Barracuda石油化工解决方案-海基科技

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1、Barracuda在石油化工领域的应用北京海基嘉盛科技有限公司2023-07目 录1.应用背景32.Barracuda简介42.1独有的网格生成技术42.2先进的数值求解技术52.3Barracuda在流化模拟方面的三大优势63.石油化工应用案例83.1提升管反应器83.2旋风分别器113.3 FCC再生装置123.3.1 介绍123.1.2 几何结构及操作条件133.1.3 CPFD BARRACUDA模型创建14计算网格及颗粒14初始条件和边界条件143.1.4 附加模型153.1.5 结果16结论184.Barracuda典型用户201. 应用背景催化裂化是石油炼制过程之一，是在热和催化

2、剂的作用下使重质油发生裂化反应，转变为裂化气、汽油和柴油等的过程。作为炼油厂的核心加工装置，催化裂化设备也面临着越来越多的挑战。不断严格的环保要求，主要是汽油规格的升级对烯烃和硫含量的要求以及烟气排放量的限制；对产品需求比例的改变，如市场对柴油需求比例和数量的增加，即所谓的柴油化趋势。这些都对现有的催化裂扮装置与催化裂化的进一步发展形成很大的冲击。而且除了采纳新型有效的降低催化裂化汽油和柴油的硫含量外，还要考虑各种技术的费用问题。我国催化裂化所面临的问题：（1）我国FCC单套平均实力小（2）装置能耗高；（3）FCC催化剂发展水平不高；（4）我国FCC 装置开工周期短。这也是我国和国外催化裂化技

3、术的主要差距。对于目前面临的以上问题，须要采纳相应的工艺流程与工艺设备来完成。科学合理的工艺流程和技术先进的工艺设备不仅能提高煤的深加工利用价值与煤制产品的生成率，而且还能显著降低煤加工过程中对四周生态环境产生的破坏与影响。流态化技术由于具有传热和传质速率高，反应速度快的特点，被广泛用于能源工程领域，特殊是煤化工等加工过程中。早期对流态化技术的探讨与发展，主要以阅历计算和试验测试为主。但随着计算机技术与数值模拟方法的飞速发展，人们越来越不满意于阅历与试验的方法，而是试图从描述过程的各种微分方程动身，模拟真实流态化工程中的各种传热、传质以及化学反应机理与规律，以此为基础分析预料流态扮装置的总体特

4、性，为工程设计和优化等供应理论依据与指导建议。数值模拟作为探讨流态扮装置的有力工具，不仅可以缩短开发周期，节约探讨费用，还可以获得由于试验条件或测试技术限制在试验中无法得到的宏观与微观信息。Barracuda正是一款特地用于模拟颗粒-流体流淌及化学反应的闻名商业数值模拟软件。2. Barracuda简介Barracuda工程软件包是由美国的CPFD Software,LLC公司开发的特地用于模拟颗粒-流体流淌及化学反应的商用软件包，它致力于工业尺度流态扮装置的模拟。目前，众多的政府探讨机构和世界财宝500强企业已选用它来做工厂设计和工艺过程优化。运用Barracuda，我们客户就有了一个牢靠的

5、工程设计，我们的自信源自Barracuda的科学依据。就像真正的梭鱼，Barracuda软件计算快速而功能强大。它是如此的独特，以至于无法找到其次个类似的工程软件!Barracuda在模拟困难流体/颗粒/热/化学反应现象方面功能强大；它的计算速度快，能够在设计期限内得到一个有意义的准定常特性，允许你快速地在不同设计之间做出权衡。图1 Barracuda GUI主界面2.1独有的网格生成技术Barracuda工程软件包包含一个自动化的网格生成器，它可以便利的生成求解器可以高效求解的高质量网格。在网格划分时，用户只需依据模拟对象的几何结构，定义一组封闭的轮廓面，点击一下按钮，即可快速完成网格的自动

