專利名稱：工業(yè)二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內(nèi)裂解反應(yīng)的耦合數(shù)值建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種過程裝置建模方法，尤其是一種工業(yè)二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內(nèi)裂解反應(yīng)的耦合數(shù)值建模方法。
背景技術(shù)：
二氯乙烷裂解爐是氯乙烯生產(chǎn)裝置的核心單元及用能大戶，整個氯乙烯裝置效益與裂解爐的設(shè)計和操作水平息息相關(guān)，氯乙烯生產(chǎn)裝置經(jīng)濟(jì)效益提升的關(guān)鍵在于高水平設(shè)計以及如何優(yōu)化裂解爐的操作條件。目前我國大多數(shù)二氯乙烷裂解技術(shù)和裝置大多從國外全套引進(jìn)，先進(jìn)成熟的氯乙烯裝置的引進(jìn)為我國氯乙烯工業(yè)的發(fā)展提供了較高的起點(diǎn)。但是我國二氯乙烷裂解操作水平總體落后于世界先進(jìn)水平，二氯乙烷裂解轉(zhuǎn)化率低，選擇性低，單耗高。而專利商對關(guān)鍵技術(shù)的保密，使我國對二氯乙烷裂解工藝機(jī)理的掌握不夠深入，技術(shù)水平難以取得實(shí)質(zhì)性突破。國內(nèi)對裂解爐內(nèi)部物質(zhì)流體流動、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)認(rèn)識不夠清晰，缺乏足夠的理論支持，使得在裂解爐的改造和國產(chǎn)裂解爐的設(shè)計時，主要是模仿國外技術(shù)，沒有理論依據(jù)，常使得改造及設(shè)計不得當(dāng)，或者當(dāng)裂解原料和操作條件發(fā)生變化時，只能依靠經(jīng)驗(yàn)確定操作參數(shù)，所以在設(shè)計與操作上帶有一定盲目性，裝置潛能未得到充分發(fā)揮。因此一味地引進(jìn)國外成套技術(shù)并加以模仿改造，而不注意從根本的、基礎(chǔ)的技術(shù)上消化吸收再創(chuàng)新，那么我國氯乙烯裂解生產(chǎn)技術(shù)將總是落后于世界領(lǐng)先水平，在國際上缺乏競爭力。
為了全面掌握二氯乙烷裂解爐的運(yùn)行機(jī)理，掌握爐膛與爐管之間的熱量耦合關(guān)系，認(rèn)識對二氯乙烷裂解爐運(yùn)行周期，二氯乙烷裂解轉(zhuǎn)化率、選擇性、單耗等重要性能指標(biāo)造成重要影響的關(guān)鍵參數(shù)，對二氯乙烷裂解爐進(jìn)行機(jī)理建模顯得尤為重要。以往二氯乙烷裂解爐數(shù)學(xué)模型的研究開發(fā)把重點(diǎn)放在裂解反應(yīng)動力學(xué)的描述上，未將裂解反應(yīng)與流動和傳熱之間的相互影響考慮在內(nèi)，對反應(yīng)管內(nèi)流體流動與傳熱過程做了很大的簡化。在爐膛的模擬研究中，主要是對輻射傳熱過程的模擬，它們在采用羅伯-伊萬斯法、別洛康法、區(qū)域法等簡化的方法計算爐膛內(nèi)的輻射傳熱過程，未對燃料燃燒機(jī)理過程進(jìn)行模擬，而是簡單利用燃料的放熱率估計煙氣的組成和溫度，而且還忽略了燃燒和煙氣流動過程對傳熱的影響。
隨著計算機(jī)計算能力大幅攀升,復(fù)雜耗時的計算流體力學(xué)(Computational FluidDynamics,簡稱CFD)已成為在解決涉及流體流動的各個領(lǐng)域的重要方法，如機(jī)械制造，化工等諸多領(lǐng)域。CFD是流體力學(xué)的一個分支，利用詳細(xì)的數(shù)值模擬方法替代解析法求解非線性偏微分方程，解決了許多理論流體力學(xué)無法解決的問題。絕大多數(shù)工程問題工程中的流動、傳熱、傳質(zhì)及反應(yīng)過程的非線性動量、熱量、質(zhì)量及組分守恒方程組都可以利用CFD對其進(jìn)行離散化處理，把原來在空間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場(速度場、溫度場、濃度場等)，用很多離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替，并建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，在已知邊界條件下封閉離散方程組，進(jìn)行數(shù)值求解，以獲得物理量場的近似解，給出整個研究體系中各物理量(如:速度、溫度和濃度等)的分布。