常頂揮發(fā)線的露點腐蝕與多相流模擬
前 言
與電化學(xué)腐蝕相比，流動腐蝕由于“流動”的過程，物理與電化學(xué)耦合作用，導(dǎo)致更加嚴(yán)重的腐蝕問題。煉油廠加工原油時水分與其它腐蝕性氣體形成的強酸會嚴(yán)重腐蝕金屬表面。針對塔頂管線露點腐蝕問題，通過仿真軟件Fluent對某煉油廠塔頂系統(tǒng)注水后酸性腐蝕問題進行研究，基于腐蝕動力學(xué)理論進行分析，采用API581中的腐蝕預(yù)測模型來預(yù)測低溫露點腐蝕的傾向。
1 常頂揮發(fā)線的露點腐蝕
原油進入煉油廠后首先經(jīng)過常減壓蒸餾裝置，利用蒸餾原理，將原油中不同沸點的各組分分離成不同的石油餾分，再送往二次加工裝置進行加工。近年來，隨著煉廠加工原油的高酸值和高含硫趨勢造成常壓塔系統(tǒng)的腐蝕問題越來越突出，嚴(yán)重威脅到煉油裝置的安全生產(chǎn)。
根據(jù)API 571-2011《煉油廠設(shè)備損傷機理》，煉油廠常減壓裝置涉及到的損傷類型一共有20種，在常壓塔塔頂系統(tǒng)中有8種，最常見的3種分別是氯化銨腐蝕、鹽酸腐蝕和沖刷腐蝕，如圖1所示。
圖1 常壓塔塔頂系統(tǒng)的主要損傷機理
目前國內(nèi)、外煉油廠針對塔頂系統(tǒng)的腐蝕所采取的防腐手段是以工藝防腐為主、選材為輔，最常用的工藝防腐為“一脫三注”，即電脫鹽、注水、注中和劑、注緩蝕劑。注劑的加入量一般根據(jù)塔頂流出總量或冷凝水中的pH值和鐵離子含量等指標(biāo)來進行調(diào)節(jié)，這在一定程度上沒有真實、直觀的反映出當(dāng)前的腐蝕情況，工藝防腐效果并不理想。
由于低溫露點腐蝕主要是塔頂物料中的腐蝕性氣體HCl、H2S溶解于水中形成酸性環(huán)境對管壁金屬產(chǎn)生腐蝕，故本研究采用計算流體力學(xué)的方法對某煉油廠的塔頂系統(tǒng)注水后酸性腐蝕問題進行研究，借助腐蝕動力學(xué)理論中的腐蝕介質(zhì)濃度、pH值、物理場分布等與腐蝕相關(guān)的參數(shù)進行分析，用來預(yù)測低溫露點腐蝕的傾向，并為腐蝕監(jiān)測和工藝防腐提供理論依據(jù)。
2 模型的建立
2.1 介質(zhì)參數(shù)
主要物料數(shù)據(jù)參考某煉油廠的常頂揮發(fā)線物料參數(shù)。
由于常頂出口氣相質(zhì)量約為液相質(zhì)量的6倍，且液相的平均密度遠大于氣相的平均密度，液相相含率低，計算時只考慮氣相組分和注入水的相互作用；
除水蒸氣、氯化氫和硫化氫外，其它氣體作為不凝性氣體，不考慮油氣的冷凝。
2.2 數(shù)學(xué)模型及求解
2.2.1 幾何結(jié)構(gòu)
常頂揮發(fā)線由物料母管、注劑支管構(gòu)成，在空冷器入口前進行流量分配。
本研究工作以靠近空冷器入口的管道為例，此處油氣進口管道直徑200mm，注水口管道直徑50mm，建立的幾何模型見圖2。
圖2 管道幾何結(jié)構(gòu)示意圖
2.2.2 計算模型
湍流模型選用兩相混合型Realizable κ-ε 模型；
相間作用力采用Symmetric模型；
相間傳熱傳質(zhì)模型采用Ranz-Marshall模型（液相水蒸發(fā)和水蒸氣冷凝；酸的溶解-溶出模型）；
電離平衡模型；
腐蝕模型：經(jīng)驗型模型（根據(jù)API581中給出的pH值-溫度與碳鋼腐蝕速率的關(guān)系表）見圖3。
圖3 pH值-溫度-腐蝕速率的關(guān)系
2.2.3 邊界條件及計算格式
基于Fluent對常頂揮發(fā)線管道內(nèi)的注水酸性腐蝕問題進行多相流CFD模擬。計算模型入口采用速度入口，氣相入口速度通過對應(yīng)的體積流量和管徑換算得到，注水入口速度采用多工況進行計算，出口采用壓力出口。壓力-速度耦合采用Coupled格式，提高計算穩(wěn)定性；相含率方程通過QUICK格式離散，其它方程采用二階迎風(fēng)格式離散。
對所建立的模型進行流體力學(xué)的計算和結(jié)果分析，步驟如下：
網(wǎng)格劃分
對已生成的模型采用自由剖分四邊形網(wǎng)格劃分，管道與直管連接區(qū)域、水跌落區(qū)域以及壁面邊界區(qū)域網(wǎng)格需要細化
求解器設(shè)置
采用瞬態(tài)求解器進行求解
設(shè)置精度要求為0.001
后處理
直接通過軟件后處理功能獲得所需要的數(shù)據(jù)和圖像
由于計算為瞬態(tài)結(jié)果，部分數(shù)據(jù)需要進行時間平均處理
2.2.4 注水工況介紹