6、生成。对于困难的结构，还允许用户进行网格局部加密。网格自动生成技术大大简化建模前处理工作，使得分析人员能够投入更多的时间来完成模型的求解计算与结果分析。图2网格生成器界面2.2先进的数值求解技术CPFD是基于Eulerian Lagrangian框架对颗粒体多相流进行模拟的。虽然通过颗粒体积分数的空间梯度，Eulerian Eulerian模型可以模拟密集颗粒流旁边的颗粒间应力，但若考虑到颗粒的类型和尺度分布，连续方程将异样困难，因为须要对每一种类型和尺度的固体相求解连续方程和动量方程。Eulerian Lagrangian模型是一种求解颗粒多相流较为经济的方法，它考虑较宽范围的颗粒类型、尺度

7、和速度等。尽管如此，对于颗粒体积分数较高的状况，颗粒间的碰撞频率极高，采纳真正意义的Lagrangian方法计算碰撞也是不现实的。CPFD技术借鉴了MP-PIC（multiphase particle-in-cell）方法，对颗粒相进行了双重处理方法，即颗粒既被视为是连续介质，也被视为是离散体。将颗粒应力梯度（在密集颗粒流中难于对每个颗粒进行计算）处理成流体网格上的梯度，然后插值到离散颗粒体上；而颗粒相的其他属性则在离散颗粒的位置处进行计算。CPFD定义了一种插值算子，这种算子计算速度高，且可以保证全局及局部的守恒。这样，CPFD方法消退了对高计算量的隐式解的依靠网格上颗粒法相应力计算所须要的

8、；更重要的是，颗粒相和流体相隐式的耦合起来，能够对稀疏到密集的任何颗粒体积分数的颗粒-流体系统求解计算，为设计人员供应一个鲁棒性优良的数值解。用户随意定义颗粒尺度分布不受限的颗粒和气态物质组分质量、动量和能量的完全守恒，流体、颗粒动量紧耦合(完全隐式）颗粒应力张量；颗粒-颗粒碰撞；颗粒-壁面反弹2.3 Barracuda在流化模拟方面的三大优势Barracuda对流化模拟的需求完全匹配。它所具有的以下三大优势，确立了它在流扮装置模拟中的领先地位。精确模拟颗粒流淌的基本机理在最基本的层面，Barracuda可以正确地获得颗粒流淌的机理。运用固定网格的欧拉方法模拟气相和液相，这与传统CFD方法一样

9、；而将颗粒状固体用拉格朗日（无网格）方法模拟为大量离散体。Barracuda甚至可以捕获由颗粒尺度分布（PSD）引起的全部重要机理。 用户也可以指定随意的颗粒尺度分布，定义不限数量的组分，如煤和沙子。其它机理包括完全耦合的流体-颗粒曳力、真实的壁面冲击和反射、涉及颗粒固体的化学反应、由于气化而导致颗粒尺度缩小。 经验流化试验数据的验证为了验证Barracuda软件的精确性和精确性、捕获大型试验系统里的困难流化特性，CPFD Software,LLC公司加入并成为颗粒固体探讨公司（PSRI）的完全会员，可以共享PSRI的试验数据。PSRI也是Barracuda的用户，它运用Barracuda设计

10、试验。利用公开文献数据作了大量验证性探讨，同时也经验了用户专有数据的多次验证，Barracuda软件已被证明是目前最好的流化模拟工具，尤其适用于各种过程工程行业。图3流化试验数据验证快速计算突破数值计算的瓶颈为了帮助工厂做出精确、高效的设计和工艺过程优化决策，对流扮装置的模拟必需具备以下四个条件：（1） 完全三维模拟；（2） 所模拟颗粒的尺度范围宽、数量大。颗粒的最小尺度可达2微米，最大尺度则取决于流体网格的大小。一般状况下，Barracuda模拟颗粒的尺度范围在5微米10毫米之间，模拟的颗粒数量可达到1016， 颗粒的总质量可达数百吨；（3） 计算速度必需满意设计反复迭代的须要，可以很快获得

