基于CFD的SVQS快分系统冲蚀磨损研究及原因分析

张智亮，胡紫维，张 昕，刘 强，张本轩，周 锐，陈柳君，李 超，何 军

(1. 西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500；2. 中国石油集团西部钻探工程有限公司工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830011；3. 北京兴油工程项目管理有限公司，北京 100089；4. 中国石油西部钻探吐哈钻井公司，新疆 吐鲁番 838200；5. 中国石油玉门油田分公司，甘肃 酒泉 735200；6. 中国石油西部钻探玉门钻井公司，甘肃 酒泉 735200)

0 前 言

催化裂化是重质油轻质化的核心加工手段，而提升管末端旋流快分系统是催化裂化过程中的关键设备，其性能的优良直接影响系统的分离效率。在工业应用中，流体中的固体颗粒造成的壁面冲蚀磨损成为了快分系统的主要失效形式之一，严重制约了其应用和发展。为了提高分离器的使用寿命，学者们对传统的旋风分离器、水力旋流器的磨损做了较多研究。袁惠新等[1]、韩婕等[2]分析了旋风分离器壁面磨损的位置，从气固两相的流动特性、固相颗粒的特性、分离器的结构以及壁面材质方面，分析了壁面磨损产生的原因。金有海等[3]采用计算流体力学(CFD)软件对旋风分离器内部流场进行颗粒追踪，分析了壁面磨损。但是提升管末端带隔流筒和隔流盖板的旋流快分系统(SVQS)是中国石油大学(北京)卢春喜团队提出的新型分离系统，目前国内外对该类型快分系统的冲蚀磨损研究极少。国内仅夏明川等[4]对催化裂化反应装置的磨损及裂纹问题进行了理论分析，国外还未见相关研究的报道。SVQS工作原理与传统分离器原理一致，故在分析过程中借鉴了分离器的磨损研究思路，为本研究奠定了一定理论基础。

SVQS快分系统性能优良，最高分离效率可达到97.12%，能较好地消除“短路流”问题，且油气平均停留时间短，具有较强的代表性[5]。为促进SVQS系统的工业应用，以现有的研究成果为基础，并运用计算流体力学方法(CFD)对SVQS快分系统进行数值模拟。对SVQS快分系统进行壁面磨损分析，追踪固体颗粒的运行轨迹，分析其磨损规律，研究快分系统的磨损部位以及可能影响磨损的因素，结合磨损分布规律分析磨损原因，为快分系统结构、性能的优化以及安全高效运行提供理论参考，以期提高快分系统的使用寿命。

1 磨损研究理论基础

气固两相流对分离器壁面磨损的影响十分繁杂，是一个复杂的冲蚀磨损现象，其中任意一个因素的变化都可使壁面磨损发生改变并使磨损机理发生变化[6]。壁面磨损常见的是冲刷磨损和撞击磨损2种形式，二者的区别主要在于颗粒撞击壁面的冲击角度不同。对于不同的材料，产生磨损的机理、形式不同。冲蚀磨损也称为侵蚀或者侵蚀磨损，根据流动介质可以分为气固冲蚀磨损、液固冲蚀磨损、液滴冲蚀磨损以及气蚀磨损。

气固两相流冲蚀磨损问题的模拟主要采用离散相模型(DPM)，该模型是通过欧拉 - 拉格朗日法来建立的，能够有效地将计算介质在欧拉坐标系中进行描述，通过数值计算可以得出理想的分析结果。其磨损率可定义为：

(1)

2 数值模拟分析

2.1 物理模型

SVQS快分系统的模型及结构简图如图1所示。其主要结构尺寸如下：封闭罩长度4 000 mm、封闭罩直径600 mm、提升管直径100 mm、旋流臂喷口长度88 mm、旋流臂喷口宽度29 mm。模型沿轴向为Z轴，旋流臂顶部平面为Z=0平面，向下为正。

系统内流体为气、固两相流，气相介质为空气[温度为20 ℃，密度为1.225 kg/m3，黏度为1.789 4×10-5kg/(m·s)]。固相介质颗粒密度约为1 450 kg/m3，浓度为5 kg/m3，颗粒作为离散相进入系统与气体混合，同时颗粒粒径分布符合双R分布。根据Rosin - Rammler指数方程进行拟合计算得到粒子的分布系数(spread parameter)为1.897，平均粒径为66.9 μm。为保证结果可靠性，计算时预设的主要工作参数与快分系统实际应用中的工作参数一致，具体数值详见表1。

