[发明专利]基于区域法的工业蒸汽裂解炉炉膛实时性能预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于区域法的工业蒸汽裂解炉炉膛实时性能预测方法，利用该方法建立的模型可用于烃类蒸汽裂解炉的设计和操作条件优化。 

背景技术

乙烯工业是石油化学工业的龙头和核心。乙烯生产装置的核心部分是裂解炉，整个乙烯装置效益与裂解炉的设计和操作有直接的关系。辐射段是裂解反应发生的主要位置，也是裂解炉内最重要的部分，现行的裂解炉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。因此，数值计算是优化和设计裂解炉的一个有效工具。 

计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)技术在裂解炉模拟中的应用已有了长足的进步，而且有些还尝试性地进行了工业应用。但整体上讲，裂解炉的CFD模拟离工业应用还有一段距离，因其本身还有一些难题未能解决。如：CFD模拟的计算量大，计算时间长；燃烧模型和部分湍流模型不尽完善，还需要应用燃烧等基础理论来解决；工业裂解炉实际情况非常复杂，影响因素繁多，细微的偏差都会导致计算出现很大的偏差或不收敛等。因此，为了能使裂解炉数值模拟在工业乙烯裂解炉中得到应用，为裂解炉的运行优化提供指导，迫切需要寻求更适合工业操作现场的方法来解决。 

区域法(Zone method)是霍特尔(H.C.Hottel)1954年提出的，用于管式炉炉膛的辐射传热计算，因其计算速度快、计算精度高，现在已成为实际工程问题中使用最广泛的方法之一。国外的乙烯商业软件基本上都是以区域法为基础的，例 如Spyro软件。过去的二十几年中，已经有许多学者使用区域法对工业蒸汽裂解炉作了研究。但是他们在计算炉膛内的辐射传热过程时，未对燃料燃烧过程进行模拟，而是利用燃料的放热率估计烟气的组成和温度，而且还忽略了燃烧和烟气流动过程对传热的影响。Detemmerman和Froment和Heynderickx等人第一次运用区域法和CFD法结合对裂解炉内的辐射传热进行耦合模拟。H.Barths运用CFD法与零维多区域法耦合模拟Homogeneous Charge Compression Ignition(HCCI)燃烧。然而，他们的研究需要运用CFD计算复杂的流动模型或燃烧模型，计算速度也会因此而变慢，不适合工业实际的应用。 

发明内容

为了克服以上不足，本发明拟利用HOTTEL区域法和CFD联合建模的方法，建立符合炉膛烟气实际流动、燃烧情况的数学模型，进而建立炉膛区域法模型，求解炉膛模型可获得裂解炉炉膛内各区烟气和炉墙温度分布、炉管热通量分布和烟气质量流量、烟气粘度、导热系数以及雷诺数等参数的分布，从而为工业裂解炉的设计和操作优化提供可靠的模型依据及理论支撑。并提供了一种基于区域法的工业蒸汽裂解炉炉膛实时性能预测方法，该模型能够用于裂解炉的设计和操作条件优化，此模型有如下特点： 

1.具有较为完善的三维炉膛辐射传热模型，能够较为精确地计算炉膛内各区烟气和炉墙温度分布、炉管热通量分布。 

2.考虑烟气流动和燃烧过程对传热的影响，建立符合炉膛烟气实际流动和燃烧情况的流动模型和燃烧模型。 

根据以上特点，采用HOTTEL区域法和CFD联合建模的方法，建立炉膛的辐射传热模型、烟气流动模型、燃料气燃烧模型和烟气对流传热模型。由此建立各区热平衡方程式，运用拟牛顿法迭代计算非线性方程组，直至满足收敛精度为止。 

具体而言，该基于区域法的工业蒸汽裂解炉炉膛实时性能预测方法包括以下步骤： 

步骤1：确定工业烃类蒸汽裂解炉炉膛几何结构和工艺参数。 

步骤2：将炉膛按照长、宽和高度方向划分区域。考虑炉膛辐射传热模型，烟气流动模型，燃料气燃烧模型，以及烟气对流传热模型，从而建立每一区域的能量平衡式。 

步骤3：利用拟牛顿法迭代计算炉膛内能量平衡非线性方程组，直至满足收敛精度为止，获得裂解炉炉膛内各区烟气和炉墙温度、炉管热通量、烟气质量流量、烟气粘度、导热系数以及雷诺数等关键参数和物性参数分布。