氢氟酸烷基化装置中主分馏塔进料泵水力设计与性能预测

摘要

我国共引进了16套6万吨／年氢氟酸烷基化油工艺装置,流程中的离心泵采用蒙乃尔特种合金制造,是生产工艺流程中输送不同浓度和不同温度氢氟酸介质的关键设备。长期以来,这些特种合金泵一直依靠进口,由于蒙乃尔合金泵可用于其他特殊领域中,属于战略物资。此类设备受主要出口国美国的严格限制,造成进口渠道不畅,较大程度影响到烷基化油工艺装置正常运行和设备维护。所以,氢氟酸烷基化用泵国产化问题已经显得十分迫切。
　　 结合中国石化总公司科技攻关项目《氢氟酸烷基化分馏进料泵的研制》,依托上海高桥石化氢氟酸烷基化装置中的分馏塔进料泵,研制出一台分馏塔进料泵,该泵的性能参数和效率指标不低于进口产品指标。
　　 氢氟酸烷基化泵输送介质为氢氟酸,由于介质的挥发性和毒性,对泵的可靠性提出了更高的要求。依据GB／T13007《离心泵效率》规定,该类型泵效率为62.6％,本课题要求不低于国外同类产品水平,效率指标64.5％。所以,本课题主要工作重点在提高泵效率的研究上。
　　 结构设计。结构设计采用两端支承离心式流程泵,其设计完全符合API610最新版中的BB2型泵之相关规定；泵采用刚性轴设计,泵型采用两级两端支承的径向剖分；其安装方式为水平中心线支承,可把热胀冷缩产生的变形及位移降低到最低限度；由于输送介质氢氟酸的挥发性和毒性,机械密封采用双重机械密封结构,并对配以完备的密封辅助系统,以改善密封局部工作环境,解决介质泄漏问题。
　　 高效水力模型设计。在已有高效水力模型的基础上,对影响效率的几个关键水力尺寸进行不同的优化组合,首级和次级各设计了三种叶轮模型,与各自的吸入室和排出室组合成三组首级段水力模型和三组次级段水力模型。
　　 理论计算优选模型。应用CFD方法分别对首级段和次级段共六组水力模型进行压力场、速度场模拟计算和分析；在模拟计算的基础上进行了性能预测,挑选出其中一种性能符合要求、效率高、高效区宽广的水力模型组合用于整机模型,然后对其模型进行整机性能预测。
　　 真机的性能试验。按照GB3216／T规定,对产品泵进行了性能试验。性能试验表明,泵的流量、扬程满足流程要求。
　　 通过对产品试验和预测性能比较,在高效区流量-扬程曲线比较接近；在模拟计算中由于一些机械效率和容积效率不能完全考虑到,但是做为系列模型中的相互对比还是有参考价值的。CFD做为一种先进手段,能加速研究工作的进程,这点在多级泵、大型泵的研究中更有意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的和意义

1.3 氢氟酸烷基化国内外现状及发展趋势

1.3.1 氢氟酸烷基化国外现状及发展趋势

1.3.2 氢氟酸烷基化国内现状及发展趋势

1.4 氢氟酸烷基化用流程泵现状及发展趋势

1.5 泵效率提高的研究

1.6 主要研究内容

第二章 泵的优化设计

2.1 泵的总体设计

2.1.1 总体结构

2.1.2 力的平衡

2.1.3 机械密封

2.1.4 材料

2.2 水力部件设计

2.3 叶轮的优化设计

2.3.1 叶轮主要尺寸的确定

2.3.2 叶轮水力模型参数

2.4 吸入室水力设计

2.4.1 吸入室分类

2.4.2 各种吸入室的适用范围

2.4.3 半螺旋形吸入室的设计

2.5 首级压出室水力设计

2.6 次级排出室水力设计

2.6.1 蜗壳的水力特性

2.6.2 双蜗壳设计程序

2.7 水力模型组合

第三章 三维建模及网格划分

3.1 Pro/ENGINEER简介

3.2 叶轮建模

3.3 排出室建模

3.4 吸入室建模

3.5 零部件组装

3.6 网格划分

第四章 内部流动定常数值模拟

4.1 湍流模型求解的基本方程

4.1.1 湍流瞬时控制方程

4.1.2 不可压缩流体的时均化方程

4.2 三维湍流数值模拟方法

4.2.1 方法对比

4.2.2 主要湍流模型

4.3 边界条件的设计

4.3.1 进口边界条件

4.3.2 出口边界条件

4.3.3 固壁条件

4.3.4 叶轮和蜗壳内流体的耦合

4.4 fluent参数设计

4.5 分段水力模型模拟结果及分析

4.5.1 首级水力模型CFD计算及性能预测

4.5.2 次级水力模型CFD计算及性能预测

4.6 整机的CFD计算及性能预测

4.6.1 压力云图分析

4.6.2 整机的性能预测

第五章 整机非定常数值模拟

5.1 非定常收敛数据

5.2 边界条件设置

5.3 模拟结果分析

5.3.1 外特性曲线

5.3.2 各监测点的压力脉动

第六章 整机的试验和计算结果对比

6.1 试验装置

6.2 试验数据处理

6.3 试验结果

6.4 试验结果和模拟计算对比

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文及工作内容