表1 预设工作参数与实际工作参数对比

2.2 边界条件

系统提升管入口采用速度入口(velocity - inlet)，由于固体颗粒进入系统时已有较佳的跟随性，不存在相对滑移，故认为气、固两相入口速度相同。固相颗粒浓度为5 kg/m3，其入口边界条件为将入口射流源设为面源。计算过程中入口处湍流已处于充分发展的状态，入口气流都垂直于入口截面，且入口气速在截面上均匀分布。提升管入口速度是根据旋流头喷出口的速度计算得到的，本工作选择的喷出口速度为20 m/s，根据公式(2)计算可得提升管入口速度vi=19.5 m/s。具体入口边界参数值详见表2。

表2 入口边界参数值

(2)

式中：vi为入口速度；vs为旋流头喷出速度，20 m/s；Si为入口截面面积；Ss为喷出口截面面积。

根据相关领域学者的经验并结合快分系统的流场特殊性，将固相出口处的气相边界设置为OUTFLOW(Flow rate weighting=0)，颗粒边界设置为捕捉(Trap)；气相出口处气相边界按照充分发展的管流条件设置为OUTFLOW(Flow rate weighting=1)，颗粒边界设置为逃逸(Escape)；壁面处的气相流场设置为无滑移边界，颗粒相边界设置为反弹(Reflect)。

3 计算结果可靠性验证

为确保计算结果的可靠性和磨损分析的准确性，将数值仿真结果与工业运用中的快分系统壁面磨损情况进行对比分析。SVQS快分系统在工业运用中长周期运行最终会出现严重的壁面破坏，严重影响其工作效率。如图2所示是某企业催化裂化过程中使用的SVQS快分系统局部壁面破坏与本工作仿真结果的对比图，该系统2008年投用，于2019年进行大检修时发现快分系统在长期磨损作用下旋流臂弧形段外壁面、沉降段以及封闭罩外壁面出现局部磨穿现象。

由图2a可知，长期运用的快分系统封闭罩壁面出现磨穿现象，其破坏开口痕迹较为集中，呈一条螺旋斜向下的线形缝；由图2b可知，旋流臂外壁面的顶部出现了磨穿现象，磨穿位置在旋流臂的弧形段，磨穿位置较为集中，证明颗粒在此处的冲击情况严重；由图2c可知，在快分系统沉降段的锥形板中下部位出现了较大范围的壁面磨穿现象。将磨损破坏的各个部位与仿真结果进行对比，发现仿真得到的磨损集中位置以及可能发生磨损破坏的部位和磨损破坏的开口形状与实际情况相符，有效验证了仿真结果的可靠性，证明可在此基础上进行SVQS快分系统的磨损分析。

4 仿真结果分析

4.1 速度分布

快分系统的流场为强旋流流场，内部流场的速度是影响壁面磨损的重要因素，根据仿真结果，可得到系统内部流场的速度分布云图(如图3a所示)和轴向不同截面的速度云图(如图3b所示)。分别沿Z轴不同位置的等距截面上取点A、B、C、D，得到各点速度随轴向距离的变化曲线如图4所示。系统内部流场整体速度呈对称分布，其速度变化具有规律性。流体在提升管内速度几乎不变，当进入旋流臂时在旋流臂速度入口处速度值达到最大，经过旋流臂后，流体由于旋流作用产生较大的离心力，使得流体颗粒在离心力作用下偏离流场的流动方向，流体以较大的速度喷出冲击到封闭罩壁面，经多次壁面反弹后其切向速度逐渐衰减直至趋近于0。由速度曲线图4b可知，随着流体向下运动，外旋流区域的速度逐渐减小，且越靠近封闭罩壁面位置的速度变化率越大。由图4a可知，气体在沉降段锥板作用下向上运动后，内旋流区域的速度逐渐减小，速度变化较为稳定。在旋流头顶端(Z=0)附近，速度变化较明显，结合其结构及运动特性分析，主要是因为隔流筒结构影响速度变化。

