Barracuda在减少FCC旋风分离器冲蚀磨损方面的应用

      流体催化裂化装置（FCCU）对于许多炼油厂至关重要，尤其是专注于汽油生产的炼油厂。FCCU能够将重质的低价值原料转化为多种高价值产品，例如汽油、柴油和其他轻质气体。而且该工艺十分灵活，可通过改变操作条件和催化剂用于多种原料的处理，实现多种产品的生产。

                               
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图1  FCCU示意图(左)  卡特里次堡反应器上部容器(右)

      常用FCCU如图1中的左图所示，主要由反应器和再生器组成。重质烃原料注入反应器，接触热催化剂颗粒后迅速气化。当气体-颗粒上升到提升管部分时，迅速反应形成轻质气体，并在催化剂颗粒上沉积焦炭。从提升管顶部出来后，催化剂与产品气流分离。在汽提塔部分除去催化剂中剩余的碳氢化合物。然后在再生器中将催化剂颗粒上的焦炭烧掉，实现过程中的热量提供和催化剂的清洗再生。再生的催化剂从提升管的底部重新引入反应器，完成循环回路。

      本案例主要基于马拉松石油卡特里次堡炼油厂采用Barracuda在减少FCC旋风分离器冲蚀磨损方面的应用分析。

问题及主要技术点
      对于大多数催化裂化装置FCCU来说，由于循环催化剂长期的撞击作用，不断对设备造成冲蚀磨损，特别是旋风分离器是发生冲蚀磨损的主要部位，存在着安全隐患并制约着设备的持续稳定运行，严重时会导致设备性能恶化，发生意外停车甚至安全事故，给生产运行商和炼油厂带来巨大的经济损失。因此对于旋风分离器的设计改进显得尤为重要。

      由于旋风分离器内部气体旋流的复杂性以及涉及到气固两相流动，其设计优化工作依然面临诸多困难，尤其是对于某些关键技术点的仿真分析和计算精度上仍面临许多挑战。其主要的技术关注点有：

• 颗粒分离效率
• 颗粒分级分离效率（不同粒径下的分离效率）
• 设备磨损
• 旋风分离器压损（压力分布）
• 影响分离效率的因素分析（粒径、进口风速）
• 颗粒、气体停留时间
  

      如何利用CPFD技术进行旋风分离器的性能分析，并进行针对性的改进和优化，是本文主要阐述的内容。

相关案例介绍
      美国第二大炼油公司：马拉松石油Marathon Petroleum(MPC)。卡特里次堡FCC装置最初于1983年投入使用，是世界上第一个常压重油转化（RCC）装置。该工艺由环球油品公司UOP和亚什兰Ashland（特种化工品制造商）联合开发，额定产能为43 千桶/天（原油）。反应器/提升管系统在低压下运行，以使碳氢化合物的分压降至最低，并促进残油原料的完全快速汽化。2003年炼油厂将RCC装置升级改造为FCC装置，设计采用加氢处理工艺，同时增加设备操作压力，将两级再生器转换为全燃运行，额定产能为95 千桶/天（原油）。

      图1右侧为上部反应器的正视图。反应器的内径为26英尺（7.9m）。在机组周转期间，发现旋风分离器跨接管道上冲蚀磨损严重。考虑到该FCC旋风分离器已有30年历史，处于机械寿命末端，计划在下一个设备周转期间换装新的旋风分离器。为了减轻冲蚀磨损，计划对新的旋风分离器进行一些设计更改，包括：出口立管上部的扩大、连接出口立管与旋风分离器的跨接管的扩大，以及出口立管中加装防涡流挡板，这些主要改进项目包含在方案1中。考虑另外一些因素，进行出口立管和跨接管之间的倾斜过渡的改进，这部分包含在方案2中。

      马拉松石油MPC为了弄清楚卡特里次堡FCCU中发生冲蚀磨损的原因，同时在工程设计期限内完成候选改造方案对冲蚀磨损的改善效果评估，选取专业的计算颗粒流体动力学（CPFD）仿真工具Barracuda来进行旋风分离器性能模拟和辅助改进设计工作。

