[发明专利]工业二氯乙烷裂解炉炉膛燃烧及炉管内裂解反应的耦合数值建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种过程装置建模方法，尤其是一种工业二氯乙烷裂解炉炉膛燃烧及炉管内裂解反应的耦合数值建模方法。 

背景技术

二氯乙烷裂解炉是氯乙烯生产装置的核心单元及用能大户，整个氯乙烯装置效益与裂解炉的设计和操作水平息息相关，氯乙烯生产装置经济效益提升的关键在于高水平设计以及如何优化裂解炉的操作条件。目前我国大多数二氯乙烷裂解技术和装置大多从国外全套引进，先进成熟的氯乙烯装置的引进为我国氯乙烯工业的发展提供了较高的起点。但是我国二氯乙烷裂解操作水平总体落后于世界先进水平，二氯乙烷裂解转化率低，选择性低，单耗高。而专利商对关键技术的保密，使我国对二氯乙烷裂解工艺机理的掌握不够深入，技术水平难以取得实质性突破。国内对裂解炉内部物质流体流动、传热、传质、化学反应认识不够清晰，缺乏足够的理论支持，使得在裂解炉的改造和国产裂解炉的设计时，主要是模仿国外技术，没有理论依据，常使得改造及设计不得当，或者当裂解原料和操作条件发生变化时，只能依靠经验确定操作参数，所以在设计与操作上带有一定盲目性，装置潜能未得到充分发挥。因此一味地引进国外成套技术并加以模仿改造，而不注意从根本的、基础的技术上消化吸收再创新，那么我国氯乙烯裂解生产技术将总是落后于世界领先水平，在国际上缺乏竞争力。 

为了全面掌握二氯乙烷裂解炉的运行机理，掌握炉膛与炉管之间的热量耦合关系，认识对二氯乙烷裂解炉运行周期，二氯乙烷裂解转化率、选择性、单耗等重要性能指标造成重要影响的关键参数，对二氯乙烷裂解炉进行机理建模显得尤为重要。以往二氯乙烷裂解炉数学模型的研究开发把重点放在裂解反应动力学的描述上，未将裂解反应与流动和传热 之间的相互影响考虑在内，对反应管内流体流动与传热过程做了很大的简化。在炉膛的模拟研究中，主要是对辐射传热过程的模拟，它们在采用罗伯-伊万斯法、别洛康法、区域法等简化的方法计算炉膛内的辐射传热过程，未对燃料燃烧机理过程进行模拟，而是简单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。 

随着计算机计算能力大幅攀升，复杂耗时的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）已成为在解决涉及流体流动的各个领域的重要方法，如机械制造，化工等诸多领域。CFD是流体力学的一个分支，利用详细的数值模拟方法替代解析法求解非线性偏微分方程，解决了许多理论流体力学无法解决的问题。绝大多数工程问题工程中的流动、传热、传质及反应过程的非线性动量、热量、质量及组分守恒方程组都可以利用CFD对其进行离散化处理，把原来在空间坐标中连续的物理量的场（速度场、温度场、浓度场等），用很多离散点上的变量值的集合来代替，并建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，在已知边界条件下封闭离散方程组，进行数值求解，以获得物理量场的近似解，给出整个研究体系中各物理量（如：速度、温度和浓度等）的分布。准确流动、传热、传质及反应等过程的细节。狭义的CFD只研究流体流动现象，但是随着其他各研究领域（如：燃烧、辐射及化学反应等）的不断发展，使CFD的触角越伸越长，覆盖面也越来越广。如在化工领域内，可以将描述化学反应的反应模型与流动模型相结合进行反应器模拟；有效模拟反应器等设备内的反应及流动情况。因此，从理论上讲，凡是存在流体流动的场合，CFD方法都能行之有效的发挥作用。所以将CFD技术引入到二氯乙烷裂解炉的机理建模中，将有助于更清楚了解二氯乙烷裂解炉膛炉管热量耦合，流场分布等重要信息。这将进一步为乙烯裂解炉的设计和改造，优化操作以及新技术的开发，提供强有力的理论与数据支持，从而可以为二氯乙烷裂解炉国产化及老旧改造提供技术支撑。 

发明内容

为了解决上述现有模型的不足,本发明全面系统地分析了二氯乙烷裂解炉反应管内物质流动、传热、传质和裂解反应以及炉膛内流动、传热、传质和燃烧反应等复杂过程，同时分析了这些复杂过程之间强烈的耦合作用，基于流体力学的湍流流动模型、辐射传热模型、燃烧模型和裂解反应动力学模型，将裂解炉反应管内传递和裂解反应过程与炉膛中燃烧传热过程相耦合，设计了一种工业二氯乙烷裂解炉炉膛燃烧及炉管内裂解反应的耦合数值建模方法。