CN103310123A - 用于工业乙烯蒸汽裂解炉设计验证和优化的耦合建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于工业乙烯蒸汽裂解炉设计验证和优化的耦合建模方法，采用计算流体力学建立炉膛的流动、燃烧、传热模型，炉管为一维平推流，采用自由基反应动力学，根据裂解原料的PONA值及馏程等属性，通过关系数据库回归得到其具体组成，然后以热通量及管壁温度分别作为边界条件，进行炉膛炉管的耦合计算直至收敛。该模型能够获得炉管内裂解气速度、温度、压力、主要裂解产物收率，炉管外壁的温度和热通量沿管长的分布，以及炉膛内烟气温度、浓度分布和火焰的形状和高度等结果，可用于验证设计方案能否达到预计结果，由于建立了精确的裂解炉几何模型，通过对炉膛流场、温度场等数据的分析，可以为裂解炉的设计优化提供指导。

Description

用于工业乙烯蒸汽裂解炉设计验证和优化的耦合建模方法

技术领域

本发明涉及一种工业烃类蒸汽裂解炉耦合建模方法，利用该方法建立的模型可用于烃类蒸汽裂解炉的设计验证和优化。

背景技术

乙烯工业在石油化工行业中占有举足轻重的地位，乙烯产量也是衡量一个国家的石油化工发展水平的标志，乙烯裂解炉作为整个裂解装置的龙头和核心，其运行状态的好坏直接决定了产品的质量。

图1为典型的乙烯裂解炉工艺流程图，裂解原料进入对流段进行初步预热之后，与稀释蒸汽混合，再次预热至完全气化，并升温至裂解所需的温度。随后，裂解原料进入辐射段的反应管，在其中进行裂解并产生乙烯、丙烯、丁二烯等产品。裂解反应为强吸热反应，燃料气通过底部及侧壁烧嘴进入辐射段，并在反应管外的炉膛内进行燃烧，为裂解反应提供所需的热量。燃料气燃烧后的烟气温度很高，为了回收其中的热量以达到能量的最大利用，烟气通过对流段预热裂解原料，并加热无磷给水产生过热蒸汽。由于高温会使裂解过程发生后续的副反应，因此裂解产物一离开辐射段就马上进入废热锅炉进行冷却，以减少二次反应的发生，从而保证乙烯的收率。

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，现行的裂解炉大都是炉管悬挂在炉膛中央，炉膛两侧的底部和/或侧壁分别布置烧嘴，燃料气与空气通过烧嘴进入炉膛发生燃烧，放出的热量主要以辐射及对流形式传递给反应管内的裂解原料。通常情况下，辐射段的长度接近20m，高度超过10m，宽度在3m左右，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。因此，炉膛内进行的是一个反应、流动、燃烧高度耦合的过程，其对裂解反应的影响就在于沿着反应管长度方向的不同位置的热通量分布。

由于裂解的复杂性及其对反应温度的敏感性，热通量分布的变化对裂解反应的深度、产物产率分布等都有很大的影响，而最能影响热通量分布的则是炉膛内的燃烧过程。对于裂解炉设计来说，炉膛尺寸、炉管排布、烧嘴结构以及烧嘴在炉膛内位置的不同都会导致燃烧传热过程的变化，进而影响到沿反应管的热通量分布。在对裂解炉进行设计优化时，就要调整上述结构，改变炉膛内的流动及温度分布，获得更高的烯烃收率。

不同于操作优化，裂解炉的设计优化需要考察其结构的改变对于裂解过程的影响，而由于成本及风险问题，设计优化过程中必然需要经过多次的模拟与验证，从而确保方案的可行性，因此建立一个能准确描述裂解炉反应过程的详细模型，用来辅助设计开发是十分必要的。然而目前国内开发的裂解炉模型大都是面向操作优化的，为了减少计算量，这些模型在裂解炉结构方面做出了相应的简化，例如将弯管简化为直管，将烧嘴简化为平面，忽略其立体结构。这些简化导致模型无法考察结构变化对于裂解过程的影响，如烧嘴简化为平面后，其内部结构的改变就无法从模型中得到反映，因此也不能适用于设计验证。针对上述问题，开发一个能够完全还原裂解炉实际结构的耦合模型，用于裂解炉的设计验证和优化，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明提供一种工业烃类蒸汽裂解炉的耦合建模方法，该模型能够用于裂解炉的设计验证和优化，此模型有如下特点：

