乙烯裂解炉炉管内插入扭曲片的强化传热研究

摘要

乙烯裂解炉作为高能耗的设备,是热裂解制乙烯过程的核心装置,而裂解炉炉管内的流体流动、裂解反应、炉管壁面的辐射传热和对流传热直接影响乙烯的收率和选择性。因此,研究乙烯裂解炉炉管的强化传热对于提高能量利用率和乙烯收率有着一定的意义。
　　 本文基于计算流体力学的方法,以KTI公司的GK-V型乙烯裂解炉为研究对象,用Gambit软件建立三维几何模型并加密处理网格,用Fluent商业软件对其进行耦合数值模拟。主要内容如下:
　　 1、考虑到炉管内流体的流动对传热的影响,在炉管内的不同位置分别加入2组、3组、4组扭曲片,研究扭曲片对传热的影响。由于扭曲片的特殊结构,用尺寸方程(size-function)来加密近壁区域网格,以提高壁面附近边界层内的分辨率。研究表明:加入扭曲片以后,管内流体的流型改变,边界层减薄,强化了传热,且在压力损失适当增加的前提下,4组扭曲片的强化传热效果最明显。
　　 2、研究管内插入扭曲片的强化传热对热通量、外壁面温度和乙烯丙烯收率的影响。研究表明:加入扭曲片以后,炉管壁面热通量增大,外壁面温度降低,乙烯收率提高,丙烯收率有所降低,乙烯丙烯的总体收率增加。特别是加入4组扭曲片时,与光滑圆管相比,乙烯收率明显提高,约为8.9％；丙烯收率曲线在出口处下降得较为明显,说明二次反应明显。
　　 3、研究扭曲片的强化传热对炉膛内流场的影响。结果表明:强化传热对炉膛内的烟气流动影响不大,由于强化了传热,炉膛的热效率提高了3.0％。

目录

文摘

英文文摘

Contents

符号说明

第一章 绪论

1.1 乙烯裂解技术

1.2 强化传热原理

1.3 强化传热技术的应用

1.3.1 强化传热在换热器上的应用

1.3.2 强化传热在裂解炉上的应用

1.4 乙烯裂解炉的模拟研究

1.4.1 裂解反应动力学模型

1.4.2 炉膛模型

1.4.3 炉管模型

1.4.4 炉膛与炉管的耦合模型

1.5 本文的主要研究内容及意义

第二章 乙烯裂解炉的计算模型

2.1 几何模型

2.2 计算模型

2.2.1 基本方程

2.2.2 湍流模型

2.2.3 辐射模型

2.3 裂解原料与操作参数

2.4 反应动力学模型

2.4.1 燃烧反应动力学模型

2.4.2 裂解反应模型

2.5 边界条件和求解方法

2.5.1 炉管边界条件

2.5.2 炉膛边界条件

第三章 裂解炉炉管计算结果与分析

3.1 流动

3.1.1 流线

3.1.2 速度

3.2 强化传热

3.2.1 截面温度

3.2.2 Nu分析

3.3 压力损失

3.4 炉管壁面的热通量

3.5 炉管外壁面温度

3.6 裂解产物的质量分数

3.7 小结

第四章 裂解炉炉膛计算结果与分析

4.1 流动

4.2 传热

4.3 热效率

4.4 小结

第五章 结论

5.1 主要研究内容及结论

5.2 课题展望

参考文献

致谢

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