4.2 壁面磨损分析

SVQS快分系统的流场运动较为特殊，壁面的磨损情况相对复杂，本工作主要分析严重磨损部位的磨损分布规律。快分系统不同方向的壁面磨损云图如图5所示，由图可知，壁面靠近旋流臂喷出口位置的磨损最为严重，封闭罩壁面磨损轨迹是呈螺旋状的磨损带分布，且在自上而下的运动中螺旋磨损带的间距是逐渐增大的。随着轴向距离增大，颗粒的切向速度逐渐减小，对壁面的冲击减弱，磨损程度逐渐减弱，磨损率减小。流体从分离段进入沉降段后，沉降段磨损率沿轴向先增大后减小，在中下部位置磨损达到最大值，此处易发生磨损破坏。不同方向的磨损云图分布存在差异，这说明壁面磨损受到切向速度的影响。壁面的磨损分布轨迹与颗粒的运动轨迹相符。

为准确分析壁面磨损率的变化规律，沿轴向不同位置等距离截取若干个平面(与上述速度截面相同)，在每个截面的壁面相同位置分别取磨损率相对较大的点A、B、C和磨损率相对较小的点D、E、F，如图6所示。分别对各点的磨损率值进行分析，得到了磨损率的变化规律，如图7所示。

由图7可知，壁面磨损率呈波峰、波谷交替变化，表明磨损值呈间隔分布，与磨损云图的螺旋磨损带分布相符；随着轴向距离的增大，磨损率逐渐减小且磨损值的变化率也减小。

SVQS快分系统的壁面磨损速率在不同圆周方向上是不同的，以X轴正半轴为圆周角0°起点，顺时针方向间距30°位置分别取值，得到快分系统环形空间内不同轴向位置的壁面磨损率沿圆周方向的变化曲线如图8所示。

由图8可知，各个截面的壁面磨损率都是以局部磨损为主，磨损率变化是呈“波形”变化；随着轴向距离的增大，各截面圆周上的磨损值在减小；因受到系统内部切向速度的影响，圆周上的磨损率几乎是关于180°对称的。Z=200 mm和Z=700 mm 2个截面的磨损率值相比其他截面明显较大；Z=200 mm平面在圆周角为30°，150°，270°时磨损较为严重，Z=700～2 200 mm平面均在圆周角150°～180°附近磨损较严重，靠近封闭罩底部，磨损减小趋近于0。

旋流头的磨损云图如图9所示。由图可知，3个旋流臂的磨损分布情况几乎相同，与系统内部流场的切向速度对称分布特点相符。旋流臂的磨损主要集中在外壁面的弧形段，部分磨损集中在旋流臂上、下部，内壁面几乎无磨损现象，其中弧形段中部位置的磨损值最大，此处易发生磨损破坏；旋流臂直线段外壁面的磨损分布不具规律性，磨损主要集中在壁面与上平面结合位置及附近区域，这与流场速度的分布相关。

隔流筒磨损云图如图10所示。由图可知，隔流筒的磨损分布比较集中，主要集中在上部的挡板，挡板外边缘的磨损值较大，内边缘附近的磨损值几乎为零，磨损整体分布在圆周方向具有均匀对称性。在圆周0°，90°，180°，270°的位置沿轴向提取壁面磨损值，得到不同圆周方向磨损值随轴向距离的变化曲线如图11所示。由图可知，从内边缘到外边缘磨损值逐渐增大，在不同圆周方向上磨损率在挡板外边缘均出现最大值，磨损率也是呈“波形”变化。从磨损结果可知，隔流筒的在隔流挡板的外边缘位置最容易发生壁面磨损破坏。

沉降段壁面磨损云图如图12所示。由图可知，沉降段的壁面磨损变化具有从上到下逐渐增大的规律，在中下部靠近出口位置磨损相对严重，此处易发生磨损破坏。在不同方向的磨损云图分布存在差异，且磨损轨迹总体呈斜向下分布，与颗粒螺旋向下运动的轨迹相符合。

从磨损云图可定性地分析沉降段壁面磨损率的变化情况，但是不能定量地分析磨损率的变化规律。沿圆周方向为0°，90°，180°，270°位置在不同轴向位置处分别提取磨损值，得到不同圆周方向上磨损率随轴向距离的变化曲线如图13所示。由图可知，在锥形段与分离段接触处有一定的磨损，沉降段上部磨损趋于0，随着轴向距离的增大，磨损值总体呈先增大后减小的趋势，在Z=3.4 m附近，磨损值变化明显，在Z=3.5 m附近磨损值最大，说明此处磨损最严重，越靠近底部出口，壁面磨损值越小。