1.与真实的裂解炉结构完全一致，能够准确反映炉膛结构的细节变化对流动、燃烧、传热过程的影响，由此可以获得炉膛内详细的烟气温度、浓度、速度分布以及火焰形状及高度。

2.具有较为完善的裂解反应网络体系，能够从机理上描述裂解反应，计算得到裂解反应各产物产率、裂解气温度、压力等变量沿炉管管长的分布。

根据上述特点，对炉膛和炉管分别进行建模，首先，炉膛采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)方法，建立了不作简化的，完全符合裂解炉实际结构的三维模型，用以精确描述燃料气的燃烧、流动，炉膛内的烟气温度、速度、以及沿管长的热通量分布。其次，对于炉管，根据其长径比很大，裂解原料停留时间短等特点，一维的平推流模型就足以精确描述裂解气流动状态，而反应动力学的准确与否则对模型有重要影响。

本发明的炉管部分采用自由基模拟软件对管内的裂解反应和传递反应进行计算。最后，对炉膛和炉管模型进行迭代计算，直至满足模型收敛的精度要求。

具体而言，该工业烃类蒸汽裂解炉的耦合建模方法包括以下步骤：

步骤1：确定工业烃类蒸汽裂解炉的设计操作数据，包括裂解炉炉膛、炉管的详细尺寸结构，裂解原料进料量、温度和压力，裂解原料属性，裂解气出口温度，出口压力，以及出口主要产物收率，燃料气的组成、进料量、温度和压力，过剩空气系数；

步骤2：将乙烯裂解炉的建模过程分为炉膛建模和炉管建模；

步骤2.1：炉膛建模采用计算流体力学方法，对炉膛进行准确的结构建模和网格划分，在烧嘴及炉管附近等流速变化大的部分采用细化的网格进行描述；在此基础上建立炉膛内的流动、燃烧、辐射模型，计算得到辐射段烟气的速度、温度、压力、各组分浓度分布，以及炉膛对炉管外壁的热通量；

步骤2.2：炉管模型根据裂解原料的PONA值以及馏程属性，通过神经网络方法对原料组分进行刻画，并建立自由基反应动力学网络；炉管采用一维平推流模型，建立质量、能量和动量守恒方程；通过炉管模型计算可以得到沿管长的管壁温度分布，裂解气温度、压力和各组分浓度随管长的变化，以及出口温度，出口压力及出口处各组分的收率；

步骤3：炉膛与炉管模型存在能量的耦合关系，根据经验或者初始化炉管外壁温度分布的初值，作为边界条件带入炉膛模型中进行计算，然后将炉膛计算获得的管壁热通量分布再作为边界条件代入炉管模型中计算，获得新的炉管外壁温度分布，如此反复迭代直至收敛。

较佳的，所述炉膛模型包含了炉管和烧嘴的详细三维结构，建立与实际炉膛的几何结构完全一致的模型。

较佳的，所述烧嘴的三维结构参数可进行修改，以来考察改变炉膛烧嘴结构对结果的影响。

较佳的，所述三维结构参数包括烧嘴的直径、长度、个数、排布、位置、或倾角；或进风口的个数、排布、位置、位置或几何尺寸。

较佳的，由于炉膛只具有底部烧嘴，且空气和燃料气通过不同的位置分别进入炉膛内部，所述炉膛模型的燃烧模型采用计算非预混燃烧的概率密度函数模型对该过程进行模拟。

较佳的，采用自由基反应动力学来描述裂解过程，将自由基分类为β、μ和βμ三类，依此建立自由基反应网络。然后根据石脑油的密度、PONA值、初馏点、50%馏点、终馏点等，采用神经网络方法对原料组成进行刻画，得到石脑油中各个纯组分的质量分率。