11、有意义的准稳态特性；一般状况下，对于试验室尺度的问题，计算可在数分钟至数小时内完成，对于工业尺度的大规模问题，一般计算时间为数小时至数天；（4） 必需包含参数化和快速权衡不同设计的实力。确保可以得到最优化的设计。Barracuda可以同时满意上述四个条件，这得益于CPFD Software,LLC公司专有的数值技术CPFD（计算颗粒流体力学）。CPFD数值方法已经由公司的创始人之一Dale 博士在计算物理杂志（Journal of Computational Physics）和其它行业认可的期刊上发表。3. 石油化工应用案例煤化工是以煤为原料，经过化学加工使煤转化为其气、液、燃料以及化学品的过

12、程。现代煤化工以发展清洁煤技术为基础，不断提高煤的综合利用价值和降低对生态环境的污染和破坏。流态化技术以其传热效率高、传质速率高、反应速度快的特点，被广泛应用于现代煤化工过程当中。流态化技术的探讨与发展，对于发展清洁煤技术具有显著的促进作用。Barracuda作为一款致力于工业尺度流态扮装置的工程模拟软件，能够广泛应用到煤化工各个过程的设计开发过程中。它能够处理从稀相到稠相任何困难程度的气固两相流，可以考虑气-气、固-固及气-固之间的各种化学反应。对于颗粒流淌的模拟，能够给定任何浓度任何尺度，考虑颗粒碰撞、颗粒磨损、颗粒反弹等实际颗粒运动机理。因此，它已被众多的世界闻名厂商选用应用到实际工程的

13、设计开发当中。Barracuda详细可应用到煤粉下料、气力输送、煤粉燃烧、煤气化等各个过程设备的设计、放大、优化和限制当中，实际应用案例如下：3.1提升管反应器提升管反应器，催化剂和气相原料在提升管中停留时进行反应，在出口处反应产物与催化剂分别。催化剂经再生后又重新进入提升管，构成一循环流化床反应系统。提升管反应器的主要优点是返混较小，效率高，结构简洁。目前的催化裂扮装置都采纳提升管反应器。以下为美国Sandia国家试验室采纳Barracuda软件对其真实提升管某一操作条件下内部颗粒流淌的模拟。 图4提升管结构图5 网格划分 图6提升管内部颗粒返混现象 图7 压力分布图7 管内压力梯度随高度的

14、改变（对比）3.2 FCC反应分别装置磨损探讨位于Catleesburg的一条UOP液体催化裂化生产线在实际运行中发觉，反应器上的旋风分别器磨损严峻，须要频繁更换。为提高设备运用寿命削减停机检修，须要对设备内流程进行分析，找出导致磨损严峻的缘由，并提出改进设计，降低磨损。图8旋风分别器几何结构及网格化修改设计方案如下：方案1原设计方案2方案1图9 修改方案与原设计方案相比，修改方案1采纳了新的旋风分别器，尺寸较原来的旋风分别器较大，旋风分别器的入口截面积也略有增大。同时为了减轻湍流对旋风分别器性能的影响，在反应器的出口流道内安装除涡板。修改方案2与方案1相比，在截面处增加了一个倒角。图11 磨

15、损部位测量与计算结果对比图11为磨损位置的现场观测结果与计算结果的对比，从图中可看出，旋风分别磨损较为严峻部分的位置吻合较好。图12 不同设计方案流速分布图13不同设计方案磨损效果从图12可以看出，修改方案增加了入口截面积降低了入口流速，从而减轻了磨损，同时降低了旋风分别器的分层现象，提高了旋风分别器的效率。综合对比两种修改方案，方案2的磨损效果明显较小。3.3 FCC再生装置3.3.1 介绍对工业级尺度的流化催化裂化再生装置内部的颗粒流进行模拟。仿真模型为三维全尺寸，且具有困难的内部结构。模型几何结构是一般性的，并未采纳某个实际的FCC装置。CPFD公司的名称源自一种模拟颗粒-流体系统的数值