综上所述，通过对快分系统的数值仿真分析，得到系统的主要磨损部位为旋流臂弧形段、壁面靠近喷出口位置、沉降段中下部位置、隔流筒挡板以及提升管顶部。壁面的磨损规律为：磨损主要以局部磨损为主，随着轴向距离的增大，壁面磨损率逐渐减小。同时，综合分析系统的速度分布以及磨损分布规律，可得到壁面磨损率大小与冲蚀的速度有关的结论。

4.3 磨损原因分析

从快分系统的壁面磨损分析结果看，流体切向速度大的部位其磨损值也较大，说明速度也是磨损的影响因素之一。高速流动的流体经提升管进入旋流头，此时气流具有很大的切向速度，旋流头产生较大的离心力作用，使得流体中的颗粒相受到离心力和惯性作用不断撞击旋流臂壁面，造成壁面磨损。封闭罩的壁面磨损也是由于颗粒在离心力作用下冲击壁面造成的，随着流体向下螺旋运动，切向速度越来越小，颗粒对壁面的冲击也是越来越小，所以表现出壁面磨损率呈越来越小的趋势，而颗粒未经过的区域，其磨损率趋近于0，所以壁面磨损呈螺旋带分布。

隔流筒挡板的磨损与附近区域流体的流动特性有很大关系，由于受到轴向速度和切向速度的影响，使得固体颗粒受到阻力、重力、离心力等力的作用，其中部分颗粒会出现受力平衡而悬浮在挡板附近，在气流的作用下与挡板表面发生冲蚀作用形成冲蚀磨损。另外，由于其结构有向下的斜度，流体从旋流臂喷出口喷出后，速度较大，部分颗粒撞击到挡板表面也会造成磨损，可考虑改善结构以减小磨损。

沉降段磨损是由于流体经过分离段进入沉降段后，锥形筒的半径减小，颗粒受到的离心力逐渐增大，颗粒与壁面的冲击作用更加明显，所以颗粒对壁面造成的磨损逐渐增大。同时，分离的颗粒集中撞击到锥板上，使得锥板集中的颗粒浓度较大，在不断的颗粒冲击作用下造成磨损破坏。

可知，壁面磨损与颗粒对壁面的作用相关，同时磨损率的大小也与速度、颗粒浓度相关。通过分析磨损原因及机理可知，冲蚀磨损主要是由于颗粒与壁面材料长期冲击作用导致的，材料本身的性质从根本上决定了抵抗磨损的能力，所以采用高耐磨性的材料可以有效减小壁面磨损，提高设备使用寿命。

5 结 论

利用Fluent软件对SVQS快分系统进行流动模拟，分析其内部流场的壁面磨损情况。通过分析系统的磨损分布，可有效预测壁面破坏情况，分析磨损影响因素，为快分系统的结构优化打下坚实的理论基础。具体结论如下：

(1)得到快分系统内部流场的速度分布规律，速度分布具有均匀性，圆周上不同方向的切向速度大小相同，方向相反。随着流体向下运动，外旋流的速度逐渐减小；随着气体向上运动，内旋流的速度逐渐减小。

(2)得到系统的主要磨损部位为旋流臂弧形段、壁面靠近喷出口位置、沉降段中下部位置、隔流筒挡板以及提升管顶部，并可得到各部位的磨损值。封闭罩壁面的磨损值随着轴向距离的增大而逐渐减小，且磨损率的变化率越来越小。通过仿真结果与实际磨损的对比，验证了本文壁面磨损数值分析方法的可行性。

(3)结合速度分布与磨损分布，速度大的部位磨损率相对较大；分析沉降段磨损分布可知，颗粒浓度大的部位磨损相对严重。流体对壁面的冲蚀磨损程度与其速度和颗粒浓度相关。

(4)通过分析磨损原因及磨损分布规律可知，在不考虑其他因素的情况下，磨损程度主要取决于壁面材料特性，可以通过改善材料提高设备的使用寿命。旋流臂、隔流筒等结构可能是影响系统壁面磨损的因素，具体影响规律需要后续继续研究。