较佳的，由于炉管长径比很高，忽略径向温度和浓度梯度，合理简化为一维平推流模型，求解沿管长方向的质量、能量和动量守恒方程，获得沿管长方向的温度和产物产率分布。

较佳的，所述迭代收敛判据为一前后两次计算获得的炉管外壁温度最大值的差距是否小于一预设阈值，如小于该阈值，则为收敛。

本发明提供一种工业烃类蒸汽裂解炉的耦合建模方法，采用计算流体力学建立炉膛的流动、燃烧、传热模型，炉管为一维平推流，采用自由基反应动力学，根据裂解原料的PONA值及馏程等属性，通过关系数据库回归得到其具体组成，然后以热通量及管壁温度分别作为边界条件，进行炉膛炉管的耦合计算直至收敛。该模型能够获得炉管内裂解气速度、温度、压力、主要裂解产物收率，炉管外壁的温度和热通量沿管长的分布，以及炉膛内烟气温度、浓度分布和火焰的形状和高度等结果，可用于验证设计方案能否达到预计结果，由于建立了精确的裂解炉几何模型，通过对炉膛流场、温度场等数据的分析，可以为裂解炉的设计优化提供指导。本方法适应性较为广泛，可用于不同类型的裂解原料及烃类蒸汽裂解炉。

附图说明

图1为乙烯裂解炉的工艺流程图；

图2-1～图2-3为石脑油裂解炉结构及其细节示意图；

图2-1为裂解炉炉膛三维视图；

图2-2为裂解炉炉管细节放大图；

图2-3为裂解炉烧嘴细节放大图；

图3为耦合迭代求解步骤；

具体实施方式

下面结合某工业石脑油裂解炉的建模实例进行说明：

图2为某石脑油裂解炉的三维结构示意图，左侧部分为炉膛的整体结构，右侧分别是反应管和烧嘴的局部放大图。该裂解炉仅有底部烧嘴，无侧壁烧嘴，底部烧嘴的燃料气进口分为两级，一级烧嘴位于进风口内部边缘，二级烧嘴在外侧。反应管分为两程，进口管从横跨段上部进入炉膛辐射室，在接近炉膛底部的位置，先通过一个S弯向两侧分开，再通过一个U型弯，之后的反应管部分为出口管，向上离开炉膛。

裂解炉炉膛内的流体发生着复杂的质量、动量、能量和组分传递过程。炉膛CFD模拟过程为：(1)建立描述炉膛内的流动，燃烧、辐射的数学模型。(2)划分炉膛计算区域的网格，实现用一组有限个离散的点来代替原来的连续空间。(3)在求解域内建立离散方程，通过数值方法把计算域内有限数量位置上的因变量值当作基本未知量来处理，从而建立一组关于这些未知量的代数方程组，然后通过求解代数方程组来得到这些节点值，而计算域内其他位置上的值则根据节点位置上的值来确定。(4)求解离散方程。

1.建立炉膛CFD模型

(1)流动模型

烟气在炉膛内的流动属于湍流，且存在燃烧，传热等复杂过程，因此需要考虑控制体内部的质量、动量及能量守恒。对于三维的可压湍流流动，通常采用雷诺平均Navier-Stokes方程进行描述，并采用标准的k-ε方程进行封闭。对于稳态过程建立如下方程。

连续性方程(质量守恒)：

$\frac{\∂}{{\∂x}_i}\left({\mathrm{\ρU}}_i\right)=0---\left(1\right)$

动量方程：

$\frac{\∂}{{\∂x}_j}\left({\mathrm{\ρU}}_i{U}_j\right)=\frac{{\∂P}_{\mathrm{eff}}}{{\∂x}_i}+\frac{\∂}{{\∂x}_j}\[{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}(\frac{{\∂U}_i}{{\∂x}_j}+\frac{{\∂U}_j}{{\∂x}_i}-\frac{2}{3}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}\frac{{\∂U}_l}{{\∂x}_l})\]---\left(2\right)$

k方程：

$\frac{\∂}{{\∂x}_i}\left({\mathrm{\ρkU}}_i\right)=\frac{\∂}{{\∂x}_j}\[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_k})\frac{\∂k}{{\∂x}_j}\]+G_k-\mathrm{\ρ\ϵ}---\left(3\right)$

ε方程：

$\frac{\∂}{{\∂x}_i}\left(\mathrm{\ρ\ϵ}{U}_i\right)=\frac{\∂}{{\∂x}_j}\[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}})\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂x}_j}\]+\frac{\mathrm{\ϵ}}{k}(C_{1\mathrm{\ϵ}}{G}_k-C_{2\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ρ\ϵ})---\left(4\right)$

上述方程中，x_i,x_j,x_l为i,j,l方向上的坐标,U_i,U_j,U_l为烟气流速在i,j,l方向上的分量m/s，ρ为气体密度kg/m³，k为湍动能m²/s²，ε为湍动能耗散率m²/s³，μ表示气体分子的粘度kg/m/s，μ_t为气体的湍流粘度kg/m/s，其计算式为：

