專利名稱：工業二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內裂解反應的耦合數值建模方法
技術領域：
本發明涉及一種過程裝置建模方法，尤其是一種工業二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內裂解反應的耦合數值建模方法。
背景技術：
二氯乙烷裂解爐是氯乙烯生產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計和操作水平息息相關，氯乙烯生產裝置經濟效益提升的關鍵在于高水平設計以及如何優化裂解爐的操作條件。目前我國大多數二氯乙烷裂解技術和裝置大多從國外全套引進，先進成熟的氯乙烯裝置的引進為我國氯乙烯工業的發展提供了較高的起點。但是我國二氯乙烷裂解操作水平總體落后于世界先進水平，二氯乙烷裂解轉化率低，選擇性低，單耗高。而專利商對關鍵技術的保密，使我國對二氯乙烷裂解工藝機理的掌握不夠深入，技術水平難以取得實質性突破。國內對裂解爐內部物質流體流動、傳熱、傳質、化學反應認識不夠清晰，缺乏足夠的理論支持，使得在裂解爐的改造和國產裂解爐的設計時，主要是模仿國外技術，沒有理論依據，常使得改造及設計不得當，或者當裂解原料和操作條件發生變化時，只能依靠經驗確定操作參數，所以在設計與操作上帶有一定盲目性，裝置潛能未得到充分發揮。因此一味地引進國外成套技術并加以模仿改造，而不注意從根本的、基礎的技術上消化吸收再創新，那么我國氯乙烯裂解生產技術將總是落后于世界領先水平，在國際上缺乏競爭力。
為了全面掌握二氯乙烷裂解爐的運行機理，掌握爐膛與爐管之間的熱量耦合關系，認識對二氯乙烷裂解爐運行周期，二氯乙烷裂解轉化率、選擇性、單耗等重要性能指標造成重要影響的關鍵參數，對二氯乙烷裂解爐進行機理建模顯得尤為重要。以往二氯乙烷裂解爐數學模型的研究開發把重點放在裂解反應動力學的描述上，未將裂解反應與流動和傳熱之間的相互影響考慮在內，對反應管內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、區域法等簡化的方法計算爐膛內的輻射傳熱過程，未對燃料燃燒機理過程進行模擬，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。
隨著計算機計算能力大幅攀升,復雜耗時的計算流體力學(Computational FluidDynamics,簡稱CFD)已成為在解決涉及流體流動的各個領域的重要方法，如機械制造，化工等諸多領域。CFD是流體力學的一個分支，利用詳細的數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無法解決的問題。絕大多數工程問題工程中的流動、傳熱、傳質及反應過程的非線性動量、熱量、質量及組分守恒方程組都可以利用CFD對其進行離散化處理，把原來在空間坐標中連續的物理量的場(速度場、溫度場、濃度場等)，用很多離散點上的變量值的集合來代替，并建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，在已知邊界條件下封閉離散方程組，進行數值求解，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。準確流動、傳熱、傳質及反應等過程的細節。狹義的CFD只研究流體流動現象，但是隨著其他各研究領域(如:燃燒、輻射及化學反應等)的不斷發展，使CFD的觸角越伸越長，覆蓋面也越來越廣。如在化工領域內，可以將描述化學反應的反應模型與流動模型相結合進行反應器模擬；有效模擬反應器等設備內的反應及流動情況。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揮作用。所以將CFD技術引入到二氯乙烷裂解爐的機理建模中，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。這將進一步為乙烯裂解爐的設計和改造，優化操作以及新技術的開發，提供強有力的理論與數據支持，從而可以為二氯乙烷裂解爐國產化及老丨H改造提供技術支撐。發明內容
為了解決上述現有模型的不足，本發明全面系統地分析了二氯乙烷裂解爐反應管內物質流動、傳熱、傳質和裂解反應以及爐膛內流動、傳熱、傳質和燃燒反應等復雜過程，同時分析了這些復雜過程之間強烈的耦合作用，基于流體力學的湍流流動模型、輻射傳熱模型、燃燒模型和裂解反應動力學模型，將裂解爐反應管內傳遞和裂解反應過程與爐膛中燃燒傳熱過程相耦合，設計了一種工業二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內裂解反應的耦合數值建模方法。
本發明的模型，由爐膛模型和爐管模型組成，其中:爐膛模型中，根據燃料和空氣的混合程度采用全預混模式；燃料氣的燃燒采用簡化的一級串聯燃燒模型；燃燒化學反應采用湍流-化學反應相互作用模型——渦耗散模型；爐膛煙氣流動采用雷諾平均模型，并采用標準的k-ε雙方程模型封閉其中的湍流項；爐膛煙氣輻射傳熱模型采用離散坐標模型，并采用多灰氣加權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的裂解反應；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。由此可以爐膛內煙氣溫度、速度、組分濃度分布，爐管內外壁溫度分布，爐管熱通量分布以及管內裂解氣溫度、速度、組分濃度分布，從而更加準確了解二氯乙烷裂解爐內在特性，為裂解爐的操作優化、工藝改造、新的工藝設計等提供理論支持。
—種工業二氯乙烷裂解爐爐膛及爐管耦合數值建模方法，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，針對爐膛和爐管進行網格劃分；根據工藝參數確定邊界條件，包括:側壁燒嘴的燃氣進口流量，進風口流量以及反應管入口氣體流量和溫度，爐墻熱損失系數，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:爐膛內煙氣流動模型采用基于雷諾平均方程的標準k_ ε雙方程模型建立封閉模型；
步驟2.2:爐膛內燃料氣采用一級串聯燃燒反應模型，燃燒時流動模型采用有限速率/渦耗散模型；
步驟2.3:爐膛內輻射傳熱模型采用離散坐標模型，爐膛煙氣采用多灰氣加權模型計算其輻射特性；
步驟3:建立爐管模型:
