减压转油线气液两相流动特性模拟及结构优化研究

摘要

减压转油线作为原油蒸馏中减压单元的重要组成部分，对于减压装置的稳定操作、减压深拔、改善油品质量和节能意义重大。本文在采集大量工业数据的基础上，针对转油线内伴随相变的气液两相流动过程，建立了相应的数学模型，对各种参数在转油线内的分布规律进行了深入系统的研究。
　　 基于多级闪蒸模型和压降模型建立了转油线的一维两相流模型。模型求解可以得到转油线内压力、温度、流速和汽化率沿转油线轴向的变化情况，结果表明，各参数的变化主要发生在过渡段和合流段，低速段变化不大。对七套工业转油线的计算结果表明，A型直插式转油线合流处压力陡降，压降最大；B型渐扩式转油线合流处压力缓慢下降，压降最小；C型二次扩径式结构压力出现两处陡降，压降较小。
　　 利用计算流体力学(CFD)方法建立了变质量可压缩三维拟单相流数学模型，用于描述可压缩气体各物理量在转油线内分布情况。模拟结果表明，合流段克服流动阻力损失的能量最多，其次是过渡段。过渡段弯管会产生二次流动现象，合流处有旋涡区存在，这些局部损失是过渡段与合流段压降较大的主要原因。对七套工业减压转油线的流场变化规律综合分析表明：过渡段中弯头、高差、管径以及合流段的连接方式对转油线的压降影响很大；在合流段采用裤形三通连接以及二次扩径均有利于减小转油线的压降。
　　 利用多级闪蒸模型和VOF两相流模型建立了多级闪蒸与两相流耦合三维数学模型，分段考察了转油线内气液两相流动过程中的压降和流型。研究发现，过渡段最后管段及合流段第一段管段压降最大；液相在转油线内以大液滴的形式存在，呈现出环状流与雾状流之间的一种过渡流型，而且，不同的转油线结构合流处液体分布情况不同。另外，对所建立的三种模型进行了综合对比分析。
　　 在以上研究的基础上，为减小转油线压降、以提高常压渣油拔出率或降低减压炉出口温度，利用单相流模型对转油线的过渡段、合流段和低速段直径分别进行了优化，并提出了改进结构。利用已建立的多级闪蒸与两相流动耦合模型对改进结构进行了准确计算，结果表明改进结构比原结构压降减小36.8％。利用一维两相流模型考察了改进结构对减压蒸馏单元的影响，研究发现可提高减压塔进料段汽化率或降低减压炉出口温度并实现节能。

目录

文摘

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第一章 文献综述

1.1原油常减压蒸馏技术及特点

1.1.1常减压蒸馏概述

1.1.2减压蒸馏过程工艺特点

1.1.3减压深拔技术

1.1.4常减压蒸馏技术的主要节能措施

1.2减压蒸馏单元的转油线

1.2.1减压转油线及其研究的意义

1.2.2减压转油线的模拟研究现状

1.3气液两相流研究现状

1.3.1两相流研究进展情况

1.3.2两相流的流型

1.3.3管道中气液两相流的数值模拟

1.4本文主要研究内容

第二章 气液两相流参数及减压蒸馏单元工业数据采集

2.1两相流的主要参数

2.1.1流量

2.1.2流速

2.1.3滑差和滑动比

2.1.4含气率和含液率

2.1.5混合物密度

2.1.6混合粘度

2.2常减压蒸馏装置操作概况

2.3减压蒸馏单元工业数据采集

2.3.1操作参数

2.3.2减压转油线内流体的物性参数

2.3.3减压转油线的结构参数

2.4气液两相流流型分析与判断

2.4.1流型判别方法

2.4.2流型判断

2.5本章小结

第三章 减压转油线内一维两相流模型建立及工艺模拟研究

3.1物理模型和数学模型

3.1.1物理模型

3.1.2模型描述与假设

3.1.3数学模型建立

3.1.4边界条件

3.1.5模型求解

3.2工业实例验证

3.2.1基础数据

3.2.2压降模型的确定

3.2.3模拟结果与工业数据对比

3.3模拟结果与讨论

3.3.1工业实例一模拟结果与讨论

3.3.2各实例模拟结果综合分析

3.4本章小结

第四章 减压转油线内变质量可压缩流体拟单相流数值模拟研究

4.1概述

4.2数学模型

4.2.1控制方程

4.2.2湍流模型的确定

4.2.3模型常数和边界条件

4.2.4网格划分

4.2.5求解方法

4.3模型验证

4.4转油线实例模拟计算方法

4.5变质量可压缩流场的数值模拟计算结果与分析

4.5.1可压缩流动的几个重要概念

4.5.2流场的模拟结果与讨论

4.6各种型式转油线综合性能分析与比较

4.6.1几种型式转油线的CFD模拟结果

4.6.2几种型式转油线单相流模型CFD模拟结果综合分析

4.7本章小结

第五章 减压转油线内多级闪蒸与两相流动耦合数值模拟研究

5.1耦合策略及模型假设

5.2多级闪蒸与两相流动耦合模型建立

5.2.1多级闪蒸数学模型建立

5.2.2两相流数学模型建立

5.3耦合计算方法

5.3.1多级闪蒸与两相流动耦合数值求解过程

5.3.2模型求解框图

5.4模拟结果与讨论

5.4.1模拟工况与工业结果验证

5.4.2气液两相流场模拟计算结果与讨论

5.5一维两相流、拟单相流及闪蒸与两相流耦合三种模型的对比分析

5.6本章小结

第六章 减压转油线压降规律及结构优化研究

6.1减压转油线压降规律研究

6.1.1质量流量对压降的影响

6.1.2出口压力对压降的影响

6.2减压转油线结构参数优化研究

6.2.1低速段直径优化

6.2.2过渡段结构优化

6.2.3合流段结构优化

6.3优化的减压转油线结构对减压蒸馏单元的影响

6.3.1对减压拔出率的影响

6.3.2对减压炉出口温度的影响

6.3.3结构优化的节能作用

6.4本章小结

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