16、方法：计算颗粒流体力学（Computational Particle Fluid Dynamics）。CPFD方法运用欧拉方法求解流场，运用拉格朗日方法处理颗粒。本仿真为解热过程，且不包含任何化学反应计算。计算运行到过程达到准稳态操作条件，并提取瞬态数据和时间平均数据。仿真结果包括：流态化特性的预料，颗粒冲击引起的内壁磨损和旋流器中的颗粒夹带状况。这些结果将被介绍，并且展示不对称的给料管，对于内部特定结构处过分磨损问题所起的作用。3.1.2 几何结构及操作条件当前仿真工作所选择的FCC再生器的物理配置及操作条件都是工业领域里具有代表性的。这个再生器是上下具有半球端盖的圆柱形容器，其直径为50

17、ft，高度为95 ft。容器底部布有3个供应流化用气的布风环。12个主-次旋流器对均布在容器内部的顶端，每个旋流器都有一个浸入管向下延长，将夹带出去的颗粒返回到流化床。该再生器也设置有一个单独的竖直管道，用来把颗粒返还到FCC反应器中。FCC的给料管结构是该项仿真中特殊关注的方面。水平管道入口导致了一个“J”型向上弯曲，用来过渡到竖直的提升管部分。当反应器-再生器并排布置时，这种“J”型弯曲管道结构是必要的，并且FCC中的颗粒必需是水平地从反应器输送到再生器中。当系统设计中，反应器可能会干脆布置在再生器上方。此时，“J”型弯曲结构就不是必需的了。颗粒从给料管的竖直提升部分流出，冲击管道出口处正

18、上方的平板。该模型中的这个平板是一个简化了的止速装置。在实际的FCC再生器中，运用着更多困难的止速装置，它们主要用来将颗粒尽量匀称的分布在流化床中，从而使催化剂能更好的进行再生反应。对于本算例，由于几何结构本身就是一般性的，因此并没有加入一个困难的止速装置。作为对典型操作条件的估计，本模型采纳了表1中列出的参数值。表 1: FCC 操作条件参数值压力203kPa (2atm)温度(绝热)994K (1330F)FCC 颗粒密度1425kg/m3 FCC d50 颗粒直径78microns初始颗粒质量70000kg (77tons)FCC 返料流量1000kg/s (1.1ton/s)3.1.3

19、 CPFD BARRACUDA模型创建计算网格及颗粒仿真的第一步是定义计算网格。网格所包含的计算单元用来求解流体限制方程，其结果与颗粒的动量方程紧密的耦合。网格越精细，计算结果越精确。但这也意味着更长的计算时间。当前模型中，Barracuda运用的计算单元尺度在68英寸范围内，计算单元数量在27万左右。对于和当前考虑的再生器类似的工业级尺度容器，估计会包含约1.0E+15数量级的颗粒。对于当前的计算机，在同一模型中模拟每一个颗粒的运动细微环节明显是不现实的。因此，Barracuda运用了一种叫做“计算颗粒”的模型，它确保可以在合理的求解时间内获得有工程价值的结果。每一个计算颗粒是一组真实颗粒的

20、表征，这组颗粒具有相同的物理属性，如：材料，粒径及密度等。计算颗粒的数量影响着计算速度和计算精度。如流体计算单元一样，运用跟多的计算颗粒意味着更精确的结果，但是要求更长的求解时间。本算例中运用了1.8x106个计算颗粒。真实再生器大约包含1.0E+15数量级的催化剂颗粒。初始条件和边界条件Barracuda通过在每个计算网格和计算颗粒上求解守恒方程来模拟颗粒和流体的运动。初始条件为全部的计算供应了一个起先点；边界条件指定了颗粒和流体从何处、以何种状态进入和离开系统。图1给出了带有边界条件定义的再生器几何结构。初始条件设定为：再生器内部填充了肯定量静止的催化剂颗粒；空气也是静止的。系统的压力和温

