用于工业乙烯蒸汽裂解炉设计验证和优化的耦合建模方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN103310123A*(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103310123103310123A(43)申请公布日2013.09.18(21)申请号201310289930.9(22)申请日2013.07.10(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张禹(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.G06F19/00(2011.01)C10G9/00(2006.01)C10G9/36(2006.01)权权利要求书1页利要求书1页说明书10页说明书10页附图2页附图2页(54)发明名称用于工业乙烯蒸汽裂解炉设计验证和优化的耦合建模方法(57)摘要本发明涉及一种用于工业乙烯蒸汽裂解炉设计验证和优化的耦合建模方法，采用计算流体力学建立炉膛的流动、燃烧、传热模型，炉管为一维平推流，采用自由基反应动力学，根据裂解原料的PONA值及馏程等属性，通过关系数据库回归得到其具体组成，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，以及炉膛内烟气温度、浓度分布和火焰的形状和高度等结果，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，通过对炉膛流场、温度场等数据的分析，可以为裂解炉的设计优化提供指导。CN103310123ACN1032ACN103310123A权利要求书1/1页1.一种用于工业乙烯蒸汽裂解炉设计验证和优化的耦合建模方法，其特征在于，步骤1：确定工业烃类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：将乙烯裂解炉的建模过程分为炉膛建模和炉管建模；步骤2.1：炉膛建模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，在烧嘴及炉管附近等流速变化大的部分采用细化的网格进行描述；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：炉管模型根据裂解原料的PONA值以及馏程属性，通过神经网络方法对原料组分进行刻画，并建立自由基反应动力学网络；炉管采用一维平推流模型，建立质量、能量和动量守恒方程；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所述的耦合建模方法，其特征在于，所述炉膛模型包含了炉管和烧嘴的详细三维结构，建立与实际炉膛的几何结构完全一致的模型。3.根据权利要求2所述的耦合建模方法，其特征在于，所述烧嘴的详细三维结构参数可进行修改，以来考察改变炉膛烧嘴结构对结果的影响。4.根据权利要求2所述的耦合建模方法，其特征在于，所述三维结构参数包括烧嘴的直径、长度、个数、排布、位置、或倾角；或进风口的个数、排布、位置或几何尺寸。5.根据权利要求1所述的耦合建模方法，其特征在于，所述炉膛模型的燃烧模型采用计算非预混燃烧的概率密度函数模型对该过程进行模拟。6.根据权利要求1所述的耦合建模方法，其特征在于，所述自由基反应网络学，为基于β、μ和βμ三类自由基分类的自由基反应网络。7.根据权利要求1所述的耦合建模方法，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。2CN103310123A说明书1/10页用于工业乙烯蒸汽裂解炉设计验证和优化的耦合建模方法技术领域[0001]本发明涉及一种工业烃类蒸汽裂解炉耦合建模方法，利用该方法建立的模型可用于烃类蒸汽裂解炉的设计验证和优化。背景技术[0002]乙烯工业在石油化工行业中占有举足轻重的地位，乙烯产量也是衡量一个国家的石油化工发展水平的标志，乙烯裂解炉作为整个裂解装置的龙头和核心，其运行状态的好坏直接决定了产品的质量。[0003]图1为典型的乙烯裂解炉工艺流程图，裂解原料进入对流段进行初步预热之后，与稀释蒸汽混合，再次预热至完全气化，并升温至裂解所需的温度。随后，裂解原料进入辐射段的反应管，在其中进行裂解并产生乙烯、丙烯、丁二烯等产品。裂解反应为强