準(zhǔn)確流動、傳熱、傳質(zhì)及反應(yīng)等過程的細(xì)節(jié)。狹義的CFD只研究流體流動現(xiàn)象，但是隨著其他各研究領(lǐng)域(如:燃燒、輻射及化學(xué)反應(yīng)等)的不斷發(fā)展，使CFD的觸角越伸越長，覆蓋面也越來越廣。如在化工領(lǐng)域內(nèi)，可以將描述化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)模型與流動模型相結(jié)合進(jìn)行反應(yīng)器模擬；有效模擬反應(yīng)器等設(shè)備內(nèi)的反應(yīng)及流動情況。因此，從理論上講，凡是存在流體流動的場合，CFD方法都能行之有效的發(fā)揮作用。所以將CFD技術(shù)引入到二氯乙烷裂解爐的機(jī)理建模中，將有助于更清楚了解二氯乙烷裂解爐膛爐管熱量耦合，流場分布等重要信息。這將進(jìn)一步為乙烯裂解爐的設(shè)計和改造，優(yōu)化操作以及新技術(shù)的開發(fā)，提供強(qiáng)有力的理論與數(shù)據(jù)支持，從而可以為二氯乙烷裂解爐國產(chǎn)化及老丨H改造提供技術(shù)支撐。發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有模型的不足，本發(fā)明全面系統(tǒng)地分析了二氯乙烷裂解爐反應(yīng)管內(nèi)物質(zhì)流動、傳熱、傳質(zhì)和裂解反應(yīng)以及爐膛內(nèi)流動、傳熱、傳質(zhì)和燃燒反應(yīng)等復(fù)雜過程，同時分析了這些復(fù)雜過程之間強(qiáng)烈的耦合作用，基于流體力學(xué)的湍流流動模型、輻射傳熱模型、燃燒模型和裂解反應(yīng)動力學(xué)模型，將裂解爐反應(yīng)管內(nèi)傳遞和裂解反應(yīng)過程與爐膛中燃燒傳熱過程相耦合，設(shè)計了一種工業(yè)二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內(nèi)裂解反應(yīng)的耦合數(shù)值建模方法。
本發(fā)明的模型，由爐膛模型和爐管模型組成，其中:爐膛模型中，根據(jù)燃料和空氣的混合程度采用全預(yù)混模式；燃料氣的燃燒采用簡化的一級串聯(lián)燃燒模型；燃燒化學(xué)反應(yīng)采用湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用模型——渦耗散模型；爐膛煙氣流動采用雷諾平均模型，并采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程模型封閉其中的湍流項(xiàng)；爐膛煙氣輻射傳熱模型采用離散坐標(biāo)模型，并采用多灰氣加權(quán)模型計算煙氣輻射特性。爐管模型中，采用簡化的二氯乙烷一級串聯(lián)的裂解反應(yīng)；過程氣流動模型與煙氣流動模型一致。爐膛模型與爐管模型耦合模擬的迭代變量選用爐管外壁溫度和熱通量。由此可以爐膛內(nèi)煙氣溫度、速度、組分濃度分布，爐管內(nèi)外壁溫度分布，爐管熱通量分布以及管內(nèi)裂解氣溫度、速度、組分濃度分布，從而更加準(zhǔn)確了解二氯乙烷裂解爐內(nèi)在特性，為裂解爐的操作優(yōu)化、工藝改造、新的工藝設(shè)計等提供理論支持。
—種工業(yè)二氯乙烷裂解爐爐膛及爐管耦合數(shù)值建模方法，包括以下步驟:
步驟1:確定待模擬二氯乙烷裂解爐爐膛爐管尺寸，針對爐膛和爐管進(jìn)行網(wǎng)格劃分；根據(jù)工藝參數(shù)確定邊界條件，包括:側(cè)壁燒嘴的燃?xì)膺M(jìn)口流量，進(jìn)風(fēng)口流量以及反應(yīng)管入口氣體流量和溫度，爐墻熱損失系數(shù)，爐膛煙氣出口壓力與爐管裂解氣出口壓力；
步驟2:建立爐膛模型:
步驟2.1:爐膛內(nèi)煙氣流動模型采用基于雷諾平均方程的標(biāo)準(zhǔn)k_ ε雙方程模型建立封閉模型；
步驟2.2:爐膛內(nèi)燃料氣采用一級串聯(lián)燃燒反應(yīng)模型，燃燒時流動模型采用有限速率/渦耗散模型；
步驟2.3:爐膛內(nèi)輻射傳熱模型采用離散坐標(biāo)模型，爐膛煙氣采用多灰氣加權(quán)模型計算其輻射特性；
步驟3:建立爐管模型:
步驟3.1:爐管內(nèi)二氯乙烷裂解反應(yīng)采用一級串聯(lián)反應(yīng)模型，裂解反應(yīng)動力學(xué)符合阿倫利烏斯公式；
步驟3.2:確定爐管模型中氣體密度、熱容、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)計算公式的參數(shù)；
