工业蒸汽裂解炉辐射段的耦合模拟方法
【专利摘要】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。
【专利说明】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和烟气侧的纽带。由于受到长周期、高成本和有限的测量手段的限制，对热通量分布的实验研究是极其困难的。而且，国内许多学者提出的简单数学模型无法对裂解炉内所发生的各种复杂现象进行深入的认识。因此，数值模拟是优化和设计裂解炉的一个有效工具。然而由于实验数据的缺乏，这些模拟的验证是相当费时和困难的。
[0004]辐射段炉膛侧燃料燃烧所释放的热量以对流和辐射的方式传递给炉管内的原料使之发生复杂的热裂解反应，而其中的辐射传热量占据了总传热量的80%?90%。因此，辐射传热计算就成了裂解炉热量衡算的核心，准确描述管外辐射室内的辐射传热规律是裂解炉数值模拟成败的关键。裂解炉炉膛内传统的辐射传热模型经历了零维模型到多维模型，再到当前的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)模型的发展。凭借准确且详细的模拟信息和不断提高的计算能力，CFD技术已逐渐成为了当今裂解炉模拟的重要手段。在目前的乙烯裂解炉CFD模拟中，国内的研究者都运用了一种辐射辐射传热模型进行模拟。国外有关于比较不同辐射模型对于炉膛烟气温度、浓度和辐射性质的影响的研究，但是没有与炉管耦合，计算结果不能说明实际的裂解炉运行情况。由于这些研究都受到各自的辐射模型或计算方法的限制，不能推广应用到所有的管式炉，所以，运用炉膛和炉管耦合模拟的方法，比较不同的辐射模型对于烟气流动、辐射性质、沿炉管长度方向的热通量和管壁温度分布、油气温度分布、油气浓度分布和产物收率等的影响，确定准确的辐射模型，就成为大型管式炉数值模拟中急需解决的难题。
【发明内容】
[0005]本发明全面系统地分析了工业乙烯裂解炉反应管内物质流动、传热、传质和裂解反应以及炉膛内流动、传热、传质和燃烧反应等复杂过程，同时分析了这些复杂过程之间强烈的耦合作用，基于流体力学的湍流流动模型、辐射传热模型、燃烧模型和裂解反应动力学模型，将裂解炉反应管内传递和裂解反应过程与炉膛中燃烧传热过程相耦合，设计了一种工业乙烯裂解炉炉膛燃烧及炉管内裂解反应的耦合数值建模方法。炉膛模型中，炉膛烟气流动采用雷诺平均模型，并采用标准的k_ ε双方程模型封闭其中的湍流项；根据燃料和空气的混合程度采用非预混模式，燃料气的燃烧采用概率密度函数(Probability DensityFunction,简称TOF)模型；炉膛烟气辐射传热模型分别采用绝热模型、P_l、离散坐标(Discrete ordinate,简称 DO)模型和离散传播福射模型(Discrete Transfer RadiationModel,简称DTRM),并米用灰气体加权平均模型(Weighted-sum-of-gray-gases model,简称WSGGM)计算烟气辐射特性。炉管模型中，管内过程采用分子反应或自由基裂解反应模型。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炉膛内烟气温度、速度、组分浓度分布，炉管内外壁温度分布，炉管热通量分布以及管内裂解气温度、速度、组分浓度分布，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乙烯裂解炉炉膛燃烧传热系统的辐射模型。本方法适应性较为广泛，可用于不同类型的烃类蒸汽裂解炉。
[0006]一种工业蒸汽裂解炉辐射段的耦合模拟方法，其特征在于所述方法包括以下步骤:
[0007]步骤1:根据工业烃类裂解炉实际情况，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、温度和压力的初始条件，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条件。
[0008]步骤2:工业烃类蒸汽裂解炉建模分解为炉膛建模与炉管建模。
[0009]步骤2.1:炉膛建模采用CFD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PDF非预混模型。炉膛内辐射传热模型采用绝热模型、P-1、D0和离散传播辐射模型(DTRM)分别建模,炉膛烟气采用灰气体加权平均模型(Weighted-sum-of-gray-gasesmodel,简称WSGGM)计算其福射特性。
[0010]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。
[0011]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求解变量。
[0012]较佳的，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。炉膛和炉管的网格划分如图1所示。确定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工厂实际工况、操作经验初步假设的温度，利用自定义函数(UDF)赋给管壁。[0013]较佳的，所述炉膛与炉管模型存在强烈的能量耦合关系，需要先根据经验或者初始化计算获得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，直至两次管外壁温度分布的最大误差值小于一预设阈值，就认为迭代过程已经收敛。
[0014]本发明提供一种工业烃类蒸汽裂解炉的耦合建模方法，采用计算流体力学建立炉膛的流动、燃烧、辐射模型，辐射模型采用绝热模型、P-U DO和DTRM模型，炉管采用分子反应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。通过将不同辐射模型获得的炉膛烟气速度、温度和浓度分布，炉管出口温度，炉管出口压力，产物产率等结果与工业数据进行比较，确定最佳的辐射模型。本方法适应性较为广泛，可用于为不同类型的烃类蒸汽裂解炉结构和工艺参数优化提供指导。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1-1?图1-4为乙烯裂解炉炉膛和炉管的网格划分图；
[0016]图1-1为炉膛网格划分图；
[0017]图1-2为烧嘴网格划分局部放大图；
[0018]图1-3为炉管网格划分图；
[0019]图1-4为炉管直管段网格划分局部放大图；
[0020]图2为耦合模拟流程框图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合某工业乙烯裂解炉的建模实例进行说明。
[0022]请参阅图1为本实施例的实施对象，为USC型管式裂解炉，该炉采用两程分支变径炉管设计，其构型为“U”型，S卩I根进口管联一根出口管，分两排错列垂直地悬挂在炉膛中央；炉膛底部靠近两侧墙壁装配有两排底部燃烧器，为非预混燃烧器。裂解炉炉膛内发生的主要是燃料的燃烧和反应，这是一个复杂的质量、热量传递和反应过程，因此，这就要求我们准确描述该流动的化学反应过程。首先应该描述炉膛内的流动，然后在流动的基础上考虑化学反应和辐射、对流传热。仔细剖析燃料的燃烧和反应物理、化学过程，其CFD模拟的控制方程可以用如下数学模型来描述:①流体流动模型，关键是湍流模型；②各组分的质量传递模型，主要考虑燃烧反应速率的影响；③热量传递模型，包括对流传热与辐射传热，其中关键是辐射传热模型。然后通过确定边界条件与初始条件、划分计算网格，在求解域内建立离散方程。然后求解离散方程，获得该问题的解。
[0023]1.建立炉膛CFD模型
[0024](I)流动模型
[0025]炉膛内烟气流动模型采用基于雷诺平均方程的标准k_ ε双方程模型建立封闭的
数学模型。连续性、动量、湍动能、湍动能的耗散率、能量和组分输运方程如下式表示:
[0026]
【权利要求】
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、D0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。
【文档编号】G06F17/50GK103440390SQ201310419668
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】钱锋, 胡贵华, 杜文莉, 李进龙, 赵亮 申请人:华东理工大学