Coupled simulation of combustion with heat transfer and cracking reaction in SL-Ⅱ industrial ethylene pyrolyzer

采用计算流体力学(CFD)方法对SL-Ⅱ型工业乙烯裂解炉辐射段炉膛内的燃烧传热及管内石脑油裂解反应过程进行耦合模拟,建模及耦合求解在CFX中完成。计算时采用标准k-ε双方程湍流模型、旋涡耗散/有限化学速率(EDM/FRC)燃烧模型和离散传播(DT)辐射模型,其中介质辐射特性采用多灰气加权模型;石脑油裂解反应采用Kumar分子反应模型,流体流动方程组由全隐式的耦合算法求解。模拟结果与工业数据吻合良好,验证了模型的可靠性。结果表明,管内裂解产物丙烯和丁烯收率先增后减,甲烷和乙烯收率一直增大;出口管外壁温度沿管长分布因侧壁烧嘴的加入而更加均匀;炉膛中部的回流区使该区温度更加均匀;裂解炉结构的非对称性引起烟气流速分布不对称,进而导致后墙上侧壁烧嘴的供热效率相对前墙侧较低,本文模拟结果为裂解炉进一步设计与改造提供理论指导。     

石脑油催化裂解制低碳烯烃动力学

根据石脑油催化裂解的反应体系和集总理论,建立6集总动力学模型,采用Levenberg-Marquardt算法求解ZSM-5分子筛催化剂作用下的石脑油催化裂解动力学参数。结果表明,丙烯收率大大高于乙烯收率,丙烯与乙烯的质量比为1.0～2.0,明显高于传统的石脑油水蒸气裂解工艺,各集总的反应活化能均大于100 kJ/mol。通过对模型进行检验,发现模型计算值与实验值之间的误差均小于15%,表明该动力学模型能较好地预测石脑油催化裂解制低碳烯烃反应。     

扬子公司乙烯装置裂解炉节能改造效果显著

经过近1个月的运行,扬子石化公司烯烃厂改造投运的乙烯老区5号裂解炉,节能效果非常显著,其生产能力由45kt/a提高至60t/a;热效率由原来不足92%提高至94.5%。改造后的5号炉为CBL-Ⅵ型,辐射段炉管采用U型炉管,具有良好的传热、机械性能及裂解选择性;不仅具有良好的原料适应性(能够裂解石脑油、轻石脑油、液化气),同时还能够满足循环乙烷、丙烷的裂解需要,为扬子石化公司优     

裂解/烧焦切换操作的双辐射段裂解炉的数值模拟

用Gambit软件对双辐射段裂解炉进行几何建模和网格划分,选择计算流体力学软件Fluent的标准k-ε湍流模型、有限速率/涡耗散燃烧模型和P1辐射模型,对裂解炉辐射段和对流段进行数值模拟计算。模拟计算结果表明,裂解辐射段的烟气温度高于烧焦辐射段;在炉管中心面处,裂解辐射段的压力略高于烧焦辐射段,烟气流动的线速度明显大于烧焦辐射段;两个辐射段的炉管管壁温度分布不一致。尽管裂解辐射段的横跨段出口面烟气平均温度高于烧焦辐射段,但高温烟气没有流入烧焦辐射段且流向对流段的烟气温度场随着对流段高度上升逐渐均匀,该计算结果说明了双辐射段裂解炉的裂解/烧焦切换操作是可行的,并可进一步优化双辐射段裂解炉的结构和操作。     

石脑油裂解装置建模与仿真技术

裂解装置提供了石化行业大部分基础原料，石脑油是目前国内外重要的裂解原料。对石脑油裂解反应过程、结焦过程和裂解炉辐射段的建模与仿真进行了综述：目前对分子动力学研究较多，用于离线仿真能够获得较好的效果，但在线应用不多；自由基动力学模型则是深入研究石脑油裂解过程本质的必然途径，在实际应用中越来越显示出其优越性。     