${\mathrm{\μ}}_t={\mathrm{\ρC}}_{\mathrm{\μ}}\frac{k^2}{\mathrm{\ϵ}}---\left(5\right)$

p_eff，μ_eff,δ_ij和G_k分别为有效压力Pa，有效粘度kg/m/s，Kronecker函数和湍动能的产生项J/m³/s，其表达式分别如下：

$p_{\mathrm{eff}}=p+\frac{2}{3}\mathrm{\ρk}---\left(6\right)$

μ_eff=μ+μ_t                       (7)

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{c}1(i=j)\\ 0(i\≠j)\end{array}\right.---\left(8\right)$

$G_k={\mathrm{\μ}}_t\[(\frac{{\∂U}_i}{{\∂x}_j}+\frac{{\∂U}_j}{{\∂x}_i})-\frac{2}{3}\frac{{\∂U}_l}{{\∂x}_l}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}\]\frac{{\∂U}_i}{{\∂x}_j}---\left(9\right)$

式中，p为压力Pa，标准k-ε方程的系数分别为，σ_k=1.0，σ_ε=1.3，C_1ε=1.44，C_2ε=1.92，C_μ=0.09。炉膛内的能量平衡采用式(10)来描述：

$\frac{\∂}{{\∂x}_i}\[U_i(\mathrm{\ρE}+p)\]=\frac{\∂}{{\∂x}_j}(k_{\mathrm{eff}}\frac{\∂T}{{\∂x}_j}-\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{h}_j{\stackrel{\→}{J}}_j+U_i{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}\[(\frac{{\∂U}_j}{{\∂x}_i}+\frac{{\∂U}_i}{{\∂x}_j})-\frac{2}{3}\frac{{\∂U}_l}{{\∂x}_l}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}\])+S_h$

                                                 (10)

式中，T为局部温度K，k_eff为有效导热系数W/m/K，

为组分j的扩散通量Kg/m²/s，S_h表示能量方程的源项J/m³/s，E为单位质量流体的总能量J/kg，h_j为组分j的生成焓J/kg。

在方程(10)中，

$E=h-\frac{p}{\mathrm{\ρ}}+\frac{U^2}{2}---\left(11\right)$

其中，h是显焓J/kg，U为速度m/s,其表达式为：

$h=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{Y}_j{h}_j---\left(12\right)$

其中，h_j是组分j的焓J/kg，其表达式为：

$h_i={\∫}_{T_{\mathrm{ref}}}^T{C}_{p,j}\mathrm{dT}---\left(13\right)$

式中，C_p,j为组分j的热容J/kg/K，T_ref=298.15K为参考温度。

(2)燃烧模型

本例中的裂解炉仅有底部烧嘴，燃料气与空气分别进入炉膛，无预混。常用于模拟燃烧过程的模型有概率密度函数(PDF)模型和涡破碎(EBU)模型，而EBU模型只适用于单一的，充分预混的反应流。因此，本例采用PDF模型来描述湍流燃烧过程，该模型对于非预混燃烧的模拟非常有效。

PDF模型假设化学反应速率无限大并且不可逆，即，燃料气和空气不能共存，在接触的瞬间立即发生化学反应，并且一步直接生成最终产物。因此，烟气在炉膛内的瞬时热化学状态可以用混合分数来表示：

$f=\frac{Z_i-Z_{i,\mathrm{ox}}}{Z_{i,\mathrm{fuel}}-Z_{i,\mathrm{ox}}}---\left(14\right)$

式中，Z_i—元素i的元素质量分数。下标ox表示氧化剂流入口处的值，fuel表示燃料流入口处的值。对于湍流燃烧过程，各组分的分子扩散效应及速率差别可以忽略，因此组分输运方程可以表示为平均混合分数的守恒方程：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{f}\right)+\frac{\∂}{{\∂x}_i}\left({\mathrm{\ρU}}_i\stackrel{\‾}{f}\right)=\frac{\∂}{{\∂x}_i}\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_t}\frac{\∂\stackrel{\‾}{f}}{{\∂x}_i}\right)+S_m---\left(15\right)$

