乙烯裂解炉辐射段流动、传热和燃烧数值模拟研究进展

介绍了乙烯裂解炉辐射段流动、传热和燃烧数值模拟研究的发展过程,对湍流模型、模型建立和网格生成、辐射传热模型及湍流燃烧模型的研究历程进行了系统的回顾,对裂解炉管外流动、传热和燃烧数值模拟方法今后研究的方向及重点提出了建议。     

裂解炉数值模拟技术进展

管式裂解炉作为石油化工的龙头装置,对其进行准确详尽的模拟是不断改进其性能的重要前提,裂解炉数值模拟技术在裂解炉的设计和操作优化方面起着越来越重要的作用。分别针对裂解炉的辐射段管内反应过程、炉膛内燃烧及传热过程和对流段热量回收过程的数值模拟进展进行了综述,同时对裂解炉数值模拟技术的发展方向进行了展望。     

乙烯裂解炉辐射段三维流场和燃烧的数值模拟计算

采用计算流体力学方法以某种新型乙烯裂解炉辐射段为几何模型,保留特殊结构的瓦斯燃烧器原型未作简化,对计算域进行几何建模和网格划分,用标准的k-ε湍流模型、双δ概率密度函数扩散燃烧模型和蒙特卡洛辐射传热模型对炉内的燃烧和辐射状况进行三维全尺寸数值计算,以研究炉膛内的燃烧、传热和烟气流动情况。计算得到的流场合理,火焰形状和温度分布与实际吻合良好,说明对裂解炉辐射段的数值模拟计算是成功的。该模拟计算为指导燃烧器选型、优化设计裂解炉结构提供理论参考。     

管式加热炉辐射传热的数学模型和计算方法

本文介绍了管式加热炉辐射室传热的数学模型和计算方法近来的一些进展。所讨论的数学模型比较适用于炼油和石油化工用加热炉的设计计算,它们是: 搅动炉模型该模型假定管式加热炉辐射室气相燃烧产物完全混合。对于高径比或高宽比较大的加热炉,则可采用改进的搅动炉模型. 区域法该法将加热炉辐射室划分为一定数量的气体区和表面区,每区温度均一,通过总交换面积,建立起热平衡方程组。Monte Car1o法也是将辐射室分为若干气体区和表面区,但各区的大小和形状可按炉子几何形状确定。区与区之间的辐射传热用具有随机特性的能量束来表述,即用一系列随机变量来确定各个能量束的出发点和历程. 热流法此法把在气体中的辐射传热考虑成光子束的运动,以适应在整个辐射室内气体性质的变化是连续的这一实际情况。对以上各个模型的优、缺点也进行了讨论。     

SRT－Ⅲ型裂解炉中石脑油裂解的工艺数学模型Ⅱ．结焦模型及运转特性分析

综合裂解炉反应模型、结焦模型和辐射室的燃烧及传热模型，对ＳＲＴ－Ⅲ型裂解炉内石脑油的裂解过程进行了模拟计算，考察了过程参数、操作参数和焦厚等随运转时间的变化情况，为ＳＲＴ－Ⅲ型裂解炉的操作优化和工艺优化控制奠定了基础。     

管式裂解炉辐射区裂解管结焦模型进展

介绍了管式裂解炉辐射区裂解管结焦模型研究的各种方法,阐述了管式裂解炉辐射区裂解管的结焦机理和结焦数学模型及其重要意义,并对管式裂解炉辐射区裂解管结焦模型的现状和发展进行了综述。     

乙烯裂解炉内传递及反应过程综合数值模拟Ⅰ.数学模型的建立

分析了裂解炉反应管内原料的流动、传热、传质和裂解反应以及炉膛内燃料燃烧、烟气流动和传热等复杂过程。以流体力学的基本微分方程为基础，考虑了流体的湍流流动，结合王宗祥等建立的轻烃裂解制乙烯动力学模型、扩散火焰燃烧模型和离散坐标辐射传热模型，建立了乙烯裂解炉内传递及反应过程的综合数学模型。并且给出了模型求解时的边界条件和相应的数值计算方法。     