煤基、石油基石脑油裂解性能及经济性分析

间接液化煤制油过程中,副产大量煤基石脑油。从馏程、芳烃指数、族组成等方面,对煤基石脑油和石油基石脑油的物性进行了对比分析,可知煤基石脑油是优良的乙烯裂解原料。通过蒸汽裂解模拟计算及对比分析可知,煤基石脑油裂解的乙烯、丙烯、双烯(乙烯+丙烯)、三烯(乙烯+丙烯+丁二烯)收率均高于石油基石脑油。通过技术经济测算可知,用煤基石脑油替代石油基石脑油进行蒸汽裂解,具有较好的经济性。     

石脑油裂解反应模型研究及应用进展

石脑油已经成为生产乙烯的主要原料来源之一,建立石脑油裂解反应模型是合理利用石脑油裂解原料的基础。石脑油裂解反应模型可以分为经验模型、分子反应模型以及机理模型,分别介绍了3种模型的主要方法和优缺点,指出了各类模型的应用方向。重点介绍了分子反应模型和机理模型的研究进展及瓶颈,同时介绍了分子反应模型和机理模型的应用领域和未来研究方向。     

关于石脑油裂解反应模型的研究

在乙烯工业生产中,石脑油是一种非常重要的原料来源,而科学地使用石脑油裂解原料的前提条件就是创建石脑油裂解反应模型。本文论述了经验模型、分子反应动力学模型和自由基反应机理模型这三种石脑油裂解反应模型,并指明了每一种模型的使用方向。     

多孔介质内H2S超绝热燃烧制氢的数值模拟

为探索H₂S在多孔介质内超绝热燃烧裂解制硫制氢的机理,采用计算流体力学(CFD)与CHEMKIN相结合的方法,使用标准k-ε湍流模型和一个17组分、57步复杂化学反应机理,模拟了H₂S在直径为3 mm的Al₂O₃圆球堆积成的多孔介质内的燃烧,模拟结果与实验数据基本吻合.模拟结果显示：多孔介质内H₂S的燃烧温度超过了绝热燃烧温度,为H₂S的裂解制硫制氢提供高温环境,富燃条件下H₂S部分地裂解生成单质硫和氢气.另外,对采用的复杂化学反应机理是否适用于多孔介质内H₂S燃烧时各向异性火焰的模拟作了有意义的探索.     

富氧燃烧中气体辐射模型对燃烧与换热数值模拟的影响

富氧燃烧过程中,由于使用再循环烟气代替空气中N₂作为稀释剂,烟气中存在大量CO₂和H₂O。CO₂和H₂O作为非极性三原子分子,具有N₂没有的辐射能力,导致富氧燃烧中气体辐射特性发生变化。在数值模拟过程中,气体辐射模型是一个重要的子模型。前人提出多种修改后适用于富氧燃烧的气体辐射模型,但不同气体辐射模型在不同富氧燃烧工况数值模拟中的影响尚未有统一研究。为了研究不同炉型下,气体燃烧和煤粉燃烧中气体辐射模型对燃烧换热模拟结果的影响,通过编程,将一种考虑CO影响的气体辐射模型以及文献中的6种典型气体辐射模型耦合入数值模拟计算。结果表明,在气体富氧燃烧中,气体辐射模型影响了火焰结构。同时,燃烧温度分布有所变化,不同模型结果之间差别最高可到500 K。气体与壁面之间的辐射换热受到影响。气体辐射模型对炉膛中心火焰区域影响较大,而对非火焰区域影响较小。在煤粉富氧燃烧过程中,当有效辐射层厚度在0.3 m左右时,如在100 kW下行炉中,气体辐射模型对煤粉燃烧数值模拟结果几乎没有影响。这可能是由于颗粒辐射在辐射换热计算中占主导地位。而当有效辐射层厚度在16 m左右时,如1000 MW塔式炉中,气体辐射模型对炉内切圆燃烧火焰温度以及组分浓度影响较大,温度差别可到100 K左右。而气体辐射模型对炉膛中心模拟结果没有影响。     

