基于CPFD方法的石油化工工业解决方案

1. 需求背景

流态化技术强化了流体与颗粒间的相互作用，在石油化工行业得到了非常成功的应用，流化设备包括提升管反应器、FCC再生器、旋风分离器等。

图1 石油化工流化设备

颗粒流态化问题的研究对石油化工行业的发展起着重要作用，其研究水平往往制约着技术的进步和效益的提高。现阶段流态化装置存在的普遍问题包括：装置放大设计困难，缺乏相应的设计经验和理论依据；产品生产效率提升困难；系统颗粒跑损有待进一步降低；气体粉尘污染物排放不达标；局部过热造成设备、颗粒（如催化剂）烧损；设备磨损严重，停机维修频率高。存在上述问题的根本原因在于：设计者缺乏对流态化装置内颗粒-流体流动换热化学反应状态的详细认识，以及能够由此获得的更丰富的设计依据。目前，数值模拟方法已经在流态化技术研究领域得到了较为广泛引用，并具有试验方法不可比拟的一些优势。

2. 流态化设备CFD仿真解决方案

流态化设备设备内部是复杂的气固两相流，传统的CFD软件难以满足技术需求。海基科技提出采用基于CPFD技术的Barracuda软件对流态化设备进行仿真，可快速对流态化装置内颗粒-流体流动换热化学反应状态进行认识。Barracuda的核心技术主要包括：

• 庞大的颗粒计算量：真实设备的颗粒处理量非常庞大，颗粒数量可以达到天文数字级别，Barracuda VRTM 将真实颗粒打包为计算颗粒，有效地将颗粒降低到计算机可以处理的数量。同时， 百万至千万量级的计算颗粒仍然可以精确地模拟设备内的颗粒流动情况。
• 密相-稀相混合问题： 无需根据浓度人为界定颗粒流类型，进而选择不同的多相流模型。Barracuda VRTM 采用了拉格朗日类型的多相流模型模拟整个浓度范围内的颗粒流动。
• 颗粒级别的化学反应模拟： 颗粒与流体作用过程中发生的化学反应与颗粒浓度、粒度及流体温度、压力密切相关， Barracuda VRTM 结合化学反应动力学基本理论，在颗粒层级上模拟气-固，液-固，固-固的化学反应状况。
• 计算速度快，结果全面： Barracuda VRTM有着高效且稳定的计算方法，完成小试装置->中试装置->真实设备的仿真，通常在数天到数周的时间，计算速度较通用 CFD 软件快10~100 倍，完全满足工业部门多设备设计要求；而且是保证获得实验及其他仿真工具难于获得的更为详细的颗粒信息，如颗粒浓度、停留时间、粒径分布、组分变化等。

3. 石油化工设备仿真案例

3.1 FCC再生装置仿真研究

INTERCAT公司某FCC再生装置在运行过程中存在后燃的现象，对设备的运行维护造成很大的难度。为此，INTERCAT公司借助于Barracuda软件，对FCC再生装置进行了热态模拟，快速实现了故障的排查。其原因为，流化风在催化剂中形成了沟流，在下部未能与颗粒充分混合反应，使得大量氧气跑到上部反应放热，而上部颗粒量少，无法带走热量，进而温度升高。

图2 FCC再生器数值模型

图3 部分模拟结果

3.2提升管反应器仿真研究

提升管反应器是石油催化裂解生产中连续运行（24 hours×7 days）的核心设备。因此，即使是在可靠性和效率上有很小的提升，也会产生很大的经济效益。在炼油工艺中，反应器内的催化剂颗粒的返混，积碳失活，提升管下游部位的热裂化与非理想二次反应等都是工艺设计中重点研究的方面。

图4 某提升管反应器仿真结果展示

3.3旋风分离器分离效率及磨损研究

UOP公司位于卡特利茨堡的FCC反应器上的旋风分离器由于磨损损害，需要停机检修，更换跟新改进的旋风分离器。为了分析如何改进、获取领先的旋风分离器结构，采用Barracuda软件对FCC反应器系统进行了三维全尺度的仿真，最终获得了领先的旋风分离器模型，有效地减小了磨损。

图5 数值模型处理

           

图6 部分模拟结果