21、度设置为与希望达到的操作条件匹配。图 1 FCC再生器的几何及边界条件布风环处的流淌边界条件（Flow BC）仅对流体（空气）进行设置；主旋流器的浸入管出口和FCC的给料口处的流淌边界条件对颗粒和流体都进行指定。压力边界条件（Pressure BC）被定义在了12个主旋流器的进口位置及排料管出口。颗粒允许在全部压力边界处流出，并且通过Barracuda的颗粒反馈限制特征可以将系统内的颗粒质量保持为一个常数值。这是通过调整旋流器浸入管处的颗粒流量来实现的。 附加模型评估内部结构的磨损状况也是本次模拟的一个重要目标，所以Barracuda的磨损模型（wear model）被运用。磨损模型计算的是累

22、加磨损，该磨损来自颗粒对表面的持续冲击。当一个颗粒碰撞壁面，磨损量将被计算，它是颗粒质量、速度和入射角度的函数。运用者可以限制对这些因素的依靠性，每个因素的合适值都是依材料而定的。例如：FCC颗粒冲击金属壁面的参数值与其冲击耐火材料的是不同的。在这里，颗粒质量m、速度u对磨损的贡献程度分别选取1.5和3.5作为指数。 结果计算过程提取了多种类型的数据，包括：指定位置处的瞬态压力值，颗粒和气体的时均质量流量，颗粒在设备内的滞留时间等。系统许多方面的指标可以基于这些数据进行分析。这里我们特殊关注的是两个相关的行为：颗粒和气体的在“J”型给料管处的流淌状况，再生器一半进入管的高磨损。在反应器和再生器

23、并排的放置时，水平输送FCC颗粒是必要的。此模型中，FCC颗粒经过“J”型弯曲管道及提升管段输送到再生器中。志向状况下，颗粒将被匀称的布散在流化床中。但是，“J”型弯曲管道导致了颗粒在弯曲外侧更多的积累，并造成内侧气流的高速度。图2和3分别展示了管道中截面处的颗粒和流体的运动状况：更深颜色的颗粒及矢量对应着更高的颗粒和流体速度。弯曲管道外侧的颗粒积累密度较大，常见的接触导致流淌速度较低；气体则倾向于避开流阻较大的高颗粒浓度区域，这使得在弯管的内侧气流具有更高的速度。高速气流接着上行通过竖直提升管道，并在内弯曲的一边流入再生器。图 2 给料管中颗粒速度分布 图 3 给料管中的气体速度矢量图 (m

24、/s)图4给出了时均气流速度大于5m/s的区域。该等值面在竖直管出口、偏向弯管内侧的位置有更大的区域，这也说明白高速气流主要集中在弯管内侧。其他的高速流体区包括：排料管和主旋流器进口处。全部这些区域都是高流通区域，小的了流通面积（相对于整个腔体的截面积）导致了较高的气流速度。图 4 气流速度高于5 m/s的区域分布高速气流经过入口管道的弯曲内侧进入到流化床，对于其同侧的旋流器浸入管出口有显著的冲蚀作用。图5展示的区域处，具有最高程度的颗粒累积冲蚀效应。这些区域也是最有可能从磨损到损坏的部位。3.1.6结论FCC再生器模拟供应了一个对内部颗粒-流体运动行为的预料，特殊地，关注了“J”型管道处的流

25、淌状况。非对称的高速气流造成了流化床的不均衡，从而导致了再生器中，旋流器浸入管下端出的过分磨损。假如这是一个真实的操作设备，通过压力探针和热电偶测试这种非对称流淌是特别困难的。假如旋流器浸入管被严峻损坏，就必需紧急停车，这将造成很大的损失。利用Barracuda模拟结果，工程师就能够理解并干脆探讨运行中出现的问题，这如当前计算模型探讨的一样。图 5 由于颗粒冲击而引起过分磨损的区域4. Barracuda典型用户 阿尔斯通 埃克森美孚 道氏化学 道康宁公司 美国能源部国家能源技术试验室 颗粒固体探讨公司 首诺公司 西屋电器 荏原集团 利安德巴塞尔工业公司 石川岛播磨重工业株式会社 思力肯化工有限公司 新奥科技发展有限公司 中科院过程所 清华高校 中国石油高校 东南高校 中科院工程热物理所 中冶赛迪 神华集团北京低碳清洁能源探讨所