半圆形圆筒炉辐射传热数学模型

本文对玉门炼油厂减压炉辐射室建立了半圆形圆筒炉传热的数学模型.管外采用Monte Carlo方法模拟辐射传热过程;管内采用改进的Soave模型计算渣油的相平衡.通过管内、外的综合传热计算,得到了辐射室内烟气的温度分布、管壁的温度分布和热强度分布,以及管内流体的温度、压强和汽化分率.计算应用重要抽样和能差迭代的概念,对Monte Carlo抽样进行了改进,缩短了计算时间.计算结果与实际操作数据进行了比较,证明该模型是可行的.     

石油化工管式炉“扩能”技术的研究与应用

研究了管式炉辐射室燃烧火焰高度对辐射室温度分布和对辐射室传热量占全炉热负荷比例的影响。指出,通过强化燃料燃烧,降低燃烧火焰高度,可以有效地改善辐射室温度分布,降低辐射炉管受热不均匀系数,提高辐射室传热量占全炉热负荷的比例,因而可提高全炉炉管表面平均热强度和加热炉的处理能力。同时列举了对３台管式炉进行“扩能”改造的应用实例。     

管式加热炉辐射室对流传热计算的研究

对圆筒式管式加热炉辐射室内的对流传热部分进行了数值模拟。采用了一种射流模型,把辐射室按烟气流动的不同情况分为质量不变区、射流区和回流区,用不同的边界条件限定,分别对这三个区进行了数学描述,用VB语言编程实现了计算过程。选用一个常压炉作为实例,对辐射室的炉管外壁温度进行了模拟计算,计算过程中,辐射传热部分采用了蒙特-卡罗方法。综合考虑了辐射传热和对流传热计算得到的炉管外壁温度分布,与仅考虑辐射传热所得的炉管外壁温度进行了比较,前者与理论推断更加吻合。     

裂解炉辐射段炉管在线快速烧焦技术

对裂解炉辐射段炉管烧焦过程进行了模拟,建立了裂解炉辐射段炉管烧焦模型,并以模拟结果为指导,开发了裂解炉辐射段炉管在线快速烧焦方法;使用该方法在中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司5种不同炉型的裂解炉上进行了多次烧焦试验。试验结果表明,该方法使裂解炉辐射段炉管烧焦时间大大缩短,仅为原设计时间的1/4～1/3。由于烧焦时间大大缩短,节约了大量的水蒸气、空气和燃料,降低了乙烯生产的能耗和成本。     

裂解炉数学模拟新方法

1. Introduction Thermal cracking of hydrocarbons for olefinproduction is normally carried out in long reactor tubessuspended in a large gas fired furnace. Many complexfluid dynamic phenomena occur in the thermal crackingfurnace, including mass transfer,…     

乙烯裂解炉非均匀传热对裂解产物收率的影响

 采用计算流体力学（CFD）的方法,对 KTI 公司GK-V型乙烯裂解炉的炉膛流动传热和炉管的裂解反应进行数值模拟。采用炉管壁面热通量和温度为边界条件的耦合方法进行炉膛与炉管的求解,分析各炉管壁面传热以及管内产物收率的差异。结果表明,数值模拟实验值与工业数据吻合较好;裂解炉炉管在炉膛中的非均匀传热影响了每根炉管管壁的传热以及管内的主要产物收率;计算结果可以为炉管在炉膛中的合理分布、燃烧器的位置安排以及炉膛的尺寸等结构改进提供参考依据。     

二氯乙烷裂解过程优化与集成

建立了管式裂解炉的反应传热模型，以描述二氯乙烷裂解制氯乙烯单体的工业过程，进一步，以炉膛内的分区温度为控制变量，产物氯乙烯单体的收率最大为目标函数，建立了裂解炉的操作优化模型，采用序列二次规划法求解，得到了不同的二氯乙烷进料流率下最优的炉膛分区温度操作值，并由此提出了在裂解炉炉膛采用降温序列的分区操作法，以及裂解炉炉膛高温辐射区，降温辐射区，炉顶对流传热区的优化集成方案。     