式中，S_m为源项，可以代表混合的液相或固相对气相的质量传递，由于裂解炉内为均相气相燃烧，因此该源项可以忽略。除了混合分数之外，平均混合分数的均方值也服从如下守恒方程：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{f^{\′2}}\right)+\frac{\∂}{\∂x_i}\left(\mathrm{\ρ}{U}_i\stackrel{\‾}{f^{\′2}}\right)=\frac{\∂}{\∂x_i}\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_t}\frac{\∂\stackrel{\‾}{f^{\′2}}}{\∂x_i}\right)+C_g{\mathrm{\μ}}_t{\left(\frac{\∂f}{\∂x_i}\right)}^2-C_d\mathrm{\ρ}\frac{\mathrm{\ϵ}}{k}\stackrel{\‾}{f^{\′2}}$

                                       (16)

式中，

上述两式中的常数σ_t，C_g和C_d分别为0.85,2.86和2.0，通过求解平均混合分数及其均方值的守恒方程，可以获得炉膛内的各组分质量分数。

(3)辐射模型

在裂解炉炉膛中，90%的热传递都是通过辐射传热完成的，因此一个能够精确描述辐射热传递的模型对于炉膛的正确模拟非常重要。离散坐标(Discrete Ordinates,DO)模型可以适用于各种光学深度，相比其他辐射模型，具有简单，可靠的优势，并且非常适合进行流动、燃烧、传热的耦合计算。DO模型将向量

方向上的辐射传热模型看做一个场方程，其模型方程如下：

$\▿\·\left(I(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{s})\stackrel{\→}{s}\right)+(a+{\mathrm{\σ}}_s)I(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{s})=a{n}^2\frac{\mathrm{\σ}{T}^4}{\mathrm{\π}}+\frac{{\mathrm{\σ}}_s}{4\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{4\mathrm{\π}}{\text{\∫}}}I(\stackrel{\→}{r},{\stackrel{\→}{s}}^{\′})\mathrm{\Φ}(\stackrel{\→}{s},{\stackrel{\→}{s}}^{\′})d{\mathrm{\Ω}}^{\′}$

                                                   (17)

式中，

为位置向量，

为方向向量，

为散射方向，σ为Stefan-Boltzmann常数(5.672×10^-8W/m²K⁴)，a和σ_S分别为烟气的吸收系数和散射系数,单位为1/m，n为折射指数，Φ为相位函数，Ω′为立体角。

在炉膛烟气吸收系数已知的情况下，可通过上式计算得到炉膛内的辐射传热量。对于烟气吸收系数的计算，工程上一般常用图表法、代数模型、灰气体加权平均模型等方法。其中灰气体加权平均模型(Weighted-sum-of-gray-gases model，WSGGM)一方面具有简化的灰气体模型的计算速度，另一方面又具有考虑了特定吸收波带的详细模型的精确性，因而在工业上应用最为广泛。该模型将真实气体的黑度表示为若干个灰气体和一个透明气体的黑度的加权和，因此炉膛内烟气在经历了s长度后的黑度ε表达式为：

$\mathrm{\ϵ}=\underset{i=o}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{\ϵ},i}\left(T\right)(1-e^{-{\mathrm{\κ}}_i\mathrm{ps}})---\left(18\right)$

式中，a_ε,i为第i种虚拟灰气体的黑度加权因子，后面括号中的表达式为第i种虚拟灰气体的黑度，κ_i为第i种灰气体的比吸收系数atm^-1m^-1，p为所有吸收气体分压总和Pa，s为路径长度m。

2.管内裂解反应模型

石脑油在炉管内发生热裂解反应，生成工业所需的三烯(乙烯、丙烯、丁二烯)等产品。对裂解反应过程的模拟主要有三种不同模型：

a.经验模型：该模型将裂解反应的几个主要参数，如原料组成、裂解气出口温度以及停留时间等直接与裂解产物收率进行关联，通常采用神经网络或者回归拟合的方式建立经验关系式，并对关系式中的参数进行训练从而得到经验模型，用于操作条件变化后的收率预测。该模型简单直观，开发周期短，但由于是经验模型，需要大量现场数据支持，并且外推性很差，应用范围很有限。

b.分子反应模型：该模型将裂解原料假想为单一组分，在此基础上，裂解反应被简化为一个一次反应和若干二次反应，两个反应相互没有交叉。该模型的预计算结果对一次反应的系数十分敏感，而二次反应则没有很大影响，因此通常需要对于不同的油品进行一次反应系数的关联。该模型由于涉及到反应过程，因此比经验模型具有更强的外推和适用性，且开发周期相对较短，也是工业上应用较为广泛的一类模型。

c.自由基模型：该模型以自由基反应为基础，反应过程包括链引发、夺H、自由基加成、自由基分解、自由基异构化、链终止等过程，具有详细的自由基反应网络，通用性很强，精度和可靠性非常高。

