试析乙烯裂解炉综合数值模拟

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1、天津大学硕士学位论文乙烯裂解炉综合数值模拟姓名：陈娟娟申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：黄国强20090601中文摘要乙烯裂解过程是乙烯工业的关键技术之一，裂解炉是乙烯装置的核心设备。目前世界上仅有少数公司掌握生产乙烯的成套技术，国内对引进、吸收此项技术十分重视。但国内对裂解炉炉内的流体流动、燃烧、裂解反应与热量传递等情况缺乏充分的认识，导致我国乙烯裂解炉技术在国际上缺乏竞争力。因此，深入研究裂解炉内传递与反应过程细节具有十分重要的意义。本文在分析国内外乙烯裂解炉模拟的历史、现状和发展趋势的基础上，对乙烯裂解炉进行数值模拟研究，研究内容主要包括以下四个方面：在全面分析裂解炉炉膛内燃

2、烧、烟气流动传热及反应管内裂解原料的流动、传质、传热和裂解反应的等复杂过程及其之间强烈相互作用的基础上，以流体力学基本微分方程为基础，考虑流体的湍流流动，结合扩散燃烧PDF模型，离散坐标辐射传热模型、25分子反应动力学并结合湍流k．￡模型，建立了能够描述裂解炉内燃烧与裂解反应等众多复杂传递反应过程及其耦合作用的综合数学模型。利用新建的乙烯裂解炉综合数学模型对齐鲁石化的北方裂解炉进行模拟计算，模拟计算结果与工业数据吻合良好，验证了数学模型的准确性。模拟计算结果揭示了乙烯裂解炉内流动、传热、传质、燃料燃烧与裂解反应等过程的基本特征，为乙烯裂解炉的改造和设计提供全方位的化学工程参数。利用已经建立

3、的乙烯裂解炉数学模型，对不同操作参数(空气过剩系数、底部烧嘴负荷、底部烧嘴空气温度)和结构参数(管间距、管径)下的裂解炉进行数值模拟，得到了不同工况下的温度及组分浓度分布。通过对模拟结果进行比较，定量掌握了各个操作参数和结构参数对裂解炉内燃烧与反应过程的影响，为裂解炉的设计和优化操作提供理论指导。目前，NO。的污染问题己经在世界范围内得到重视。通过对裂解炉污染物NO；形成理论的研究，选择合适的动力学模型，对北方裂解炉进行污染物N0；的数值模拟研究，揭示考察温度和空气过剩系数对污染物N0。生成的影响。关键词：乙烯裂解炉数值模拟数学模型优化操作污染物ABSTRACTThethermalcrac

4、kingprocessofethyleneisanimportantprocessintheethyleneindustry,andtheethylenepyrolyzeristhekeyunit．Atpresent,onlyasmallnumberofcompaniesintheworldmasterthecompletetechnologyofethyleneproduction．AlthoughChinaattachesgreatimportancetothistechnology,itisdifficulttogettheoperationanalysisandthefurnace

5、designoptimizationbecauseoflackingoftheknowledgeofhydro—flow、combustionandcrackingreaction、masstransferandheattransferinthefurnace．Thethermalcrackingprocessofethyleneinourcountryisstillrelativelybackward．Thus，itisverysignificantforUStostudythedetailsofthecombustionandcrackingreaction、transferproce

6、ssintheethylenepyrolyzer．Historyanddevelopmentsofsimulationonethylenecrackingfurnacealereviewedandanalyzed．Basedonwhichacoupledmathematicalmodelforethylenepyrolyzerwasputforward。Themainpointsofthisthesisare．asfollow：Takingintoconsiderationcomplexflow、heattranfer、masstranfer、combustionandthermalcra

7、ckingreactionsinethylenepyrolyzerandrelationofthoseprocesses，basedonbadictransportequationsofhydrodynamics，togetherwithk-sturbulencemodel，non-premixedPDFmodel，discreteordinatesmodeland25moleculekineticreactionmod