空冷器是流体与空气进行换热的场所,空冷器结构主要包括两侧管箱以及中间的翅片管。空冷器内部多相流体流动与传热、传质极为复杂,而空冷器内部多相流流体流动与传热所引起的冲刷腐蚀也极其复杂且对生产过程极为重要,易于引发生产安全问题。目前关于空冷器多相流流动与传热规律来预测空冷器冲刷腐蚀较少。本文针对某加氢装置分馏塔顶空冷器实际生产中多发的多相流冲刷—腐蚀问题加以研究。该空冷器内部流体介质为石脑油与水的混合物,利用CFD对空冷器进行流体流动与传热研究。采用HTRI模拟软件对空冷器进行模拟,得到了空冷器管束内温度分布以及气相质量分数分布,当在空冷器第二管程且距离出口八米时,石脑油蒸汽全部变为液相。采用FLUENT模拟软件对空冷器进行建模,空冷器模型采用MIXTURE模型、k-ε模型以及标准壁面函数进行数值模拟,空冷器进口边界条件为质量速度进口,出口边界条件为压力出口,空冷器管束壁面传热系数为816.3 w/(m2·k),壁面温度为307.15 K,壁厚为0.0025 m。模拟研究主要发现如下:空冷器管束出口温度为380 K,与HTRI模拟结果基本一致,空冷器各排管束法向速度分布基本一致,管箱内法向速度分布不均匀且变化比较大,靠近空冷器进口部分法向速度比较大,管箱两侧法向速度比较小,且靠近第三排管束的管箱内法向速度最大,靠近第二排管束的管箱内速度最小。空冷器各排管束切向速度分布极不均衡,管束切向速度较大的靠近空冷器进入口部位。空冷器各排管束内湍动能分布极不均匀,特别是管束进口端湍动能较大,在第一排管束中特别是第5,6,7,12,13,14,17,18,19,20,21,25,26,27,33,34,35 根管的进口端湍动能较大,所以冲刷腐蚀最严重,最容易出现冲刷腐蚀而泄露;在第二排管束中特别是第3,4,5,13,14,15,16,23,24,25,26,33,34,35,36根管的进口端湍动能较大,所以最容易出现冲刷腐蚀而泄露;第三排管束湍动能变化比较小,不容易出现冲刷腐蚀。空冷器管束的冲刷速率最大值集中在管束的进口端,在管束进口端之后基本不存在冲刷现象,最大冲刷速率为4.76 mm/year。进口端是电化学腐蚀最严重的,电化学腐蚀速率为0.00065 mm/year。冲刷速率与电化学腐蚀速率相比,冲刷速率占主导,电化学腐蚀速率基本可以忽略。模拟结果与实际现场分析结果基本一致。研究发现:空冷器冲刷腐蚀主要原因是流体在空冷器管束内流动分布不均匀造成的。为此改进空冷器的结构,用CFD模拟改进后的空冷器,模拟结果可知:改进空冷器各排管束湍动能分布比较不均匀,各排管束进口端湍动能变化较大,但是比改进前空冷器相比,湍动能分布较均衡。第一排管束中的第 5,6,9,10,11,18,19,29,30,33,34 根管进口处湍动能变化比较大,易发生冲刷腐蚀而泄露;第二排管束中的第1,2,3,4,5,12,13,25,26,35,36,37根管进口端湍动能变化比较大,易发生冲刷腐蚀而泄露;第三排管束进口端湍动能变化比较小,基本不发生冲刷腐蚀。空冷器管束在进口端的冲刷速率最大,在管束进口端之后,冲刷速率基本不变化,最大的冲刷速率为0.19 mm/year。空冷器管束进口端的电化学腐蚀速率最大,最大的电化学腐蚀速率为0.00048 mm/year,与冲刷速率相比,电化学腐蚀速率可以忽略。与改进前的空冷器相比,改进后的空冷器管束冲刷速率大大降低。