      Barracuda软件以计算计算颗粒流体动力学（CPFD）技术为核心，是一款专门用于模拟“颗粒-流体”系统流动和化学反应的商用软件包，致力于工业级大规模颗粒流体系统的模拟，能够实现大型工业装置内流动、传热和化学反应的三维模型快速精确求解。综合对比考察后，MPC选择采用商用软件Barracuda对FCC旋风分离系统进行了详细的3D建模仿真和分析。首先对炼油厂现有设备进行建模仿真分析与实际结果对比，完成CPFD计算模型标定；然后对改进方案建模分析，评估两种设计方案的冲蚀磨损情况。通过CPFD模拟仿真分析，为方案选定提供了参考，且改进方案投运后运行情况良好，达到了预期的设计目标。

CPFD解决方案

计算模型
      CPFD方法是一种欧拉-拉格朗日双向耦合的计算方法，流体采用欧拉方法，通过求解Navier-Stokes方程来描述流场；颗粒相采用拉格朗日方法，根据MP-PIC数值方法（Multiphase particle-in-cell method）进行颗粒求算。

                               
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图2 Barracuda软件中的壁面磨损窗口

      Barracuda软件中有专门的壁面冲蚀磨损模型（操作界面如图2），将壁面冲蚀磨损定义为颗粒质量、颗粒速度和颗粒冲击壁面的角度的函数，表达式如下：

                               
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      式中，p为颗粒质量，单位kg/s；p为颗粒速度，单位m/s；a，b为自定义常数；是权重因子，是冲击角的函数。

      其中的不仅考虑了颗粒冲击壁面的角度影响，同时可以考虑壁面和颗粒材料的因素，不同的材料时参考值如表1所示。

                               
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图3 反应装置上部：三维实体模型(左)和CFD网格(右)

      图3所示分别为反应器3D实体模型和计算网格。该3D实体模型由主分离室、出口立管和十个跨接管组成，对十个旋风分离器只建立了1个模型进行示意。计算网格是从587,000个单元的笛卡尔网格中切出，用160万个计算粒子进行催化剂流场解析。

      Barracuda由于采用独特的网格处理方式，模型中的网格单元数通常低于许多CFD模型中使用的网格单元数。计算网格内部细节包括模型中的反应分离器、防涡流挡板和旋风涡流管。

      气体由提升管出口的多个旋流头进入旋风分离器，旋风分离器出口设置为压力边界条件（BC）。在其他九个跨接管道的末端同样采用压力BC，压力值通过旋风分离器进口的瞬态监测点获取，并进行一些微调，以保持十个跨接管之间的时间平均气体分布相同。主分离室底部同样采用压力BC，以允许气体流出与旋流颗粒混合，同时允许下面汽提塔段的全部气体流入。旋风分离器料腿的底部允许少量气体流出。系统压力维持在2atm（绝对压力）。

      催化剂颗粒密度为1450 kg/m3，以454吨/小时的质量流量引入旋流头。为保证压力平衡，计算开始时，在旋风分离器料腿中初始化部分颗粒实现密封。

      由于计算模型主要关注设备表面的冲蚀磨损程度，因此进行了简化假设：忽略化学反应，将气体视为单一组成的物质，模拟基于805K下的等温系统。

      为了便于计算颗粒对耐火材料衬里表面的影响，冲蚀磨损指数定义如下：

                               
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      其中Cα是与冲击角度有关的系数，m是粒子质量，v是粒子速度。将Cα设置为垂直于表面冲击时的值最大，以便模拟材料的冲蚀磨损特性。

      将影响给定壁面的所有颗粒p的函数相加，并通过时间T和表面修正面积A进行归一化。需要强调的是，此模型取决于特定颗粒的参数（质量、速度和冲击角度都是基于每个颗粒确定的属性）。因此，该冲蚀指数需要欧拉-拉格朗日公式：必须对离散颗粒建模才能使用基于冲击的冲蚀计算。

