工业蒸汽裂解炉辐射段的耦合模拟方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN103440390A*(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103440390103440390A(43)申请公布日2013.12.11(21)申请号201310419668.5(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赵亮(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辐射段的耦合模拟方法(57)摘要本发明涉及一种工业蒸汽裂解炉辐射段的耦合模拟方法。炉膛模型中，烟气流动采用k-ε湍流模型，燃料气的燃烧采用PDF模型，烟气辐射传热分别采用绝热模型、P-1、DO模型和DTRM模型，并采用WSGGM模型计算烟气辐射特性。炉管模型中，管内过程采用分子或自由基反应动力学模型。炉膛模型与炉管模型耦合模拟的迭代变量选用炉管外壁温度和热通量。由此可以获得不同辐射模型下的裂解炉内流体的温度、速度、压力和浓度分布以及炉管管壁温度和热通量分布，并将模拟结果与工业数据进行比较，将其中产生一致结果的辐射模型确定为该裂解炉的辐射模型。本方法适应性较为广泛，可为不同类型的烃类蒸汽裂解炉的结构和工艺参数优化提供指导。CN103440390ACN10349ACN103440390A权利要求书1/1页1.一种工业蒸汽裂解炉辐射段的耦合模拟方法，其特征在于，步骤1：确定待模拟裂解炉炉膛、炉管尺寸及几何细节，针对炉膛、炉管进行网格划分；并确定炉膛内燃料气流量、空气流量、炉管原料进料流量、温度和压力的初始值，确定炉膛出口压力、炉墙热量耗散系数和炉管出口压力等边界值；步骤2：炉膛建模与炉管建模：步骤2.1：炉膛建模采用计算流体力学方法，炉膛内烟气流动、燃烧模型分别采用标准k-ε湍流模型和概率密度函数非预混模型；炉膛内辐射传热模型采用绝热模型、P-1、DO和离散传播辐射模型分别建模，炉膛烟气采用灰气体加权平均模型计算其辐射特性；步骤2.2：炉管建模采用分子反应或自由基反应动力学建模；步骤3：基于炉膛与炉管存在强烈的热量耦合关系，炉管外壁温度和炉管热通量作为炉膛模型与炉管模型数值迭代，直至炉膛模型和炉管模型耦合收敛为止，并求解流体的速度、温度、压力和浓度等变量。2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述炉膛网格划分中，烧嘴区，炉管区采用四面体单元划分网格；炉膛其他区域采用六面体单元划分网格；炉管网格划分中，六面体单元用来对炉管管壁进行网格细化；混合体单元用来划分炉管连接部分的网格。3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，所述炉管和炉墙壁面各物理量的值均为0，视为无滑移；在壁面附近粘性底层中，采用标准壁面函数逼近实际过程的流动与换热；炉膛墙壁上的热边界通过热损失赋予热通量边界条件，按照裂解炉设计规定热损失为总热量的1%；炉管壁面温度边界采用自定义函数赋给管壁。4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述耦合收敛为迭代过程中，两次管外壁温度分布的最大误差值小于一预设阈值。2CN103440390A说明书1/8页工业蒸汽裂解炉辐射段的耦合模拟方法技术领域[0001]本发明涉及一种工业蒸汽裂解炉辐射段的耦合模拟方法，利用该方法建立的模型可用于工业蒸汽裂解炉的结构和工艺参数优化。背景技术[0002]管式炉在炼油厂和石油化工厂有重要的地位。管式炉既是一种大量耗能的设备，也是一种工业设备。乙烯裂解炉是一种重要的管式炉，它是乙烯装置的核心，又是耗能大户（约占装置总能耗的50%～60%），对裂解炉进行改进，将直接影响乙烯装置操作上的经济性。随着石油化工的发展，市场对乙烯的需求量日益扩大，乙烯裂解炉趋向大型化发展，这就需要现代热裂解装置具有高效率，大产能和可靠，安全，环保友好和低成本的设计。[0003]裂解炉辐射段是热交换的主要场所，全炉热负荷的70～80%是由辐射段担负的，它是全炉最重要的部位。可以说，一个炉子的优劣主要取决于它的辐射段性能。现行的裂解炉大都是炉管悬挂在炉膛中央，炉膛两侧的底部和/或侧壁分别布置烧嘴，燃料气与空气通过烧嘴进入炉膛发生燃烧，放出的热量主要以辐射及对流形式传递给反应管内的裂解原料。通常情况下，辐射段的几何结构较庞大，且由于裂解反应的吸热性，需要大量燃料燃烧供热，因此较大流量的燃料气通过烧嘴以高速射流方式喷入炉膛，对炉膛内的烟气的流动产生显著影响，从而进一步影响燃料气的混合与燃烧过程，改变炉膛内的温度分布。同时烟气将热量传给反应管内的裂解原料，使之发生复杂的反应过程，反之亦然。所以，沿炉管长度方向的热通量分布是联系油气