探析非稳态过程焦炭塔壁温变化规律的数值模拟

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1、中国石油大学（华东）硕士学位论文非稳态过程焦炭塔壁温变化规律的数值模拟姓名：刘敏申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：肖家治;王兰娟20090501摘要针对焦炭塔特殊工况，以焦炭塔内侧钢擘和保温层外壁为内外边界、直筒段上下端面为上下边界，从基本传热学理论入手，应用能量守恒和Fourier定律，推导出控制微分方程，利用有限容积法，通过严格的数学推导得到了不同节点的离散方程，获得了蒸汽及油气预热过程焦炭塔二维轴对称非稳态温度场数值解。利用ANSYS—CFXll．0模拟了焦炭塔内蒸汽置换空气过程，考察了蒸汽置换塔内残存空气所需时间及不

2、同时刻焦炭塔内不同截面位置处的速度和蒸汽浓度分布规律，并预测了大型焦炭塔蒸汽置换空气所需时间，结果表明：侧壁壁温对蒸汽置换过程无影响，对直径6m焦炭塔蒸汽置换塔内残存空气需要18min，对直径9．4m焦炭塔，蒸汽置换塔内残存空气需要15min，现场操作时间在10～20min之间，为了确保空气完全置换，建议操作时间设定在20min为宜。结合实测壁温回归出综合比热容及油气对流换热系数并进行了结果验证，利用面向对象编程语言VisualBasic6．0和有限容积法，完成了焦炭塔蒸汽及油气预热过程壁温变化模拟软件的开发，自编软件得到了焦炭塔升

3、温过程不同时刻不同高度壁温数值解，为焦炭塔结构应力分析提供了基础数据。结果表明：介质对壁面的传热和保温层的存在是导致径向温差产生的原因，预热时间是影响轴向温差的主要因素；．蒸汽预热塔内外壁径向温差小于3℃，油气预热小于20℃，径向温降主要集中在保温层0～50mm厚度内；蒸汽和油气预热塔内外壁温度场轴向分布规律一致，壁温均随高度增加而减小，直筒段底部至下部热电偶高度内轴向温差最大。关键词：焦炭塔，升温过程，塔壁壁温，有限容积法，非稳态传热NumericalSimulationofWallTemperatureChangeforCoke

4、DruminUnsteady-StateProcessLiuMin(ChemicalEngineering)DirectedbyProf．XiaoJiaztfi，WangLanjuanAbstractTheaxialsymmetryunsteady—statetemperaturefieldmodelwasestablishedforspecialworkingconditionofcokedrumwhichboundaryislocatedininnersteelwallandouterinsulatinglayer,theups

5、ideandundersidesection．Basedonthebasicheattransfertheory,thegoverningdifferentialequationwasderivedfromthelawofconservationofenergyandtheFourierthermalconductivitytheory．ThediscreteequationfordifferentnodesWasrigorouslyderivedfromFiniteVolumeMethod．Finally,thenumerical

6、solutionofwalltemperatureWasobtainedinvapourandoilgaspreheating．ThevapourdrivingairprocessincokedrumwassimulatedwithANSYS-CFXl1．0．Besides，thetotaltimethatvapourdrivingremainingairincokedrumWasexaminedandthevelocityandvapourconcentrationdistributionindifferentsectionatd

7、ifferenttimesWasinvestigated．Itwasfoundthatthewalltemperaturehadnoinfluenceonthetimethatvapourdrivingair．Thetimeneededforthe6mdiametercokedrumwas18min，aswellas15minWasneededforthe9．4mdiametercokedrum．TheoperatingtimeneededinthefieldWas10-20min．Inordertoensureremaininga

8、irWascompletelyreplacedwithvapour,20minWasthebestoperatingtime．Theintegrativespecificheatcapacityandtheheattransferco