基于区域法的工业蒸汽裂解炉炉膛实时性能预测方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于区域法的工业蒸汽裂解炉炉膛实时性能预测方法。炉膛辐射模型是采用HOTTEL区域法求出区与区之间的辐射传热速率。烟气流动模型是根据CFD计算结果求出热区、冷区和横向表面质量流量。燃料气燃烧模型的底部燃料气放热率是根据CFD计算的沿炉膛高度各区的燃料气消耗率确定的。侧壁燃料气放热率在侧壁烧嘴附近根据区域所在的高度与烧嘴所在的高度差均匀分布。由此建立各区热平衡方程式，利用拟牛顿法迭代计算非线性方程组，直至满足收敛精度为止，获得裂解炉炉膛内各区烟气和炉墙温度、炉管热通量等实时性能的预测，从而为裂解炉的设计和操作优化提供可靠的模型依据及理论支撑。
【专利说明】基于区域法的工业蒸汽裂解炉炉膛实时性能预测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于区域法的工业蒸汽裂解炉炉膛实时性能预测方法，利用该方法建立的模型可用于烃类蒸汽裂解炉的设计和操作条件优化。
【背景技术】
[0002]乙烯工业是石油化学工业的龙头和核心。乙烯生产装置的核心部分是裂解炉，整个乙烯装置效益与裂解炉的设计和操作有直接的关系。辐射段是裂解反应发生的主要位置，也是裂解炉内最重要的部分，现行的裂解炉辐射段的几何结构较庞大，且由于裂解反应的吸热性，需要大量燃料燃烧供热，因此较大流量的燃料气通过烧嘴以高速射流方式喷入炉膛，对炉膛内的烟气的流动产生显著影响，从而进一步影响燃料气的混合与燃烧过程，改变炉膛内的温度分布。同时烟气将热量传给反应管内的裂解原料，使之发生复杂的反应过程，反之亦然。所以，沿炉管长度方向的热通量分布是联系油气和烟气侧的纽带。由于受到长周期、高成本和有限的测量手段的限制，对热通量分布的实验研究是极其困难的。因此，数值计算是优化和设计裂解炉的一个有效工具。
[0003]计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)技术在裂解炉模拟中的应用已有了长足的进步，而且有些还尝试性地进行了工业应用。但整体上讲，裂解炉的CFD模拟离工业应用还有一段距离，因其本身还有一些难题未能解决。如:CFD模拟的计算量大，计算时间长；燃烧模型和部分湍流模型不尽完善，还需要应用燃烧等基础理论来解决；工业裂解炉实际情况非常复杂，影响因素繁多，细微的偏差都会导致计算出现很大的偏差或不收敛等。因此，为了能使裂解炉数值模拟在工业乙烯裂解炉中得到应用，为裂解炉的运行优化提供指导，迫切需要寻求更适合工业操作现场的方法来解决。
[0004]区域法(Zone method)是霍特尔(H.C.Hottel) 1954年提出的，用于管式炉炉膛的辐射传热计算，因其计算速度快、计算精度高，现在已成为实际工程问题中使用最广泛的方法之一。国外的乙烯商业软件基本上都是以区域法为基础的，例如Spyix)软件。过去的二十几年中，已经有许多学者使用区域法对工业蒸汽裂解炉作了研究。但是他们在计算炉膛内的辐射传热过程时，未对燃料燃烧过程进行模拟，而是利用燃料的放热率估计烟气的组成和温度，而且还忽略了燃烧和烟气流动过程对传热的影响。Detemmerman和Froment和Heynderickx等人第一次运用区域法和CFD法结合对裂解炉内的福射传热进行稱合模拟。H.Barths运用CFD法与零维多区域法稱合模拟Homogeneous Charge CompressionIgnition(HCCI)燃烧。然而，他们的研究需要运用CFD计算复杂的流动模型或燃烧模型，计算速度也会因此而变慢，不适合工业实际的应用。
【发明内容】