虽然分子反应的开发周期较短，相对简单，但是对于不同类型的油品及操作条件，其精度和准确性无法满足要求。此外，由于炉膛采用CFD模型可以得到十分精确的热通量沿管长的分布，若采用简化的分子反应模型则无法获得精确的收率、温度、组成分布等结果，因而也就失去了采用CFD计算精确的热通量分布的意义，因此本发明中采用复杂的自由基反应模型来描述炉管内的裂解反应。

(1)自由基反应网络

裂解反应的自由基机理有以下三个主要的反应系列，分别为：

反应物分子发生碳-碳键或碳-氢键的断裂及逆自由基重组：

$R_1-R_2\⇔R_1^{\•}+R_2^{\•}---\left(19\right)$

分子内部或分子间的夺氢反应：

$R_1-H+R_2^{\•}\⇔R_2-H+R_1^{\•}---\left(20\right)$

分子内部或分子间的自由基加成及自由基逆β断裂：

$R_1^{\•}+R_2=R_3\⇔R_1-R_2-R_3^{\•}---\left(21\right)$

虽然上述三个反应系列在裂解反应中处于主导地位，但是对于复杂的油品如石脑油来说，其包含的组分有很多种，而自由基和分子种类却随着碳链的增长呈几何级数增加，这对构建反应网络构成了极大的困难。因此，从各种复杂的自由基反应过程中抽提出最主要的反应过程就成为了构建反应网络的关键。

根据假设，碳原子个数超过5的自由基(即μ自由基)所发生的双分子反应在裂解反应中可以被忽略而不影响计算结果，仅参与双分子反应的自由基，如氢自由基、甲基自由基等被称为β自由基，那些在低温下表现β自由基特性，而在高温下表现μ自由基特性的自由基，如乙基自由基，则被称为βμ自由基。根据以上三种分类，可以对自由基反应网络进行简化而不失计算精度。

反应网络的构建方法为，首先建立一个初始的自由基库，该库内包含碳原子个数小于5的各种主要组分，采用矩阵计算库内的各个组分彼此之间是否会发生β自由基的上述三种反应，如果会发生反应，则计算其产物分子及自由基。对产物的碳原子个数进行判断，若大于5，则将其归类为μ自由基，若小于5，则将该新产物更新到原有的自由基库，并且再次进行反应网络的计算，直到不再有新的组分被添加到自由基库中为止。

分子自由基库建立完成之后，对于库内的每一个反应，采用基团贡献法计算其反应的动力学参数，从而获得完整的反应网络。

(2)原料组分刻画

自由基反应可以很详细地描述裂解反应过程，并且给出精确的模拟结果，然而自由基反应的计算需要提供裂解原料的详细组成，而这对于复杂油品如石脑油来说非常困难，工业上往往无法详细分析裂解原料的组成及各组分的百分含量，因此需要采取一些方法来对原料组分进行刻画。

根据裂解原料石脑油的一些工业测量数据，如石脑油的密度、PONA值、初馏点、50%馏点、终馏点等，通过神经网络对油品中各个纯组分的含量进行关联，并采用大量油品数据及分析结果进行训练，获得原料组分数据库。对于未知的油品，只要获得其密度、PONA值和馏点等数据，就可以通过该数据库计算得到该油品中各个组分所占的百分含量，从而完成对原料组分的刻画。

(3)反应器建模

由于裂解反应发生在长径比很大的细管内部，并且裂解原料停留时间很短，流速很高，管内为高度湍流状态，因此可以认为径向的混合十分均匀，不存在浓度及温度梯度，反应管可以简化为一维平推流模型。

蒸汽热裂解是一个吸热反应，其所需的热量由炉膛内的燃料气燃烧提供，因此反应管内为非绝热，非等温，且存在压降的状态，需要用质量、动量及能量守恒方程来描述管内的裂解反应。

