工业蒸汽裂解炉的管排优化设计方法.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(10)申请公布号CNCN103678759103678759A(43)申请公布日2014.03.26(21)申请号201310422493.3(22)申请日2013.09.16(71)申请人华东理工大学地址200237上海市徐汇区梅陇路130号(72)发明人钱锋胡贵华杜文莉李进龙梅华(74)专利代理机构上海新天专利代理有限公司31213代理人俞滢(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权权利要求书1页利要求书1页说明书8页说明书8页附图3页附图3页(54)发明名称工业蒸汽裂解炉的管排优化设计方法(57)摘要本发明涉及一种工业蒸汽裂解炉的管排优化设计方法，采用计算流体力学建立炉膛的流动、燃烧、传热模型；炉管模型中，管内过程采用分子或自由基反应动力学模型。然后以热通量及管壁温度分别作为边界条件，进行炉膛炉管的耦合计算直至收敛。该模型能够获得炉管内裂解气速度、温度、压力、主要裂解产物收率，炉管外壁的温度和热通量沿管长的分布，以及炉膛内烟气速度、温度、浓度分布等详细信息，可用于验证设计方案能否达到预计结果，由于建立了精确的裂解炉几何模型，通过对炉膛烟气流场、温度场以及炉管内裂解气温度、压力、浓度和管壁温度分布等数据的分析，可以为裂解炉管排的设计优化提供指导。CN103678759ACN10367859ACN103678759A权利要求书1/1页1.一种工业蒸汽裂解炉的管排优化设计方法，其特征在于，步骤1：确定工业蒸汽裂解炉的设计操作数据，包括裂解炉炉膛、炉管的详细尺寸结构，裂解原料进料量、温度和压力，裂解原料属性，裂解气出口温度，出口压力，以及出口主要产物收率，燃料气的组成、进料量、温度和压力，过剩空气系数；步骤2：将工业蒸汽裂解炉的建模过程分为炉膛建模和炉管建模；步骤2.1：建立炉膛模型，采用计算流体力学方法，对炉膛进行准确的结构建模和网格划分，在炉管附近采用细化的网格进行描述，该炉膛模型包含了炉管的详细三维结构，包括炉管的各管程的结构、排布和位置以及各管程连接件的结构和位置；在此基础上建立炉膛内的流动、燃烧、辐射模型，计算得到辐射段烟气的速度、温度、压力、各组分浓度分布，以及炉膛对炉管外壁的热通量；步骤2.2：建立炉管模型，采用分子反应或自由基反应动力学建模，通过炉管模型计算可以得到沿管长的管壁温度分布，裂解气温度、压力和各组分浓度随管长的变化，以及出口温度，出口压力及出口处各组分的收率；步骤3：炉膛与炉管模型存在能量的耦合关系，根据经验或者初始化炉管外壁温度分布的初值，作为边界条件带入炉膛模型中进行计算，然后将炉膛计算获得的管壁热通量分布再作为边界条件代入炉管模型中计算，获得新的炉管外壁温度分布，如此反复迭代直至收敛。2.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述炉管的详细三维结构参数可进行修改，以来考察改变炉管结构对结果的影响。3.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述炉膛模型包含了仅有底部烧嘴或仅有侧壁烧嘴或底部和侧壁烧嘴均有的情况。4.根据权利要求3所述的优化设计方法，其特征在于，所述底部烧嘴空气和燃料气通过不同的位置分别进入炉膛内部，为非预混燃烧过程，采用概率密度函数模型进行模拟；侧壁烧嘴空气和燃料气混合之后进入炉膛，为预混燃烧过程，采用有限速率/涡耗散模型；既有底部烧嘴又有侧壁烧嘴的燃烧过程，采用有限速率/涡耗散模型。5.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述迭代收敛判据为一前后两次计算获得的炉管外壁温度最大值的差距是否小于一预设阈值，如小于该阈值，则为收敛。2CN103678759A说明书1/8页工业蒸汽裂解炉的管排优化设计方法技术领域[0001]本发明涉及一种工业蒸汽裂解炉的管排优化设计方法，利用该方法建立的模型可用于工业蒸汽裂解炉管排的设计验证和优化。背景技术[0002]裂解炉是乙烯装置的龙头，而辐射段炉管又是裂解炉的心脏，是操作条件最恶劣、故障率较高的部位。其主要特点是操作压力低，约为0.3MPa；操作温度高，管壁最高温度可达1100℃或更高；操作介质为石脑油及各种尾油等烃类介质[1]。在裂解炉运行过程中，炉管内表面不断结焦，导致炉管压降增大，同时管壁温度升高导致局部出现过热点。因此，通常通过测定管壁温度，当温度接近炉管材料的耐热极限时即停炉清焦，这使裂解炉需要周期性地开、停车。在周期性的开、停车过程中，周期性的热应力冲击也会对炉管的使用寿命产生影响。[0003]纵观各种炉管失效的方式和原因，无论是由于燃烧系统的燃料负荷分配不合理，还是诸如周期性开停车、烧焦、原料带液等操作系统因素，它们都引起了一个共同的现象，就是炉膛内温度分布不合理，炉管受热不均匀，出现局部过热超温，最终导致炉管发生渗