[0005]为了克服以上不足，本发明拟利用HOTTEL区域法和CFD联合建模的方法，建立符合炉膛烟气实际流动、燃烧情况的数学模型，进而建立炉膛区域法模型，求解炉膛模型可获得裂解炉炉膛内各区烟气和炉墙温度分布、炉管热通量分布和烟气质量流量、烟气粘度、导热系数以及雷诺数等参数的分布，从而为工业裂解炉的设计和操作优化提供可靠的模型依据及理论支撑。并提供了一种基于区域法的工业蒸汽裂解炉炉膛实时性能预测方法，该模型能够用于裂解炉的设计和操作条件优化，此模型有如下特点:
[0006]1.具有较为完善的三维炉膛辐射传热模型，能够较为精确地计算炉膛内各区烟气和炉墙温度分布、炉管热通量分布。
[0007]2.考虑烟气流动和燃烧过程对传热的影响，建立符合炉膛烟气实际流动和燃烧情况的流动模型和燃烧模型。
[0008]根据以上特点，采用HOTTEL区域法和CFD联合建模的方法，建立炉膛的辐射传热模型、烟气流动模型、燃料气燃烧模型和烟气对流传热模型。由此建立各区热平衡方程式，运用拟牛顿法迭代计算非线性方程组，直至满足收敛精度为止。
[0009]具体而言，该基于区域法的工业蒸汽裂解炉炉膛实时性能预测方法包括以下步骤:
[0010]步骤1:确定工业烃类蒸汽裂解炉炉膛几何结构和工艺参数。
[0011]步骤2:将炉膛按照长、宽和高度方向划分区域。考虑炉膛辐射传热模型，烟气流动模型，燃料气燃烧模型，以及烟气对流传热模型，从而建立每一区域的能量平衡式。
[0012]步骤3:利用拟牛顿法迭代计算炉膛内能量平衡非线性方程组，直至满足收敛精度为止，获得裂解炉炉膛内各区烟气和炉墙温度、炉管热通量、烟气质量流量、烟气粘度、导热系数以及雷诺数等关键参数和物性参数分布。
[0013]较佳的，所述炉膛几何结构包括炉膛的长、宽、高，烧嘴的几何尺寸和个数，炉管的几何尺寸和排布形式等；工艺参数包含底部和侧壁燃料气组成及进料流量、温度、压力、过剩空气系数、侧/底燃料气比等；
[0014]较佳的，所述炉膛长度方向的分区按照炉管组数划分；宽度方向上的分区按照热区(烧嘴上方的区域)和冷区(近炉管的区域)划分；高度方向上的分区可以任意划分。区域划分越多，计算结果越准确，但计算工作量也就越大。
[0015]较佳的，所述炉膛辐射传热模型是根据HOTTEL区域法求出区与区之间的直接交换面积，总交换面积及定向流面积，进而求得区与区之间的辐射传热速率。
[0016]较佳的，所述烟气流动模型是根据CFD计算结果输出热区表面质量流量，根据质量守恒计算其冷区和横向表面质量流量。
[0017]较佳的，所述燃料气燃烧模型的底部燃料气放热率是根据CFD计算的沿炉膛高度各区的燃料气消耗率确定的。侧壁燃料气放热率在侧壁烧嘴附近根据区域所在的高度与烧嘴所在的高度差均匀分布。
[0018]较佳的，所述烟气对流传热模型是根据烟气对管壁和炉墙的给热系数、烟气与管壁温差、对流换热面积求得。
[0019]较佳的，所述利用拟牛顿法迭代计算炉膛内能量平衡非线性方程组，直到炉膛各区的烟气、炉墙温度分布和炉管热通量分布满足收敛精度为止，输出计算结果。否则调整管外壁温度重新计算，反复迭代直至达到精度为止。
[0020]本发明提供了一种基于区域法的工业蒸汽裂解炉炉膛实时性能预测方法。此方法在建模中将炉膛采用HOTTEL区域法和CFD模拟结果相结合的方法，利用热量平衡方程求解炉膛烟气、炉墙温度分布和炉管热通量分布情况。此建模方法适用于各类工业烃类蒸汽裂解炉，有着广泛的适应性。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1-1~图1-2为炉膛结构和区域划分示意图；
[0022]图1-1为裂解炉炉膛三维视图；
[0023]图1-2为炉膛区域划分示意图；
[0024]图2为炉膛内烟气流动示意图；