      首先将该计算模型用于模拟具有已知冲蚀特征的现有装置。如图3左侧所示为模拟计算10s时的催化剂停留时间分布（RTD）。根据前期的模拟工作发现10s足以建立准稳态的颗粒流动模式，因此在10s时激活冲蚀模型和数据的时间平均统计，总共模拟30s。

      图4中右侧图示为冲蚀可能性较高的区域。按严重程度进行着色，红色表示最高。三个最主要的冲蚀区域：

• 跨接管的短边；
• 跨接管的顶部；
• 旋风分离器主体的入口扫掠区域。
  

                               
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图4 计算启动(左)，计算冲蚀模式(右)

      图5中展示的是先前周转检查发现的实际设备的冲蚀情况。可以看出旋风分离器的冲蚀损坏位置和程度与CPFD模拟预测结果基本一致。基于基准案例与现场观察之间的这种比较，该模型得到验证，然后将其用于对改造方案的模拟并与基准案例进行对比评估。

                               
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图5 冲蚀及壁孔：跨接管短侧(左)、跨接管顶侧(右)

模型结果和发现
      图6显示了与基准模型相比，两种改造方案设备的冲蚀程度。可以看出两种方案都大大降低了整体冲蚀的程度和严重性，与方案1相比，方案2能够更好地减少旋风分离器主体入口扫掠区域的冲蚀。

                               
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图6 气旋冲蚀模式:基线(左)、方案1(中)、方案2(右)

      图7中对比了水平和垂直截面上颗粒和流体的时间平均速度，可以进一步分析改造方案减少冲蚀的原因。可以看出，具有最高平均颗粒速度的区域位于跨接管的短边和顶部，与发生严重冲蚀的区域相同。在两种改造方案中，这些位置的颗粒速度都有所降低。由于采用了更大的横截流动面积，这个结果在某种程度上可以预料到。但无法预知的是颗粒和气流通过管道如何分布的。通过模拟可以看出两种改造方案都可以更充分地利用横截面区域进行水平和垂直方向的颗粒传输，从而进一步降低平均颗粒速度。

                               
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图7 颗粒和流体时间平均速度的比较

      另一方面值得注意的是，气体速度与颗粒速度有很大不同。从气体的时间平均速度可以看出颗粒速度降低的原因，如图7的右侧所示。由于气体速度局部超过了颗粒速度，因此可以看出，最高的颗粒速度是气体的拖曳力造成的。而气体这种局部较高的速度则是由于气体进入跨接管道后突然改变方向而发生流分离的结果。在两种改造方案中均减小了该分离区。方案2特殊的倾斜进气口则进一步促进了管道底部的附着流动。这种附着流动更好地促进了通道横截面的利用，从而降低了催化剂的速度，因此降低了腐蚀，另外也说明了冲蚀非常依赖于冲击速度。

小结

      从上述案例可以看出，基于CPFD数值方法的计算模型非常有助于我们了解FCCU中颗粒撞击冲蚀的原因。该模型已根据卡特里次堡炼油厂的运营经验进行了验证，可以准确预测最大冲蚀的位置。然后，将经过验证的模型用于评估两个候选设计方案，这些方案旨在最大程度地减少冲蚀的程度和严重程度，并表明这两个设计方案都是有效的，且方案2效果更好。

减少FCC装置的冲蚀对炼油厂来说十分具有价值，不仅能够帮助延长运行周期和整个FCC装置的使用寿命，而且可以减少意外停机的风险。计算模型（如此处为MPC的卡特里次堡反应器所显示的模型）通过提供对气体颗粒流态的强大新见解，帮助实现简化设计或重新设计以减轻冲蚀，从而为可靠地进行设计变更提供了良好的工程基础。同时，在其他应用中已经表明，同样的建模技术可以扩展到包括反应动力学，从而能够用于模拟FCCU的化学变化对性能的影响，以及对冲蚀的影响。

*参考文献：Blaser, P., et al. (2013). "Use of Computational Modeling for FCC Reactor Cyclone Erosion Reduction at the Marathon Petroleum Catlettsburg Refinery."

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