原油换热器结垢特性实验研究

摘要

随着采油工业的发展,原油的性质趋于恶化,杂质含量较高,换热设备内的结垢问题日益严峻。现在,对于原油的结垢特点等问题,我国仍然缺乏较为系统的实验研究,而且定量的实验数据很少,这在一定程度上阻碍了防垢除垢技术的发展。针对此现状,本文针对国内轮古稠油渣油的结垢特性进行了一系列的实验研究。
　　 本文以传热学原理为依据,对结垢热阻值的测定原理和方法从理论上进行了分析。然后利用搅拌式实验装置展开一系列的实验研究,模拟了换热器的传热和结垢过程；并使用组态软件采集记录实测的原油主体温度、传热表面温度以及加热功率等,通过分析传热系数的变化得到原油的结垢热阻和结垢速率。
　　 首先分别对传热表面的温度、原油主体温度、搅拌雷诺数以及压力等因素对原油结垢速率的影响进行了考察。实验结果表明,随着初始传热表面温度不断升高,反应诱导期逐渐缩短,结垢速率不断增加,当初始传热表面温度从290℃升高到350℃时,结垢速率增大了3倍左右。而且有效膜层温度对结垢速率的影响,比传热表面温度对其产生的影响更为强烈,反应产生的活化能为51.07kJ/mol。当其他操作条件不变,原油主体温度由200℃逐渐升高到250℃时,结垢速率呈现降低的趋势,主要因为是主体温度的升高,粘度下降,搅拌雷诺数明显增大,同时原油中沥青质的溶解量增大,沉积物减少。搅拌雷诺数对结垢的影响较为复杂,当其由4000逐渐增大到10000时,原油的结垢速率呈现降低的趋势,搅拌雷诺数为4000时的结垢速率是搅拌雷诺数为10000时的5倍,表明热边界层附近的化学反应或沉积和附着作用是整个结垢反应的控制步骤。原油在压力为2.0～6.0MPa范围内变化时,结垢速率几乎不变,表明压力对结垢速率的影响很小,可以忽略不计。
　　 本文在Polley结垢临界预测模型的基础上,利用膜层温度代替管壁温度计算结垢反应活化能,并以此温度为标准计算结垢反应中原油的物性和普朗特数,建立新的结垢速率预测模型,以实验数据验证其平均相对偏差为29.12％。
　　 最后考察不同操作条件下,阻垢微粒对污垢热阻的影响,在相同的操作条件下,加入少量的阻垢微粒能使原油的污垢热阻下降2～4倍,阻垢微粒对反应诱导期和结垢速率几乎没有影响,但能够起到很好的防垢作用。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 污垢的分类及原油结垢的特点

1.3 原油换热器结垢的研究

1.3.1 换热器内原油结垢机理的研究

1.3.2 操作条件对结垢速率的影响

1.3.3 结垢速率预测模型

1.3.4 换热器防垢除垢技术

1.4 测定原油结垢热阻和结垢速率的实验装置

1.4.1 循环式实验装置

1.4.2 搅拌式实验装置

1.5 本课题的研究目的和工作内容

第二章 原油结垢测定的实验装置及校正实验

2.1 原油结垢热阻值的测定方法和原理

2.2 换热器结垢热阻和结垢速率的计算

2.3 原油结垢热阻测定实验装置

2.3.1 搅拌式实验装置简介

2.3.2 实验步骤

2.4 传热表面温度的校正实验

2.5 原油性质及数据处理方法

2.5.1 实验所用的原油及其性质

2.5.2 实验数据处理方法

第三章 原油结垢热阻和结垢速率的测定及影响因素分析

3.1 原油结垢热阻和结垢速率的测定

3.2 温度对结垢速率的影响

3.2.1 传热表面温度的影响

3.2.2 主体温度的影响

3.3 搅拌雷诺数对结垢速率的影响

3.4 压力的影响

3.5 本章小结

第四章 原油的结垢速率预测模型

4.1 Kern和Seaton模型

4.2 结垢临界概念

4.3 结垢临界预测模型

4.3.1 Panchal预测模型

4.3.2 Polley预测模型

4.3.3 Nasr预测模型

4.4 结垢速率预测模型的建立

4.5 本章小结

第五章 阻垢微粒对污垢热阻的影响

5.1 防垢技术及其机理

5.2 阻垢微粒对污垢热阻的影响

5.2.1 不同传热表面温度下阻垢微粒对污垢热阻的影响

5.2.2 不同主体温度下阻垢微粒对污垢热阻的影响

5.2.3 不同搅拌转速下阻垢微粒对污垢热阻的影响

5.3 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文

致谢