步驟4:基于爐膛與爐管存在嚴(yán)重?zé)崃狂詈详P(guān)系及步驟I中所獲取的初始條件和邊界條件，爐管外壁溫度和爐管熱通量作為爐膛模型與爐管模型數(shù)值求解時相互的迭代耦合變量，進(jìn)行爐膛及爐管模型的循環(huán)迭代，直至模型收斂，得到模型涉及各參量值。
進(jìn)一步，所述步驟I中針對爐膛和爐管進(jìn)行網(wǎng)格劃分，爐膛內(nèi)燒嘴區(qū)、爐管區(qū)采用四面體單元用來劃分網(wǎng)格；爐膛其他區(qū)域采用六面體單元用來劃分網(wǎng)格；爐管模型中爐管直管壁面采用六面體單元來劃分網(wǎng)格；彎管采用混合體單元劃分網(wǎng)格。
進(jìn)一步，所述步驟2、步驟3中，爐管和爐膛墻壁面視為非滑移邊界；在壁面附近粘性底層中，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)逼近實(shí)際過程的流動與換熱；爐膛墻壁上的熱邊界通過熱損失賦予熱通量邊界條件；爐管壁面邊界采用自定義函數(shù)賦給管壁，在爐管模型中，爐管外壁熱通量自定義函數(shù)定義為Q (X) =a1+b1x+c1x2+d1x3+e1x4+f1x5,在爐膛模型中，爐管外壁溫度自定義函數(shù)定義為 T (X) =a2+b2x+c2x2+d2x3+e2x4+f2x5,其中 a” C1^ Cl1 >a2、b2、c2、d2、e2、f2為待擬合的參數(shù)，X為沿著爐管徑向的坐標(biāo)；Q為熱通量，T為爐管外壁溫度；
進(jìn)一步，所述步驟2.2中一級串聯(lián)燃燒模型為:
權(quán)利要求
1.一種工業(yè)二氯乙烷裂解爐爐膛及爐管耦合數(shù)值建模方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:確定待模擬二氯乙烷裂解爐爐膛爐管尺寸，針對爐膛和爐管進(jìn)行網(wǎng)格劃分；根據(jù)工藝參數(shù)確定邊界條件，包括:側(cè)壁燒嘴的燃?xì)膺M(jìn)口流量，進(jìn)風(fēng)口流量以及反應(yīng)管入口氣體流量和溫度，爐墻熱損失系數(shù)，爐膛煙氣出口壓力與爐管裂解氣出口壓力； 步驟2:建立爐膛模型: 步驟2.1:爐膛內(nèi)煙氣流動模型采用基于雷諾平均方程的標(biāo)準(zhǔn)k- ε雙方程模型建立封閉模型； 步驟2.2:爐膛內(nèi)燃料氣采用一級串聯(lián)燃燒反應(yīng)模型，燃燒時流動模型采用有限速率/渦耗散模型； 步驟2.3:爐膛內(nèi)輻射傳熱模型采用離散坐標(biāo)模型，爐膛煙氣采用多灰氣加權(quán)模型計算其輻射特性； 步驟3:建立爐管模型: 步驟3.1:爐管內(nèi)二氯乙烷裂解反應(yīng)采用一級串聯(lián)反應(yīng)模型，裂解反應(yīng)動力學(xué)符合阿倫利烏斯公式； 步驟3.2:確定爐管模型中氣體密度、熱容、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)計算公式的參數(shù)； 步驟4:基于爐膛與爐管存在嚴(yán)重?zé)崃狂詈详P(guān)系及步驟I中所獲取的初始條件和邊界條件，爐管外壁溫度和爐管熱通量作為爐膛模型與爐管模型數(shù)值求解時相互的迭代耦合變量，進(jìn)行爐膛及爐管模型的循環(huán)迭代，直至模型收斂，得到模型涉及各參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種工業(yè)二氯乙烷裂解爐爐膛及爐管耦合數(shù)值建模方法，其特征在于，所述步驟I中針對爐膛和爐管進(jìn)行網(wǎng)格劃分，爐膛內(nèi)燒嘴區(qū)、爐管區(qū)采用四面體單元用來劃分網(wǎng)格；爐膛其他區(qū)域采用六面體單元用來劃分網(wǎng)格；爐管模型中爐管直管壁面采用六面體單元來劃分網(wǎng)格；彎管采用混合體單元劃分網(wǎng)格。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種工業(yè)二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內(nèi)裂解反應(yīng)的耦合數(shù)值建模方法，其特征在于，所述步驟2、步驟3中，爐管和爐膛墻壁面視為非滑移邊界；在壁面附近粘性底層中，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)逼近實(shí)際過程的流動與換熱；爐膛墻壁上的熱邊界通過熱損失賦予熱通量邊界條件；爐管壁面邊界采用自定義函數(shù)賦給管壁，在爐管模型中，爐管外壁熱通量自定義函數(shù)定義為Q (X) =a1+b1x+c1x2+d1x3+e1x4+f1x5,在爐膛模型中，爐管外壁溫度自定義函數(shù)定義為T (X) =a2+b2x+c2x2+d2x3+e2x4+f2x5,其中a:、t^、C1'屯、e:、fi> a2、b2、C2> d2、e2、f2為待擬合的參數(shù)，x為沿著爐管徑向的坐標(biāo)；Q為熱通量，T為爐管外壁溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種工業(yè)二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內(nèi)裂解反應(yīng)的耦合數(shù)值建模方法，其特征在于，所述步驟2.2中一級串聯(lián)燃燒模型為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種工業(yè)二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內(nèi)裂解反應(yīng)的率禹合數(shù)值建模方法，其特征在于，步驟2.1中基于雷諾平均Navier-Stokes方程的標(biāo)準(zhǔn)k- ε雙方程模型建立封閉的數(shù)學(xué)模型，質(zhì)量、動量、湍動能、湍動能的耗散率、能量和組分輸運(yùn)方程如下式表示:
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種工業(yè)二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內(nèi)裂解反應(yīng)的耦合數(shù)值建模方法，其特征在于，步驟2.3中輻射傳熱模型采用離散坐標(biāo)模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
7.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種工業(yè)二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內(nèi)裂解反應(yīng)的耦合數(shù)值建模方法，其特征在于，步驟3.1 二氯乙烷裂解氣一級串聯(lián)裂解反應(yīng)為二氯乙烷氯乙烯副產(chǎn)物， 其動力學(xué)符合阿倫利烏斯公式，化學(xué)反應(yīng)速率由下式表示:
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內(nèi)裂解反應(yīng)的耦合數(shù)值建模方法，其特征在于，爐膛模型收斂條件為爐膛模型得到一組新的管壁上熱通量與前一次計算得的管壁上熱通量相比達(dá)到預(yù)設(shè)精度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內(nèi)裂解反應(yīng)的耦合數(shù)值建模方法，其特征在于，爐管模型收斂條件為爐管模型得到一組新的管壁溫度與前一次計算得的爐管外壁溫度相比達(dá)到預(yù)設(shè)精度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種工業(yè)二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內(nèi)裂解反應(yīng)的耦合數(shù)值建模方法，此方法在建模中將二氯乙烷裂解爐分成爐膛模型與爐管模型，并分別對爐膛爐管劃分網(wǎng)格。爐膛以爐管模型給出的管外壁溫度作為邊界條件，利用燃燒模型，流動模型，傳熱模型計算出爐膛煙氣溫度，速度，組分濃度等重要爐膛參數(shù)分布；爐管則以爐膛計算出的爐管熱通量為邊界條件，利用管內(nèi)裂解反應(yīng)模型，考慮管內(nèi)質(zhì)量守恒，動量守恒，能量守恒關(guān)系計算出沿著管長方向的過程氣溫度，壓力，濃度分布，從而有利分析當(dāng)前操作條件下，二氯乙烷裂解轉(zhuǎn)化率，選擇性，單耗等重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，有利于指導(dǎo)現(xiàn)場工藝優(yōu)化。且此建模方法適用于各類高溫裂解爐，有著廣泛的適應(yīng)性。
文檔編號G06F17/50GK103150433SQ20131007237
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月7日
發(fā)明者錢鋒, 鐘偉民, 杜文莉, 程輝 申請人:華東理工大學(xué)