重质油品低温轻质化空化反应器数值模拟及工业化放大

作     者：蒋威 

作者单位：常州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘雪东

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：重质油品 射流空化 降粘改质 数值模拟 实验研究 

摘      要：重质油品包含重质原油及经常减压工艺一次加工后所剩余渣油和蜡油等重组分。提高重质油品轻组分收率及为后续加工过程提供轻质化原料,已经成为国内外石油加工行业十分关注的课题。本文基于射流空化原理,开发了一种重质油品轻质化的新方法,自主设计了不同处理量的空化反应器,搭建实验室评价试验台,对塔河原油、伊重原油、胜利原油、中原原油、沙中原油、长庆原油和沙特重油等油品进行射流空化轻质化处理,探究处理前后油品密度、粘度及组分的变化。采用计算流体力学(CFD)数值仿真方法,提出评价油品降粘改质的方法及射流空化处理不同油品的最佳密度范围。在试验评价的基础上,以沙特重油(一次重质原油)和洛阳减压渣油(二次加工油品)为处理介质,进行从实验室规模到工业化规模的放大数值模拟研究。通过装置喉部流量调节锥的位置对反应器进行流量调节,探究不同流量下油品轻质化的效果及变化趋势。为适应当前炼化企业所面临的加工油品多样化的现状,本文基于自主设计的4种不同型号空化反应器,将一次原油和二次加工油品作为介质进行数值模拟,提出基于油品密度和基于油品粘度的装置选型方法。本文主要研究结果如下:(1)重质油品射流空化试验台在入口压力为2MPa、4MPa和8MPa的条件下,对塔河原油、伊重原油、胜利原油、中原原油、沙中原油、长庆原油和沙特重油进行射流空化试验处理,当入口操作压力为4MPa时降粘改质效果最好,其中对沙特重油的降粘率最高,可以达到46%。(2)对不同密度油品的降粘试验结果表明,当油品密度在840-890kg/m时,空化处理降粘率随着原油密度的增加而增加,当原油密度在890-930 kg/m时,空化处理降粘率随着原油密度的增加并未见明显变化,当原油密度大于930 kg/m时,空化处理降粘率随着原油密度的增加而降低。(3)采用计算流体力学方法对不同油品的降粘效果进行数值模拟,将入口压力、湍动能、传质速率、流场速度、气含率和空化数作为评价指标对降粘改质效果进行综合评定。研究发现:在处理量一定的情况下,存在最佳入口操作压力使得降粘改质效率最高;处理不同油品时,反应器内湍动能越大且湍动能发生的区域越靠近反应器的中心,油品的降粘改质效果越好;液-气传质速率的数值越大且液相向气相的传质范围越广,油品的降粘改质效果越好;反应器内流场中轴线速度越大且高速保持的范围越广,油品的降粘改质效果越好;反应器内气含率越高且高气含率所持续的范围越长,在反应器出口过渡段气含率下降的速度越快,油品的降粘改质效果越好;反应器内喉部中心位置的空化数越小,油品的降粘改质效果越好。(4)对4000-100000 t/a的工业级别基于射流空化的流量调节降粘装置进行数值模拟,通过改变反应器内流量调节锥的位置以实现流量调节的目的,在不同操作压力下以沙特重油(一次重质原油)和洛阳减压渣油(二次加工油品)作为介质进行工业化放大效果模拟,发现射流空化处理对于二次加工油品的降粘效果更佳。(5)基于空化反应器的设计原则和关键结构,设计了收缩段和扩张段类型不同的4种空化反应器,分别命名为CD-、CD-、CD-和CD-。并通过这4种类型的空化反应器对密度为800-900 kg/m的一次原油进行降粘改质的模拟研究。研究发现,对于密度为800-825 kg/m,875-900kg/m,粘度为6-8 mm/s,12-16 mm/s的一次原油,采用CD-型空化反应器处理,可使油品的降粘改质效果最佳;对于密度为825-875 kg/m,粘度为8-12mm/s的一次原油,选用CD-型空化反应器进行降粘改质效果最佳。(6)采用自主设计的CD-、CD-、CD-和CD-型空化反应器对粘度为575-950 mm/s的二次加工油品进行降粘改质的数值模拟。对于粘度为575-675 mm/s,密度为950-970 kg/m的重质油品,选用CD-型空化反应器进行降粘改质效果最佳;对于粘度为675 mm/s以上,密度为970-1000 kg/m以上的重质油品,采用CD-型空化反应器处理,可使油品的降粘改质效果最佳。