步驟3.1:爐管內二氯乙烷裂解反應采用一級串聯反應模型，裂解反應動力學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、導熱系數和擴散系數計算公式的參數；
步驟4:基于爐膛與爐管存在嚴重熱量耦合關系及步驟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值求解時相互的迭代耦合變量，進行爐膛及爐管模型的循環迭代，直至模型收斂，得到模型涉及各參量值。
進一步，所述步驟I中針對爐膛和爐管進行網格劃分，爐膛內燒嘴區、爐管區采用四面體單元用來劃分網格；爐膛其他區域采用六面體單元用來劃分網格；爐管模型中爐管直管壁面采用六面體單元來劃分網格；彎管采用混合體單元劃分網格。
進一步，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，采用標準壁面函數逼近實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賦給管壁，在爐管模型中，爐管外壁熱通量自定義函數定義為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，X為沿著爐管徑向的坐標；Q為熱通量，T為爐管外壁溫度；
進一步，所述步驟2.2中一級串聯燃燒模型為:
權利要求
1.一種工業二氯乙烷裂解爐爐膛及爐管耦合數值建模方法，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，針對爐膛和爐管進行網格劃分；根據工藝參數確定邊界條件，包括:側壁燒嘴的燃氣進口流量，進風口流量以及反應管入口氣體流量和溫度，爐墻熱損失系數，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:爐膛內煙氣流動模型采用基于雷諾平均方程的標準k- ε雙方程模型建立封閉模型； 步驟2.2:爐膛內燃料氣采用一級串聯燃燒反應模型，燃燒時流動模型采用有限速率/渦耗散模型； 步驟2.3:爐膛內輻射傳熱模型采用離散坐標模型，爐膛煙氣采用多灰氣加權模型計算其輻射特性； 步驟3:建立爐管模型: 步驟3.1:爐管內二氯乙烷裂解反應采用一級串聯反應模型，裂解反應動力學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、導熱系數和擴散系數計算公式的參數； 步驟4:基于爐膛與爐管存在嚴重熱量耦合關系及步驟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值求解時相互的迭代耦合變量，進行爐膛及爐管模型的循環迭代，直至模型收斂，得到模型涉及各參數。
2.根據權利要求1中所述的一種工業二氯乙烷裂解爐爐膛及爐管耦合數值建模方法，其特征在于，所述步驟I中針對爐膛和爐管進行網格劃分，爐膛內燒嘴區、爐管區采用四面體單元用來劃分網格；爐膛其他區域采用六面體單元用來劃分網格；爐管模型中爐管直管壁面采用六面體單元來劃分網格；彎管采用混合體單元劃分網格。
3.根據權利要求1中所述的一種工業二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內裂解反應的耦合數值建模方法，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，采用標準壁面函數逼近實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賦給管壁，在爐管模型中，爐管外壁熱通量自定義函數定義為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，x為沿著爐管徑向的坐標；Q為熱通量，T為爐管外壁溫度。
4.根據權利要求1中所述的一種工業二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內裂解反應的耦合數值建模方法，其特征在于，所述步驟2.2中一級串聯燃燒模型為:
5.根據權利要求1中所述的一種工業二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內裂解反應的率禹合數值建模方法，其特征在于，步驟2.1中基于雷諾平均Navier-Stokes方程的標準k- ε雙方程模型建立封閉的數學模型，質量、動量、湍動能、湍動能的耗散率、能量和組分輸運方程如下式表示:
6.根據權利要求1中所述的一種工業二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內裂解反應的耦合數值建模方法，其特征在于，步驟2.3中輻射傳熱模型采用離散坐標模型，其數學表達式為:
7.根據權利要求1中所述的一種工業二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內裂解反應的耦合數值建模方法，其特征在于，步驟3.1 二氯乙烷裂解氣一級串聯裂解反應為二氯乙烷氯乙烯副產物， 其動力學符合阿倫利烏斯公式，化學反應速率由下式表示:
8.根據權利要求1所述的一種工業二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內裂解反應的耦合數值建模方法，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到預設精度。
9.根據權利要求1所述的一種工業二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內裂解反應的耦合數值建模方法，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到預設精度。
全文摘要
本發明提供一種工業二氯乙烷裂解爐爐膛燃燒及爐管內裂解反應的耦合數值建模方法，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，利用管內裂解反應模型，考慮管內質量守恒，動量守恒，能量守恒關系計算出沿著管長方向的過程氣溫度，壓力，濃度分布，從而有利分析當前操作條件下，二氯乙烷裂解轉化率，選擇性，單耗等重要經濟指標，有利于指導現場工藝優化。且此建模方法適用于各類高溫裂解爐，有著廣泛的適應性。
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 優先權日2013年3月7日
發明者錢鋒, 鐘偉民, 杜文莉, 程輝 申請人:華東理工大學