①质量守恒

稳态条件下，在反应管的微元段dz内，某组分i的质量守恒方程如下：

$\frac{d{F}_i}{\mathrm{dz}}=\left(\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_k{v}_{\mathrm{kj}}\right)\frac{\mathrm{\π}{d}^2}{4}---\left(22\right)$

式中，F_i为组分i的摩尔流率Kmol/s，r_k为反应k的反应速率Kmol/m³/s，v_kj为该反应中组分i的反应计量系数，n为总的裂解反应数，d为反应管横截面积m²。

②能量守恒

能量方程计算稳态条件下反应管的微元段dz内，热量的进出(即反应吸收的热量和炉膛传递的热量)与该微元段内的温度的守恒关系：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{F}_i{c}_{\mathrm{pi}}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dz}}=\mathrm{\ωq}+\frac{\mathrm{\π}{d}^2}{4}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{R}_k(-{\mathrm{\Δ}}_f{H}_k^0)---\left(23\right)$

式中，ω为圆周m，q为炉膛传入管内的热通量kJ/m²/s，T为温度K，c_pi为组分i在温度为T时的热容kJ/kmol/K，

为组分k的标准生成焓kJ/kmol，R_k为组分k的净生成速率kmol/m³/s。

光滑管内流动的裂解气对流换热系数由下式决定：

Nu=0.023Re^0.8Pr^0.4                     (24)

式中,雷诺数Re，努赛尔数Nu和普兰德数Pr分别为：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρu}{d}_t}{\mathrm{\μ}}---\left(25\right)$

$\mathrm{Nu}=\frac{h_c{d}_t}{\mathrm{\λ}}---\left(26\right)$

$\mathrm{Pr}=\frac{\mathrm{\μ}{c}_p}{\mathrm{\λ}}---\left(27\right)$

上述各式中,h_c为裂解气对流换热系数kJ/m²/K/s，d_t为炉管内径m，u为管内裂解气流速m/s，ρ为裂解气密度kg/m³，λ为裂解气热导率kJ/m/K/s，μ为裂解气粘度kg/m/s，c_p为裂解气热容kJ/kmol/K。

③动量守恒

沿反应管的压降表达式为：

$\frac{d{p}_t}{\mathrm{dz}}=-\mathrm{\α}(\frac{2f}{d_t}+\frac{\mathrm{\ζ}}{\mathrm{\π}{r}_b})\mathrm{\ρ}{u}^2-\mathrm{\α\ρu}\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dz}}---\left(28\right)$

式中,p_t为总压Pa，α为转换系数，r_b为弯管处的半径m。f为范宁摩擦系数，ζ弯头的涅克拉索夫系数。对于光滑直管，有：

$\frac{1}{\sqrt{f}}=-4\log \left(\frac{1.256}{\mathrm{Re}\sqrt{f}}\right)---\left(29\right)$

对于光滑的弯管，范宁摩擦系数计算方法如下：

$f=\frac{0.092{\mathrm{Re}}^{-0.2}}{d_t}+\frac{\mathrm{\χ}}{\mathrm{\π}{r}_b}---\left(30\right)$

对于半径为r_b的弯管，涅克拉索夫系数χ由下式计算得到：

$\mathrm{\χ}=0.7(1+\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\π}})(0.051+0.19\frac{d_t}{r_b})---\left(31\right)$

式中,κ是弯管的弯曲角度。

3.耦合模拟方法

(1)网格划分

由于裂解炉的对称性，为了减少CFD计算量，取八分之一的炉膛为研究对象。采用分块划分的方法分别划分三维底部烧嘴区、炉管区和炉膛其他区域的网格。四面体单元用来划分烧嘴区、炉管区的网格，将这两个区域的网格进行细化；六面体单元用来划分炉膛其他区域的网格。网格数为4392849。

(2)确定边界条件

①入口边界条件：根据工艺参数确定底部燃气和空气的进口质量流量，组分、温度和压力。

②壁面边界条件：反应管和炉墙壁面均采用无滑移假设，即壁面上各物理量的值均为0；壁面附近粘性底层中流动与换热采用标准壁面函数近似处理；炉膛墙壁上的热边界通过热损失赋予热通量边界条件；炉管壁面温度边界采用工厂实际工况、操作经验初步假设的温度，利用自定义函数(UDF)赋给管壁。