DD分解炉燃烧与分解耦合过程的数值模拟

针对一实际尺寸的DD分解炉进行了煤燃烧与碳酸钙分解耦合过程的三维数值模拟研究,其中,对连续相采用Euler坐标系下的k-ε双方程湍流模型,采用离散相模型(discrete phase model)进行颗粒相的运动轨迹计算,采用组分运输模型(species transport model)结合涡耗散概念模型(EDC)模拟煤粉燃烧及生料分解过程,采用P-1辐射模型计算气体和颗粒之间的辐射换热。计算所得煤粉燃烬率为86%,碳酸钙分解率为92.9%,与工程实际数据吻合较好,表明模拟结果的可信性。研究结果表明:来自底部向上运动的高速烟气流与两股横向三次风相遇后,汇合成一股高速向上运动的主气流,携带着煤粉流在分解炉中心处向上运动,并偏向位于分解炉侧面的出口方向;煤粉的燃烧主要发生在分解炉下半柱体部分中心处,并形成了高温区;碳酸钙则围绕着高温区迅速分解,其分解过程主要发生在分解炉下半柱体部分。     

国产化30万吨/年乙烯装置的流程特点

本装置以石脑油和轻柴油为原料,其中石脑油为53万吨/年,轻柴油为50万吨/年,主要产品为聚合级乙烯(30.6万吨/年)、聚合级丙烯(15.2万吨/年),其它为富氢气、C_3液化气、混合碳四,裂解汽油、裂解燃     

基于机理的蒸汽裂解模型在生产计划优化中的应用探索

以某炼化一体化企业的乙烯蒸汽裂解装置为例,生产计划优化模型实现与蒸汽裂解机理模型的无缝集成是非常有意义的探索。介绍了乙烯蒸汽裂解装置在生产计划优化模型中采用非线性建模技术,集成了裂解炉模拟机理模型,并采用回归工具得到适用于生产计划优化模型的外挂机理模型XLP文件,用于模型的优化计算,可优选乙烯原料选择、优化裂解操作参数,得到更加精确的装置收率计算结果,实现从原油到石脑油的性质传递和计算,提高了企业计划优化模型的精细化水平,为企业优化生产、降本增效提供了有力支撑。     

基于共轭传热的甲烷MILD燃烧炉内传热特性

为明确MILD燃烧方式下炉内的传热特性和机制,建立了20 kW甲烷MILD燃烧炉的共轭传热(CHT)模型,开展了燃烧、流动及传热的耦合CFD数值模拟。通过对比模拟预测结果和试验测试数据,验证了模拟方法的可靠性。结果表明,Okafor反应机理虽能准确预测MILD燃烧炉内的温度及O₂、CO分布,但会过高预测NO生成量。通过对Okafor反应机理部分含N基元反应进行修正能够提高NO预测精度。通过对比耦合CHT模型前后燃烧炉内各壁面上的温度与热流密度分布,发现未耦合CHT模型时在炉膛前墙壁面出现了逆换热现象,与实际情况不符,说明耦合CHT模型在描述炉内传热特性方面精度更高。在耦合CHT模型基础上比较了MILD燃烧与传统钝体燃烧2种方式下炉内传热机制的差异,发现相较MILD燃烧,传统燃烧在所有炉壁上的温度均高20～40℃,导致传统燃烧在炉膛前墙、侧墙及后墙上的换热量比MILD燃烧分别高0.018、0.622和0.028个百分点,排烟热损失减少0.67%。进一步对各炉壁上的对流和辐射换热进行区分,发现MILD燃烧在前墙和后墙上的辐射换热量比传统燃烧分别高2.21和24.62 ...     

