法和極化曲線等方法研究了高溫高壓下的沖蝕問題。Kritzer等［7］研究了在高溫高壓下腐蝕性水溶液中不銹鋼、合金鋼等材料的腐蝕特性及影響因素。鄭玉貴等［8］研究了酸性懸浮液中沖蝕與腐蝕的協同作用，發現碳鋼和不銹鋼的沖蝕與磨蝕協同作用均較大，并比較了在給定的流速下不同材料的失重率。沖蝕失效的仿真預測，目前主要是通過FLUENT流體力學計算進行研究［9-13］。李健等［14］建立了氣、液、固三相流沖蝕磨損試驗裝置，研究了混合流場中試樣的磨損特征，通過掃描電子顯微鏡觀測了三相流沖蝕磨損表面，并借助計算機模擬分析了發生氣蝕破壞的條件，為進一步開展三相流氣蝕與沖蝕磨損研究奠定了基礎。

某煉油廠近年來因加工劣質原油，加氫裂化REAC管束出現了嚴重的局部穿孔失效。本文針對該裝置典型工況下的空冷器系統進行工藝過程、傳熱和流動關聯分析，首先運用Aspen對工藝過程進行仿真，獲得腐蝕性介質在各相中的分布及相關物性參數；其次運用HTRI對空冷器進行傳熱計算，獲得各管程的溫度分布；最后運用FLUENT軟件對管束進行流體力學模擬計算，得到各管程壁面剪切應力的分布情況。通過各仿真結果剖析了空冷器的失效形式，對失效位置進行了預測，并采用遠場渦流檢測技術對空冷管束進行全面檢測，對預測結果進行了驗證。

1 工藝過程分析

典型加氫裂化反應流出物熱高分系統的工藝流程如圖1所示。加氫反應流出物經換熱后進入高溫高壓分離器，分離出的氣體經換熱和注水后進入REAC進行冷卻，該股物流在REAC內冷卻過程中轉變成油-氣-水三相流，進入低溫高壓分離器分離為循環氫、冷高分油和含硫污水。高溫高壓分離器分離出的油相經低溫低壓分離器分離為低分干氣、低分油和含硫污水。為了防止氣相中的NH3、HCl、H2S等反應生成的銨鹽顆粒堵塞空冷管束及產生垢下腐蝕，在物流進入空冷器之前進行了注水。注水雖然能有效避免銨鹽沉積和垢下腐蝕，但是形成了具有高腐蝕性的水溶液。在空冷器中，隨溫度的逐漸降低，氣體中的H2S、NH3等不斷溶解到液態水中，溶液的腐蝕性不斷增強。腐蝕性的水溶液與碳鋼材料接觸發生電化學反應，在管束內壁行成腐蝕產物保護膜，在一定的流體的沖刷作用下，這層保護膜會受壁面剪切應力作用而發生剝離破壞，使碳鋼管束再次裸露在腐蝕性流體中，如此反復，金屬材料不斷損耗而使得管壁減?。?5-16］，管壁沖蝕減薄失效是在腐蝕和沖刷共同作用下形成的。管壁沖蝕失效過程見圖2。開始管件基體和腐蝕產物保護膜的表面是都是平滑的，如圖2（a）所示；腐蝕產物保護膜被完全被破壞，裸露出的碳鋼管件基體進一步被腐蝕，碳鋼管件的基體局部減薄，從而使得腐蝕保護膜表面凹凸不平，如圖2（b）所示。新產生的腐蝕產物保護膜再次被破壞，如此反復，碳鋼管件的基體不斷地被腐蝕，逐漸減薄直至穿孔。

圖1 加氫裂化熱高分REAC系統工藝流程

圖2 管壁沖蝕減薄失效過程示意

2 仿真分析

2.1 工藝過程仿真

運用化工工藝模擬軟件Aspen對REAC分離過程進行工藝過程仿真。反應流出物從常壓塔頂出來經過冷卻過程進行分離，整個過程只發生物理變化，不涉及化學組分的變化，且各產品的分析數據較易獲得，因此，根據物料守衡原理采用“逆推過程”進行建模，即根據各分離及精餾后物料的物性參數，利用Aspen軟件中的混合器模塊，推導出常壓塔頂系統中各設備中物流的物性參數及系統的油-氣-水三相的平衡體系。REAC系統Aspen工藝模型見圖3。通過工藝過程仿真獲得空冷器內油-氣-水三相流量、水相NH+4濃度隨管程溫度的變化規律，從而得到不同溫度下溶液的腐蝕性強弱和發生相變的溫度。另外，模擬計算得到不同溫度下各相的物性數據，為空冷器的傳熱計算與流體力學仿真提供基礎數據。

