乙烯裂解炉裂解反应数值模拟及工况优化试验研究

摘要

SL-Ⅱ型裂解炉是中国石化与鲁姆斯公司合作开发的10万吨/年大型乙烯裂解炉，随着对石化产品，尤其是乙烯及其下游产品需求量的逐年增加，乙烯设备大型化已成为趋势，SL-Ⅱ型裂解炉已获得了广泛应用。扬子石化烯烃厂装备四台SL-Ⅱ型裂解炉，然而在运行过程中出现了诸多问题，如横跨温度高、管壁温差大、炉管扭曲变形寿命短等。出现的这些问题多发生在裂解炉膛燃烧侧，这也是其它烯烃厂裂解炉普遍存在的问题。 本文通过裂解炉炉膛冷态流动特性试验及数值模拟研究，裂解炉膛流动、燃烧、传热模型与分子反应模型相耦合的数值模拟研究，裂解炉变工况调整的模拟研究及其工业试验验证，系统地研究了裂解炉操作工况参数变化对管壁温度、热效率、横跨温度的影响，为裂解炉操作工况优化提供理论指导与依据。 对裂解炉原型进行了冷态模化，并利用PIV技术进行了冷态模型内速度场的拍摄，展现了裂解炉内气体流动模式。并对裂解炉冷态气体流动场进行了模拟计算，与冷态试验结果进行了比较验证，模拟计算结果与试验数据基本吻合，从而可以在冷态计算的基础上扩展到进行燃烧、传热等热态的计算。 采用关联式对石油烃的平均分子量进行了估算，并与文献和实际裂解炉石油烃物性数据进行了比较，误差较小，可以满足工程应用。裂解炉反应管内裂解反应模型采用分子反应模型，应用随机搜索算法对分子反应模型的一次反应选择性系数进行了调整，使模型计算的裂解反应吸热量与实际相符，并且裂解反应产物收率预测值与裂解炉实测数据接近。 分别对裂解炉炉膛及反应管进行了建模，并将裂解炉燃烧、流动、传热过程与管内裂解反应通过编程以热边界条件的方式进行了耦合计算。按照现运行裂解炉工艺参数进行了模拟计算，并与裂解炉可测量进行了比较验证，通过管壁温度、裂解产物收率、燃烧效率等重要结果的比较，两者基本吻合。表明了所建立的炉内流动、燃烧、传热与管内裂解反应模型基本符合实际，为变工况下裂解炉的模拟计算创造了条件。 对裂解炉变工况参数进行了模拟计算，研究底部烧嘴燃气负荷、排烟中过剩氧含量及原料油负荷等重要的参数变化对裂解炉管壁温度、横跨温度、热效率及裂解产物收率的影响及规律，得出了合理的操作工况。结果表明，裂解炉底部烧嘴燃气负荷比例以86％较为合适；而氧含量应控制在一定范围内，管壁温差才会减小，石脑油裂解炉氧含量在1.6％～2.4％范围内为宜，重质油裂解炉为2.8％～3.7％；石脑油裂解炉原料油负荷在42t/h～43.5t/h为宜，重质油裂解炉原料油负荷则为41t/h～42.5t/h。 根据模拟计算结果，对扬子石化烯烃厂SL-Ⅱ型裂解炉进行了操作工况的调整试验及验证。结果表明，试验数据与模拟计算结果基本一致，变化趋势相同，取得了较好的调整效果，为SL-Ⅱ型裂解炉操作工况的合理调整及经济高效地运行提供了优化工况范围，也为同类型的其它裂解炉操作工况调整提供了参考。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章绪论

1.1概述

1.2管式裂解炉运行中炉管存在问题

1.2.1渗碳

1.2.2蠕变变形

1.2.3热疲劳与热冲击

1.2.4过热点

1.2.5结焦

1.3本课题主要研究内容与技术路线

参考文献

第二章裂解炉计算模型研究进展

2.1裂解炉炉膛传热模型的研究现状

2.1.1经验方法

2.1.2零维模型

2.1.3一维模型

2.1.4多维模型

2.2裂解炉燃烧模型概述

2.2.1预混燃烧

2.2.2非预混燃烧

2.3裂解反应动力学模型研究进展

2.3.1经验模型

2.3.2简化理论模型(分子反应动力学模型)

2.3.3机理模型(自由基反应动力学模型)

2.4裂解炉燃烧、传热与管内裂解反应模拟计算的进展情况

2.5裂解炉计算模型的确定

2.6本章小结

参考文献

第三章裂解炉冷态流动特性的试验研究

3.1 PIV测试系统

3.2 PIV测试原理

3.2.1测试原理介绍

3.2.2互相关算法

3.3裂解炉模化方法

3.3.1相似条件

3.3.2第二自模区的确定

3.3.3裂解炉模化过程

3.3.4风量分配计算

3.3.5燃烧器面积计算

3.4流场测试系统

3.5测试结果与分析

3.6误差分析

3.7本章小结

参考文献

第四章裂解炉冷态流动特性的模拟研究

4.1计算模型

4.1.1湍流模型

4.1.2边界条件

4.1.3网格划分

4.2冷态流场计算结果与分析

4.2.1冷模流场的模拟计算

4.2.2冷态模拟的验证

4.3本章小结

参考文献

第五章裂解炉燃烧、传热与管内裂解反应耦合模拟计算的研究

5.1裂解炉计算模型

5.1.1湍流模型

5.1.2燃烧模型

5.1.3传热模型

5.2反应管内计算模型

5.2.1裂解反应动力学模型

5.2.2反应管内综合计算模型

5.3裂解炉流动、燃烧、传热与管内裂解反应耦合模拟计算方法

5.4 SL-Ⅱ型裂解炉裂解工艺及运行参数

5.4.1裂解工艺介绍

5.4.2炉膛结构

5.4.3运行参数

5.5网格划分与边界条件

5.5.1网格划分

5.5.2边界条件

5.6石脑油裂解炉计算结果

5.6.1炉膛侧

5.6.2反应管侧

5.7重质油裂解炉计算结果

5.7.1裂解产物收率及验证

5.7.2管壁温度分布与验证

5.8本章小结

参考文献

第六章裂解炉变工况计算与优化

6.1石脑油裂解炉变工况计算

6.1.1底部烧嘴燃气负荷的影响

6.1.2过剩氧含量的影响

6.1.3原料油负荷的影响

6.2重质油裂解炉变工况计算

6.2.1底部烧嘴燃气负荷的影响

6.2.2过剩氧含量的影响

6.2.3原料油负荷的影响

6.3操作工况调整范围

6.4本章小结

第七章SL-Ⅱ型裂解炉操作工况调整的工业试验及验证

7.1试验测试

7.2石脑油裂解工况调整试验及验证

7.2.1底部烧嘴燃气负荷的影响

7.2.2过剩氧含量的影响

7.2.3原料油负荷的影响

7.2.4侧壁烧嘴的影响

7.3重质油裂解炉工况调整试验与验证

7.3.1底部烧嘴燃气负荷的影响

7.3.2过剩氧含量的影响

7.3.3原料油负荷的影响

7.4操作工况调整后的实施效果

7.4.1实施效果

7.4.2技术推广与经济效益分析

7.5本章小结

第八章结论与展望

附录

攻读博士学位期间研究成果

致谢