以CPP裂解石脑油为原料制取芳烃

针对以CPP工艺产生裂解石脑油经过加氢去除二烯烃、烯烃及硫化物,按照裂解石脑油苯及甲苯含量及产量,对苯及甲苯进行分离,芳烃抽提装置采用中国石油化工集团石油化工科学研究院开发的环丁砜抽提蒸馏工艺(SED),以裂解加氢石脑油为原料生产苯、甲苯产品,副产抽余油和C8产品,装置于2011年9月10日开始施工,2012年5月建成,6月29日投产,产品合格。     

多种石脑油裂解制乙烯性能与经济分析

对西部炼化企业、煤化工企业生产的7种石脑油用作裂解原料的技术经济进行了评价。直馏石脑油中,玉门石脑油的双烯收率为44.10%;加氢石脑油的双烯收率为46.77%;费托石脑油的双烯收率为57.46%。经经济效益分析计算,5种直馏石脑油的裂解产品效益均为负值,加氢石脑油可增加效益101.30元以上,费托石脑油可增加效益153.49元以上,在优选石脑油原料时,应优先选择玉门石脑油、库尔勒石脑油、加氢石脑油、费托石脑油等裂解制乙烯经济效益好的原料。     

石脑油催化裂解制低碳烯烃技术进展及其技术经济分析

阐述了石脑油催化裂解制低碳烯烃的机理;石脑油催化裂解催化剂体系,包括金属氧化物催化剂、沸石分子筛催化剂和复合催化剂及近年来国内外石脑油催化裂解催化剂的科研成果．并对石脑油生产低碳烯烃的催化裂解和蒸汽裂解两种工艺路线进行对比,表明石脑油催化裂解具有先进性,该领域的研究开发具有相当重要的意义。     

石脑油催化裂解结构化反应器反应特性的CFD模拟

以石脑油为原料,采用催化裂解六集总动力学模型,建立描述结构化反应器内催化裂解的反应器数学模型,并利用CFD软件对结构化反应器内的石脑油催化裂解性能进行数值模拟。通过改变孔道直径、反应器长度以及反应器内温度、气体入口速率考察反应器结构尺寸和反应条件对目标产物乙烯、丙烯的收率及石脑油转化率的影响。结果表明,反应器孔道直径的增加,目标产物收率减小,反应器长度20 mm时反应完全,升高反应温度和增大入口速率均有利于目标产物的生成。在入口温度680 ℃和入口速率0.4 m·s^-1条件下,石脑油转化率92%,乙烯收率19.3%,丙烯收率23.1%。而在相同反应条件下的固定床反应器中乙烯收率10.3%,丙烯收率13.3%,石脑油转化率80.0%。     

石脑油质量SPYRO分析

石脑油是乙烯装置的重要原料,对烷烃含量不同的石脑油进行PONA值全组成分析,在统一的裂解炉运行条件下进行模拟,建立裂解产物市场价格体系模型,计算吨原料经乙烯装置裂解后的产物总价值。通过变换裂解炉出口温度,得出最佳裂解深度。数据显示,烷烃含量越高经济价值越好,裂解深度最佳点显示丙烯乙烯比在当前市场价格体系下最佳为0.58左右。     

富氧燃烧含灰烟气辐射特性的部分光谱k模型

针对煤粉在富氧燃烧方式下烟气为炭黑、飞灰、高浓度CO₂和H₂O蒸气混合物的辐射换热问题,建立了描述混合物非灰辐射特性的部分光谱k分布模型。为了验证模型的有效性,以文献中煤粉在富氧燃烧方式下烟气生成状况为例,采用该模型与离散坐标法相结合的方法,计算了一维无限大平行平板、单光谱行程和二维矩形封闭系统内混合物的辐射源项和壁面热流量,并与逐线计算、全光谱k分布模型和宽带k分布模型的计算结果进行了比较。结果表明：所提出的部分光谱k分布模型与逐线计算的结果吻合较好;与文献报道的两个模型相比,计算精度有所提高,因此适用于富氧燃烧方式下含灰烟气辐射特性的计算。