③出口边界条件：根据现场的压力测量数据，出口条件指定为压力出口边界。

(3)炉膛/炉管的耦合模拟

裂解炉炉膛与炉管之间有很强的热量耦合，因此对于分别建立的炉膛和炉管模型，需要进行耦合求解以获得热量传递上的平衡，迭代求解过程如图3所示。

①建立炉膛几何模型，输入计算所需的燃料气和空气的进口温度、压力和流量组成，炉墙热损失等条件。

②采用经验或者初始化计算获得炉管外壁温度分布的初值，求解炉膛内烟气的流动、燃烧、辐射模型，计算结果收敛后得到沿反应管方向的炉膛对炉管的热通量分布。

③以热通量分布值为边界条件，求解炉管内部的质量、能量及动量守恒方程，计算获得新的管外壁温度分布。

④将新的管外壁温度分布与之前一次的管外壁温度分布进行比较，如果温度分布的最大值相差大于1℃，就将新的管外壁温度作为炉膛计算的边界条件，转到第2步重新计算，否则就认为耦合计算收敛，输出相应的炉膛炉管计算结果。

裂解炉内质量、动量、能量、湍流、化学组分和辐射守恒的控制方程用控制体积法按顺序求解。非线性控制方程用第二迎风格式隐式离散，线性化产生出每一个计算单元格中的因变量的方程组。采用压力耦合方程的半隐式方法(SIMPLE）算法求解耦合的质量、动量、能量和组分输运方程。

基于以上建立的模型，则可根据实时输入量测算相应输出组分各量。

综上所述仅为发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (7)

1.一种用于工业乙烯蒸汽裂解炉设计验证和优化的耦合建模方法，其特征在于，

步骤1：确定工业烃类蒸汽裂解炉的设计操作数据，包括裂解炉炉膛、炉管的详细尺寸结构，裂解原料进料量、温度和压力，裂解原料属性，裂解气出口温度，出口压力，以及出口主要产物收率，燃料气的组成、进料量、温度和压力，过剩空气系数；

步骤2：将乙烯裂解炉的建模过程分为炉膛建模和炉管建模；

步骤2.1：炉膛建模采用计算流体力学方法，对炉膛进行准确的结构建模和网格划分，在烧嘴及炉管附近等流速变化大的部分采用细化的网格进行描述；在此基础上建立炉膛内的流动、燃烧、辐射模型，计算得到辐射段烟气的速度、温度、压力、各组分浓度分布，以及炉膛对炉管外壁的热通量；

步骤2.2：炉管模型根据裂解原料的PONA值以及馏程属性，通过神经网络方法对原料组分进行刻画，并建立自由基反应动力学网络；炉管采用一维平推流模型，建立质量、能量和动量守恒方程；通过炉管模型计算可以得到沿管长的管壁温度分布，裂解气温度、压力和各组分浓度随管长的变化，以及出口温度，出口压力及出口处各组分的收率；

步骤3：炉膛与炉管模型存在能量的耦合关系，根据经验或者初始化炉管外壁温度分布的初值，作为边界条件带入炉膛模型中进行计算，然后将炉膛计算获得的管壁热通量分布再作为边界条件代入炉管模型中计算，获得新的炉管外壁温度分布，如此反复迭代直至收敛。

2.根据权利要求1所述的耦合建模方法，其特征在于，所述炉膛模型包含了炉管和烧嘴的详细三维结构，建立与实际炉膛的几何结构完全一致的模型。

3.根据权利要求2所述的耦合建模方法，其特征在于，所述烧嘴的详细三维结构参数可进行修改，以来考察改变炉膛烧嘴结构对结果的影响。

4.根据权利要求2所述的耦合建模方法，其特征在于，所述三维结构参数包括烧嘴的直径、长度、个数、排布、位置、或倾角；或进风口的个数、排布、位置或几何尺寸。

5.根据权利要求1所述的耦合建模方法，其特征在于，所述炉膛模型的燃烧模型采用计算非预混燃烧的概率密度函数模型对该过程进行模拟。

6.根据权利要求1所述的耦合建模方法，其特征在于，所述自由基反应网络学，为基于β、μ和βμ三类自由基分类的自由基反应网络。

7.根据权利要求1所述的耦合建模方法，其特征在于，所述迭代收敛判据为一前后两次计算获得的炉管外壁温度最大值的差距是否小于一预设阈值，如小于该阈值，则为收敛。

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