[0025]图3为区域法求解步骤。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0027]炉膛区域划分如图1所示。长度方向分区数为炉管组数；宽度方向分区数为2，分别为热区(烧嘴上方的区域)和冷区(近炉管的区域)；高度方向分区数可以任意选定。
[0028](I)辐射传热模型(H0TTEL区域法)
[0029]①计算烟气成分、吸收系数
[0030]根据燃料气和空气的组成和百分比以及空气过剩系数进行燃烧计算，得出烟气成分和烟气量；在得到烟气成分的基础上，由辐射室的尺寸计算出热射线的平均行程长度，再估计一个烟气平均温度，计算烟气的吸收系数。计算吸收系数公式参见式(20)。
[0031]②计算直接交换面积
[0032]假设系统中充满着灰气体，表面为黑表面，没有反射，不反射辐射能，任意两个黑表面之间的净辐射换热，只有通过直接辐射的方式进行换热。这样，在有灰气体存在时，两个黑表面之间的交换面积称为直接交换面积。
[0033]a.两平行表面间的直接交换面积:
[0034]
【权利要求】
1.一种基于区域法的工业蒸汽裂解炉炉膛实时性能预测方法，其特征在于， 步骤1:确定工业烃类蒸汽裂解炉炉膛几何结构和工艺参数。 步骤2:将炉膛按照长、宽和高度方向划分区域，基于炉膛辐射传热模型，烟气流动模型，燃料气燃烧模型，以及烟气对流传热模型，建立每一区域的能量平衡式。 步骤3:利用拟牛顿法迭代计算炉膛内能量平衡非线性方程组，直至满足收敛精度为止，获得裂解炉炉膛内各区烟气和炉墙温度、炉管热通量、烟气质量流量、烟气粘度、导热系数以及雷诺数的参数分布。
2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述炉膛几何结构包括炉膛的长、宽、高，烧嘴的几何尺寸和个数，炉管的几何尺寸和排布形式；工艺参数包含底部和侧壁燃料气组成及进料流量、温度、压力、过剩空气系数、侧/底燃料气比。
3.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述炉膛长度方向的分区按照炉管组数划分；宽度方向上的分区按照距离烧嘴的距离进行划分；高度方向上的分区可以任意划分。根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述炉膛辐射传热模型是根据HOTTEL区域法求出区与区之间的直接交换面积，总交换面积及定向流面积，进而求得区与区之间的辐射传热速率。
4.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述烟气流动模型是根据计算流体力学计算结果输出热区表面质量流量，根据质量守恒计算其冷区和横向表面质量流量。
5.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述燃料气燃烧模型的底部燃料气放热率是根据计算流体力学计算的沿炉膛高度各区的燃料气消耗率确定的，侧壁燃料气放热率在侧壁烧嘴附近根据区域所在的高度与烧嘴所在的高度差均匀分布。
6.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述烟气对流传热模型是根据烟气对管壁和炉墙的给热系数、烟气与管壁温差、对流换热面积求得。
7.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，还进一步包括以下步骤，当所述步骤3无法收敛达到预设精度，则调整管外壁温度重新执行步骤3，反复迭代直至达到精度为止。
【文档编号】G06F17/50GK103455684SQ201310419653
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】钱锋, 胡贵华, 杜文莉, 李进龙, 王振雷 申请人:华东理工大学