采用数值模拟研究不同供热形式对裂解炉运行的影响

利用计算流体力学Fluent软件,选择标准k-ε湍流模型、有限速率/涡耗散燃烧模型和P1辐射模型等计算模型,对全部由底部燃烧器供热(简称全底烧供热)和由底部和侧壁燃烧器联合供热(简称联合供热)的工况进行三维数值模拟计算,得到了底部燃烧器喷口面、炉管位置中心面、横跨段出口面烟气温度分布以及炉管管壁温度分布和烟气组成分布的数据。模拟计算结果表明,全底烧供热时炉膛底部形成高温区,炉膛上部温度低;联合供热时在炉膛上方采用侧壁燃烧器补充热量,炉膛烟气温度场比全底烧供热更加适合于管内的烃类裂解反应,联合供热时炉管管壁温度分布优于全底烧供热;全底烧供热时横跨段出口面烟气温度平均值高于联合供热。     

中国石化裂解炉能耗现状分析与节能改造

中国石化裂解炉运行状况测试结果表明,目前裂解炉普遍存在排烟温度、排烟氧含量和炉体表面温度偏高以及热效率偏低等现象,严重影响了中国石化裂解炉的能耗水平。通过采用优化裂解炉操作条件、优化工艺及结构等措施对裂解炉进行改造,可实现装置节能降耗的目的。应用上述措施,对茂名某裂解炉进行节能改造,通过加装扭曲片强化传热管、改换炉管结构、改变对流段结构、采用新型燃烧器、更换辐射段衬里、共用引风机及改造文丘里分配器等措施,使裂解炉的进料量增加了9%,排烟温度降低53.6℃,炉管壁温降低40℃,热效率提高1.77百分点,裂解炉运行周期延长1倍以上。     

常压加热炉辐射段耦合传热的数值模拟

 采用分区耦合的方法研究了某常压加热炉辐射段内的流动、燃烧和传热的全部工艺过程,并系统地分析了炉管表面温度和热强度分布。计算中,实现了燃烧器、炉膛、炉管整体几何结构的建模和网格划分,选用标准k-ε湍流模型、非预混燃烧模型和离散坐标辐射传热模型,将炉管黑度定为0.8,模拟得到了炉内的流场、温度场及炉管表面温度和热强度分布的详细信息。结果表明,底部燃烧器的高速射流在炉膛下部产生较大回流区,对炉膛下部烟气温度分布的均匀性至关重要;炉管管壁温度和热强度分布存在明显非均匀性,影响炉管使用寿命。炉膛温度及炉管管壁热强度模拟结果与常压炉测定数据和设计数据一致,证明了模拟计算的可行性和准确性,为常压炉的设计和优化提供理论参考。     

扭曲片在SRT—IV型裂解炉上的工业运行

对SRT—IV型乙烯裂解炉进行扭曲片管工业运行试验。扭曲片将炉管内物料的流动形态从柱塞流改变为旋转流，从而减薄了近管壁处的层流底层，强化了炉管与物料间的传热，降低了管壁温度，延缓了辐射段炉管内焦的生成。试验结果表明，在乙烯收率没有降低的情况下，增加裂解炉的处理量，大幅度延长了裂解炉的运转周期。     

CFD Simulation on Ethylene Furnace Reactor Tubes

1. Introduction Thermal cracking of hydrocarbons for olefin production is normally carried out in long thin reactor tubes. Complicated transfer and reaction processes, including mass transfer, momentum transfer, and heat transfer, as well as thermal cracking reactions, which are closely related with each other, take place in reactor tubes. It is difficult to obtain the detailed operating parameters in reactor tubes by direct measurements due to technical limitations. The lack of understanding …