圖3 REAC系統Aspen工藝模型

2.2 空冷器傳熱計算

運用HTRI傳熱計算軟件導入Aspen仿真所得到的物性數據，根據圖4所示的空冷管束結構參數進行傳熱計算?？绽淦魅肟跍囟葹?16℃，出口溫度為40℃，操作壓力為14.2 MPa，管束外空氣的流速為2.5 m/s，溫度取平均值35℃，管束長10.0 m。通過傳熱計算獲得空冷器管束的溫度場分布，結合Aspen仿真所獲得的流體物性隨溫度的變化情況，對空冷管束內溶液的腐蝕強度隨位置的變化規律以及發生相變的具體位置進行預測。

圖4 空冷器管束結構參數

2.3 CFD仿真分析

運用CFD軟件進行REAC系統的建模與仿真，計算管束所受的壁面剪應力變化情況。由于對整臺空冷器建模計算所需計算機性能較高，難以得到精確解，且空冷器結構的對稱分布，相同管程的管束流體性質和流量基本一致，故每管程只對單根管束進行建模，計算模型與網格如圖5所示。計算模型選擇k-ε湍流模型，充分考慮流動過程中速度邊界層的影響，在進口端設置速度入口，并分別設置Aspen仿真得到的第一、二管程入口物流參數，尾端設置壓力出口。

圖5 數值模擬的計算模型與網格

3 結果與討論

3.1 工藝過程分析

根據工藝仿真得到了第一、二管程入口物性的參數（表1），油-氣-水三相流量和水相NH+4濃度隨溫度的變化情況如圖6、圖7所示。由表1可見，熱高分空冷系統中的油相的黏度較水相低，在較高流速下可以形成油包水型乳濁液，對管束的腐蝕起到一定的抑制作用［17］。

表1 REAC第一、二管程入口物流的物性參數

由圖6可見當溫度降低到149℃時，物流由氣相開始轉變為氣-水兩相，而空冷器器的入口溫度為116℃，所以發生相變的位置在空冷器之前。在空冷器入口處已存在氣-水兩相，且液態水量已達5.1 t/ h，因此能有效避免銨鹽沉積。流體溫度降低到92℃時開始出現液態油，且隨溫度的降低其流量不斷增大。由圖7可見，隨著溫度的降低水相中NH+4濃度逐漸增加，說明水溶液腐蝕性不斷增強，溫度降低到80℃以下時，水溶液的腐蝕性趨于穩定。

圖6 三相流量隨溫度的變化

圖7 NH+4濃度隨溫度的變化

綜上，反應流出物進入第一管程后，隨著溫度的降低，液態水增加，同時溶液中NH+4濃度也相應增加，在液態油出現并到達一定量以前，如果管壁所受的剪切應力比較大，蝕腐蝕產物保護膜會很容易被剝離破壞，高濃度的腐蝕溶液環境中，管束就會不斷的沖蝕減薄。

3.2 傳熱計算結果

通過HTRI傳熱計算得到了各管程溫度分布，如圖8所示。設多項式為T=A+Bx+Cx2，運用最小二乘法對曲線進行多項式擬合，得出各系數值分別為A=115.530，B=-4.816，C=0.128。根據擬合曲線，溫度為92℃所對應的管束位置在距離第一管程入口5.8 m處，此位置之后反應流出物由氣-水兩相流轉變為油-氣-水三相流。此處水相N濃度已達到較高值，溶液的腐蝕性較大。隨流體溫度的進一步降低，水相的腐蝕性變化不大，而液態油相流量的不斷增加，使流體對管束的腐蝕逐漸降低。因此，距第一管程入口5.8 m處流體對管束的腐蝕最為嚴重，若此處管壁所受的剪應力較大，腐蝕產物保護膜將很容易被沖破，發生局部的沖刷減薄。

