节流过程气固两相流动磨损特性预测及优化方法研究

摘要

本文针对石油化工节流过程中普遍存在的气固冲蚀磨损问题，研究流场内气固相间作用和颗粒运动过程，揭示复杂流场条件的气固两相流的冲蚀磨损机制。针对性的设计搭建高温冲蚀磨损实验，开展高温冲蚀磨损实验研究，揭示三种涂层材料在变工况条件下的冲蚀磨损规律，形成冲蚀磨损的预测表征方法，并对气-固两相流的冲蚀磨损模型进行修正。模型经实验验证后，最终用来预测脱硫反应器带泡罩分配盘的气-固两相流动冲蚀-磨损的高风险区域，通过对泡罩的几何参数和流道结构的优化，提高脱硫塔分配盘的抗冲蚀磨损性能。主要工作如下: (1)本文分别开展了三种材料PTA-STL12、PTA+PVD-Ni60+(*1)（*1表示涉密材料编号）、PTA-YDCL-01（*1）在温度、磨料量、冲击角度三种不同影响因素下的冲蚀磨损实验，分析讨论了它们的宏观、微观冲蚀破坏形貌，探究了材料在不同工况下的冲蚀磨损机理。材料1(PTA-STL12)，涂层与基材之间产生的是冶金式地粘结。在颗粒冲蚀破坏下，材料被挤压、铲削，最终呈片状剥落。材料3(PTA-YDCL-01(*1))，由于涂层表面存在大量增强相颗粒TiN，经Ni60和TiN粉末熔覆后的材料，涂层的硬度提高，耐磨性能提高。在颗粒冲蚀破坏下，材料被挤压、铲削，最终呈屑状脱落。材料2(PTA+PVD-Ni60+(*1)）是由Ni60A粉末经等离子喷焊工艺，堆焊到316L不锈钢上所制成的。在颗粒冲蚀破坏下，材料被挤压、铲削，最终呈屑状脱落。 (2)本文研究发现:磨料量、温度和冲击角度对三种材料PTA-STL12、PTA+PVD-Ni60+(*1)、PTA-YDCL-01(*1)的冲蚀磨损均有显著影响。磨料量和温度与材料1(PTA-STL12)、材料3(PTA-YDCL-01(*1)）磨损量大致呈正相关关系，但随着涂层厚度的减薄及凹坑形状的变化，材料冲蚀坑会向四周扩张。在低冲角下试件表面塑性变形明显，冲蚀坑半径及凹坑中心深度陡增，材料呈块状脱落，整体磨损量相对较大。对于材料2(PTA+PVD-Ni60+(*1))来说，材料整体磨损量与磨料量正相关关系。材料2(PTA+PVD-Ni60+(*1))的磨损量随温度近似以抛物线趋势变化，先增后减;90°冲角下，材料磨损量最小，60°时凹坑中心深度陡增，表面变形明显，整体磨损量较大。 (3)本文针对节流过程的气-固两相流动冲蚀磨损，分别构建了连续相流动模型、离散相运动模型及颗粒磨损模型。以剪切应力传输(SST) k-ω湍流模型计算连续相流场，采用离散相模型(DPM)仿真实验中颗粒对靶材的冲蚀磨损过程，同时考虑湍流对颗粒运动的影响以及颗粒的冲击-反弹过程。根据高温冲蚀磨损实验数据库，提出用相对磨损率表征材料耐颗粒冲蚀磨损性能;并依据高温磨损实验数据，修正本文所采用的半经验磨损公式中的相关参数，继而开展数值模拟。通过计算得到试件表面磨损率分布图与实验材料磨损形貌进行对比，验证数值计算方法的准确性。 (4)针对脱硫反应器带泡罩分配盘的内部流动展开工艺仿真、数值模拟，并将计算结果与脱硫反应器分配盘实际冲蚀失效情况对照分析，验证了冲蚀磨损数值预测方法的可靠性，并采用该模型分析了带泡罩分配盘结构的优化改良方案，具体包括:将流道变为扩张结构，泡罩固定方式有侧面肋板固定变为顶部螺栓固定，流道出口采用圆弧过渡;适当增加开孔数N和升降管内径，既可以可很好的扰动流场，促进吸附剂与物料的良好接触混合，进行同时保持磨损程度减低，磨损范围不扩散，有利于分配盘整体使用寿命的提升。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景及选题意义

1．2国内外研究综述

1．2．1磨损机理研究综述

1．2．2材料磨损实验研究现状

1．2．3气-固两相流流动磨损数值预测研究进展

1．3本文主要研究内容及章节安排

第二章材料磨损实验及结果分析

2．1高温冲蚀磨损实验装置及功能实现

2．1．1实验装置的工作流程

2．1．2实验测试方法

2．2材料性能测试及磨损性能表征

2．2．1实验试件性能测试

2．2．2实验磨料1性能

2．2．3实验磨料2性能

2．2．4磨损性能表征

2．3实验材料1(PTA-STL12)冲蚀磨损实验结果分析

2．3．1磨料量对材料1(PTA-STL12)磨损率的影响

2．3．2温度对材料1(PTA-STL12)磨损率的影响

2．3．3冲击角度对材料1(PTA-STL12)磨损率的影响

2．3．4 PTA-STL12材料磨损微观形貌分析

2．4实验材料2(PTA+PVD-Ni60+(*1))的实验结果分析

2．4．1磨料量对材料2(PTA+PVD-Ni60+(*1))磨损率的影响

2．4．2温度对材料2(PTA+PVD-Ni60+(*1))磨损率的影响

2．4．3冲击角度对材料2(PTA+PVD-Ni60+(*1))磨损率的影响

2．4．4 PTA+PVD-NI60+(*1)材料磨损微观形貌分析

2．5实验材料3PTA-YDCL-01(*1)冲蚀磨损实验结果分析

2．5．1磨料量对材料3(PTA-YDCL-01(*1)磨损率的影响

2．5．2温度对材料3(PTA-YDCL-01(*1)磨损率的影响

2．5．3冲击角度对材料3(PTA-YDCL-01(*1)磨损率的影响

2．5．4 PTA-YDCL-01(*1)材料磨损微观形貌分析

2．6本章小结

第三章节流部位气-固两相流冲蚀磨损的数学模型和计算方法

3．1数值模拟的数学模型

3．1．1流体控制方程

3．1．2湍流模型

3．1．3颗粒运动模型

3．2冲蚀磨损模型及其修正

3．3本章小结

第四章S zorb吸附塔分配盘磨损预测及结构优化

4．1 S zorb吸附塔分配盘数值预测方法

4．1．1 S zorb吸附塔工艺单元及分配盘结构

4．1．2 S zorb吸附塔工艺计算

4．1．3 S zorb吸附塔分配盘泡罩数值模拟边界条件

4．1．4网格无关性验证

4．2 S zorb吸附塔分配盘泡罩数值计算结果分析及预测方法验证

4．2．1 S zorb吸附塔分配盘泡罩内外流场分析

4．2．2 S zorb吸附塔分配盘泡罩磨损过程分析

4．3 S zorb吸附塔分配盘泡罩结构优化

4．3．1泡罩几何尺寸优化

4．3．2泡罩流道结构优化

4．4本章小结

第五章总结与展望

5．1研究工作总结

5．2主要创新点

5．3研究展望

参考文献

攻读硕士期间的学术成果

致谢