裂解炉的辐射段模拟和横跨段结构优化研究
乙烯的产量和技术是石化行业发展的基础，而裂解炉又是乙烯产业的核心装置。2012年，我国年乙烯产能和产量均已经超过1700万吨，“十二五”期间，我国乙烯产业将向规模化方向发展。目前，国内单台裂解炉的年乙烯生产能力已达15万吨，随着乙烯产业的发展和技术进步，裂解炉的研究和优化显得尤为重要。本文主要利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)技术对裂解炉进行模拟研究，分析其运行特点，实现其操作优化。
裂解炉辐射段分成炉管内烃类裂解反应区域和炉管外燃料气燃烧放热区域，本文利用烃类裂解反应计算程序将管内烃类裂解反应转化为热量吸收的热强度，实现裂解炉辐射段管内和管外的耦合模拟计算。裂解炉燃烧器的燃料气燃烧是辐射段传热的关键步骤，燃烧模拟计算的准确性是裂解炉研究的基础，将对其优化起到关键作用，本文对模拟裂解炉的燃烧模型进行了研究，结果表明有限速率/涡耗散燃烧模型非常适合裂解炉燃烧器的燃料气和空气混合剧烈、喷射速度高和辐射段体积大等特点的燃烧模拟计算。
裂解炉燃烧器的供热方式和比例直接决定和影响辐射段烟气温度场的分布，本文研究结果表明，在裂解炉辐射段2-1型炉管、石脑油为原料和丙乙烯比0.5的条件下，底部燃烧器和侧壁燃烧器联合供热且比例为7∶3是炉管内烃类裂解反应的最佳条件。在裂解炉节能降耗的诸多方法中，底部燃烧器加装空气预热器是一个很好的办法，目前，乙烯企业的空气预热热源种类多和预热温度范围不同。本文以上述裂解炉辐射段运行为基础，对企业常用的五种预热空气温度的裂解炉辐射段进行模拟研究，结果表明空气预热温度在353.15K左右是较佳的。
双辐射段共用一个对流段的裂解炉是裂解炉大型化方向之一，为对这一新结构炉型的工艺条件优化提供理论指导，本文研究双辐射段裂解炉的工艺特点。模拟计算结果显示在分辐射段裂解工艺中，100％处理负荷的辐射段出口烟气平均温度较75％处理负荷高10K-15K，操作稳定;在分辐射段裂解和烧焦工艺中，裂解侧辐射段出口烟气平均温度高于烧焦侧70K-75K，由于在分辐射段烧焦工艺中，裂解侧的烟气温度远高于烧焦侧，造成了两侧烟气流入对流段后发生较大的热量传递，影响了对流段炉管加热相应管内物料的热量需求。研究发现将横跨段下端水平结构改为圆弧形结构可大大延缓对流段两侧烟气热量混合的程度，适合分辐射段裂解和烧焦时对流段预热原料的热量分配需求。
通过本文的模拟研究和数据分析，掌握了裂解炉的运行状态，获取了很多工业裂解炉运行中不易测得的数据，确立裂解炉研究和优化的方向。本文的研究结果对裂解炉的生产和优化有重要的理论指导意义，为以后新型裂解炉的设计和研究提供重要的参数。
裂解炉;辐射段;数值模拟;计算流体力学;结构优化;乙烯
北京化工大学
博士
化学工程与技术
杨元一
2013
中文
TQ221.211
141
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）