共進行了三種注水入口速度和三種液相粒徑對應(yīng)注水工況下的多相流模擬，其中考慮到注水流量與入口速度變化規(guī)律一致，故均由注水入口速度來表征，而液滴粒徑的變化主要是受注水口噴頭結(jié)構(gòu)的影響。
表3 不同工況下的注水參數(shù)
工況編號 入口速度（m/s） 液滴粒徑（mm）
No.1 1 1
No.2 1 2
No.3 1 5
No.4 0.6 2
No.5 0.2 2
3 結(jié)果與分析
3.1 物理場分布情況
以典型的注水工況2為例，分析了液相含率、水蒸氣傳質(zhì)速度、溫度等多種物理場的分布情況。其中，液相含率分布如圖4所示。
圖4 液相含率云圖
從圖4中可以看出，氣體流速比較大，注水后進入揮發(fā)線管道內(nèi)的液相水被吹散，受重力作用在注入點下游0.56m后開始跌落。
圖5 水蒸氣傳質(zhì)速率云圖
從圖5中可以看出，高溫氣體遇到低溫水，水蒸氣變?yōu)檫^飽和狀態(tài)，發(fā)生冷凝現(xiàn)象（負值表示冷凝），最大傳質(zhì)速率為-17.7kg/m3·s，出現(xiàn)在跌落區(qū)域，因為水與管道壁面發(fā)生撞擊，氣液相對速度較大，湍流作用也較強。水在跌落前，與高溫氣體接觸面積大，對總傳熱傳質(zhì)貢獻最大。
圖6 氣相溫度云圖
從圖6中能看出流場出現(xiàn)明顯的脈動現(xiàn)象，高溫氣體被大尺度渦旋帶到下游，持續(xù)與水進行傳熱傳質(zhì)，油氣溫度持續(xù)下降，最終在距離注水口下游約1.5m附近穩(wěn)定在了69℃（342K）。
3.2 腐蝕性介質(zhì)的溶解情況
圖7 氯化氫溶解速率云圖
同水蒸氣冷凝相似，氯化氫最大溶解速率也發(fā)生在跌落處，最大值為1.88e-3 kg/m3·s。這時，大量的氯化氫溶解進入水相跌落區(qū)內(nèi)（也即初凝區(qū)），造成局部呈強酸性，這就是產(chǎn)生鹽酸低溫露點腐蝕的主要原因。
圖8 硫化氫溶解速率云圖
對于氣相中的硫化氫，其溶解情況與氯化氫并不相同，從圖8可以看出，硫化氫的最大的溶解和反向的逸出過程均出現(xiàn)在管道內(nèi)部中間位置，這主要是由于硫化氫的溶解度相比氯化氫要低的多，因此很快達到局部飽和，當(dāng)遇到高溫氣團時，硫化氫再次逸出（即圖中藍色區(qū)域）。
3.3 pH值的分布與腐蝕速率預(yù)測
圖9 液相區(qū)域pH值云圖
中性水注入到揮發(fā)線后，pH值即開始降低（由于腐蝕性介質(zhì)從氣相快速溶解到水相）
下游的水相pH值逐漸升高（更多的水注入到揮發(fā)線管道內(nèi)）
在模擬范圍內(nèi)的最小pH值為4.34，出現(xiàn)在液相跌落點，距注水點約0.56m處，根據(jù)API581的腐蝕模型，計算得到此處的腐蝕速率為1mm/a。
另外，受管道壁面吸附作用，在上游區(qū)域也出現(xiàn)了低pH值的薄液層（壁面吸附作用，與表面狀態(tài)有關(guān)）。
3.4 不同液滴粒徑的對比
采用不同液滴粒徑的注水工況1、2和3的進行模擬。
圖10 不同液滴粒徑的影響
小液滴的傳熱效果更好，下游的液相溫度上升，一旦達到氣化溫度，則將發(fā)生氣相轉(zhuǎn)變；對pH值的影響較明顯。
3.5 不同注水流量的對比
采用不同液滴粒徑的注水工況2、4和5的進行模擬。
圖11 不同注水流量的影響
對傳質(zhì)（降溫效果）和跌落距離產(chǎn)生了一定影響；對pH值的影響并不明顯。
4 結(jié)論
通過對塔頂揮發(fā)線中腐蝕性介質(zhì)的多相流進行模擬研究，在注入中性水后，氣相腐蝕性介質(zhì)HCl和H2S快速溶解進入水相中，導(dǎo)致水相pH值呈酸性，在注水點下游的跌落區(qū)域pH值最低，因此這一區(qū)域?qū)儆诟g重點部位，應(yīng)當(dāng)予以重點監(jiān)測或者施加必要的防腐措施。
對不同的注水流量和液滴粒徑的注水工況進行模擬后，發(fā)現(xiàn)注水參數(shù)均對跌落區(qū)的位置、最低pH值產(chǎn)生了影響，其中液滴粒徑的影響更加顯著。由此可見，進行多相流模擬仿真可以較好的預(yù)測塔頂揮發(fā)線注水后的腐蝕部位，幫助確定注水流量、注水噴頭影響的液滴粒徑等工藝參數(shù)來指導(dǎo)進行有效的工藝防腐。
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來源：
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