用于乙烯蒸汽裂解炉工艺设计和操作优化的耦合计算方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN105975439A(43)申请公布日2016.09.28(21)申请号201610266990.2(22)申请日2016.04.26(71)申请人中国寰球工程公司地址100012北京市朝阳区来广营高科技产业园创达二路1号(72)发明人徐文浩孙长庚张来勇李锦辉朱为明杨庆兰杨桂春胡仲才(74)专利代理机构北京科龙寰宇知识产权代理有限责任公司11139代理人孙皓晨(51)Int.Cl.G06F17/12(2006.01)G06F17/50(2006.01)权利要求书9页说明书19页附图3页(54)发明名称用于乙烯蒸汽裂解炉工艺设计和操作优化的耦合计算方法(57)摘要本发明公开一种乙烯蒸汽裂解炉的耦合计算方法，用于裂解炉的工艺设计及操作优化计算。该方法将裂解炉的计算分成对流段计算模块、辐射段计算模块和废热锅炉计算模块。辐射段计算模块本身包含炉膛计算子模块和炉管计算子模块。对流段计算模块用来计算烟气与对流段管排之间的传热和管排内流体的流动、相变和传热；炉膛计算子模块用来计算燃料的燃烧、烟气的流动、烟气与炉管之间的传热；炉管计算子模块用来计算炉管内的自由基裂解反应和传热；废热锅炉计算模块用来计算急冷换热器内裂解气与锅炉给水之间的传热。通过迭代求解上述各个模块，可以得到裂解炉系统的全局解，用于确定裂解炉的最优操作参数以及准确预测裂解炉的运行状态。CN105975439ACN105975439A权利要求书1/9页1.一种乙烯蒸汽裂解炉的耦合计算方法，其特征在于，根据乙烯裂解炉的实际结构和工艺流程，将整个裂解炉的计算分为三个模块，分别是对流段计算模块、辐射段计算模块和废热锅炉计算模块，通过迭代求解上述三个模块，得到裂解炉系统的全局解，该方法包括以下步骤：(一)建立对流段计算模块控制方程组，具体包括：(1)建立对流段盘管与高温烟气之间的对流传热模型根据对流段采用的交错排布的锯齿形翅片管的特点，对流段盘管与高温烟气之间的对流传热系数采用ESCOA方法进行计算，计算公式如下：Ao＝d+2nbh公式3-0.25C1＝0.091Re公式4-0.17h/sC3＝0.35+0.65e公式52Ao是管排对烟气的阻碍面积，m/m；Cp是烟气的比热，J/(kgK)；2hc是对流段盘管与烟气之间的对流传热系数，W/(mK)；k是烟气的导热系数，W/(mK)；μ是烟气的粘度，kg/(ms)；Tg和Tf分别是烟气和翅片的温度，K；G是烟气的质量通量，kg/(m2s)；d是对流段炉管的外径，m；Nw是每排炉管的根数；Nd是管排数；L是炉管的有效长度，m；h是翅片的高度，m；b是翅片的厚度，m；n是翅片的密度，翅片个数/m；Wg是烟气的流率，kg/s；ST和SL分别是对流段炉管之间横向和纵向的间距，m；Re为烟气的雷诺数；翅片效率η采用如下公式进行计算：2CN105975439A权利要求书2/9页At＝Af+πd(1-nb)公式90.5m＝[2ho(b+ws)/Km/b/ws]公式112Af和At分别是单位炉管长度下的翅片面积和总面积，m/m；Km是翅片的导热系数，W/(mK)；ws是翅片的宽度，m；(2)建立对流段盘管与高温烟气之间的压降模型高温烟气在对流段管排之间流动时的压降采用如下公式计算：-0.3C2＝0.75+1.85Re公式16ΔPg是压降，mmwc；3ρg是烟气在平均温度下的密度，kg/m；(3)建立对流段炉管内流体的单相传热模型对流段炉管内单相流体与炉管内壁之间的对流传热系数采用如下公式进行计算：2hc是管内流体与炉管内壁之间的对流传热系数，W/(mK)；w是单根炉管内的质量流率，kg/s；Cp是流体的比热，J/(kgK)；μ是流体的粘度，kg/(ms)；k是流体的导热系数，W/(mK)；di是炉管的内径，m；(4)建立对流段炉管内单相流体的压降模型3CN105975439A权利要求书3/9页沿对流段炉管的压降表达式为：Pt为总压，Pa；α为转换系数；rb为弯管处的半径，m；f为范宁摩擦系数；ξ为弯头的涅克拉索夫系数；对于光滑的直管段，范宁摩擦系数的计算表达式如下：对于光滑的弯管段，范宁摩擦系数的计算表达式如下：k为弯管的弯曲角度，rad；(5)建立对流段炉管内流体的两相传热模型对于炉管内发生相变的情况，采用Baker的流型图来判断流体在管内流动时的流型，对流段炉管内流体与炉管内壁之间的对流传热系数采用如下公式进行计算：htc＝ατthn+ht公式2423τt＝-10.08547+3.43598(lnRet)+0.01038(lnRet)公式262htc是两相流综合对流传热系数，W/(mK)；α是与流型有关的核沸腾传热系数校正因子，可从相关图表中读取；2hn是核沸腾传热系数，W/