圖8 第一管排不同位置的溫度分布

3.3 CFD仿真結果

通過CFD計算得到的第一、二管程管束底部剪應力的變化如圖9所示。反應流出物由管箱進入管束后，由于局部紊流的影響管壁所受的剪應力波動較大，但由于各管束入口均設有不銹鋼襯管，所以入口處不會造成嚴重的局部沖蝕。第一管程管束所受壁面剪切應力從距入口0.5 m之后趨于穩定，且壁面剪切應力值較大，大于4 MPa。第二管程管的束所受的剪應力明顯降低，這可能是由于隨溫度降低，反應流出物流速不斷降低且黏度較低的液態油量不斷增大兩者共同作用的結果。綜上，距第一管程入口5.8 m附近區域，溶液的腐蝕性最強，且管壁剪應力值較大，是發生沖蝕失效最危險區域。

圖9 各管程管壁底部剪應力的變化

3.4 遠場渦流檢測驗證

為分析該空冷器失效位置的分布規律，對空冷器的所有未穿孔管束進行遠場渦流檢測。典型腐蝕缺陷信號如圖10所示。結果顯示，第一管程的大部分管束存在一定程度的局部腐蝕減薄，腐蝕減薄的位置大部分在距入口5.3～6.5 m的區域，其它管程的管束沒有探測到嚴重的減薄現象，與仿真分析得出的失效位置基本吻合。由于煉油廠實際運行工況和原料油S、N含量均有所波動，所以管束沖蝕減薄的實際位置會有所變化，在距空冷器入口5.8 m附近的一段區域。該空冷器管束腐蝕失效形貌如圖11所示。

圖10 典型腐蝕缺陷信號

圖11 管束橫截面的沖蝕減薄形貌

4 結 論

腐蝕性介質下的多相流沖蝕是造成加氫裂化熱高分反應流出物空冷器管束失效的主要原因，在劣質油加工過程中可采取強化原料油脫氮、增強循環氫脫硫和增加注水量等措施降低系統沖蝕失效的風險。典型工況下，熱高分空冷器發生沖蝕失效的最危險的區域是距第一管程入口5.8 m附近區域，在裝置運行期間應重點監控。熱高分空冷器中的液態油黏度較低，可抑制水溶液對管壁的腐蝕，降低管壁所受的剪應力，所以在反應流出物冷卻系統設計過程中，應盡量在空冷器之前出現液態油，或者對腐蝕性高、剪應力大的局部區域進行材質升級或做特殊處理。本文的分析方法和結論可為同類熱高分空冷系統的失效預測、風險評估及設計制造提供參考。

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AnaIysis of SimuIation FaiIure of Hydrocracking REAC

OUGuo-fu1，2，LIU Hui-hui1，WANG Kuan-xin，REN Hai-yan1，WANG Kai1，CHENG Fu-xing1
（1.Flow Corrosion Research Institution of Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China；2.Hangzhou FLUID Technology Co.，Ltd.Hangzhou 310018，China）

This paper analyzes failure mode and location of hot and high air cooler through simulated analysis of craft process in typical working conditions and heat-transfer calculation and combination of CFD numerical simulation.Far-field eddy current testing technology is used to verify the reliability of the conclusion.The results show that tube bundle failure of hot and high air cooler is mainly caused by erosion of the highly corrosive media.Low-viscosity liquid oil in hot and high air cooling system can reduce the corrosivity of the solution and shearing strength of the tube wall.Under the typical operating condition，the solution at 5.8 m away from the inlet of the air cooler has the strongest corrosivity and the tube wall suffers the largest shearing strength.So，it is a dangerous area where partial washout can easily happen.

air cooler；craft simulation；heat-transfer calculation；CFD simulation；hydrocraching

TQ026.5

A

（責任編輯：康 鋒）

1673-3851（2014）05-0491-05

2014-01-09

國家科技支撐計劃（2012BAK13B03-02）；國家基金委與神華集團聯合資助項目（U1261124）

偶國富（1965-），男，江蘇太倉人，教授，主要從事流動腐蝕預測和石化裝置安全保障技術研究。