（化学工程与技术专业论文）乙烯裂解炉椭圆炉管强化传热的数值模拟.pdf

学位论文数据集 中图分类号t q 0 5 4学科分类号 13 0 2 5 6 4 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 10 0 7 6 密级公开 学位授予单位代码 10 0 1o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名李瑞妍学号 2 0 0 8 0 0 0 0 7 6 获学位专业名称 化学工程与技术 获学位专业代码 0 8 l7 0 1 课题来源其他项目研究方向计算流体力学 论文题目 乙烯裂解炉非均匀性及其影响的数值模拟研究 关键词椭圆管，乙烯裂解炉，强化传热，数值模拟，炉管 论文答辩日期2 0 1 0 年5 月2 8 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师贾志刚高工北京化工大学化工机械 评阅人l张建文教授北京化工大学多相流传递 评阅人2孙巍副教授北京化工大学化工系统工程 评阅人3 评阅人4 评阅人5 椭员纵陈晓春教授北京化工大学化学工程 答辩委员1丁忠伟教授北京化工大学化学工程 答辩委员2刘伟教授北京化工大学化学工程 答辩委员3贾志刚高工北京化工大学化工机械 答辩委员4孙巍副教授北京化工大学故障诊断 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 乙烯裂解炉椭圆炉管强化传热的数值模拟 摘要 管式裂解炉是乙烯生产装置的关键设备，乙烯裂解炉的传热效率对节 约能源和提高乙烯收率有至关重要的作用。强化传热技术可提高乙烯裂解 炉的传热效率，节约能源，提高乙烯产率。因此，不断采用新技术以强化 乙烯裂解炉的传热具有十分重要的意义。 本文利用计算流体力学( c f d ) 的方法，对k t i 公司的g k v 型乙 烯裂解炉l 4 炉膛的辐射段进行了数值模拟；并模拟了炉管截面形状为椭 圆形的裂解炉内的传热和裂解反应；上述椭圆形炉管截面的面积和圆形面 积相等，分别选取了1 1 、1 2 、1 3 、1 4 四个椭圆率。结果显示椭圆形炉 管的整个炉膛的辐射情况较好，炉管受热均匀，管壁平均热通量高。椭圆 形炉管出口温度比圆形炉管的出口温度高，所以乙烯收率增大；丙烯收率 小于圆管的丙烯收率，因为椭圆管在接近出口处有明显的二次反应，而圆 管的二次反应不明显。不同椭圆率的炉管相比，随着炉管截面椭圆率的增 大，炉管吸收的总热量和乙烯收率增大，丙烯收率逐渐下降。当炉管椭圆 率为1 3 时，乙烯和丙烯收率之和最大。本文研究结果显示，椭圆形截面 的炉管可以改善整个炉膛的辐射情况，达到强化传热的效果。 关键词：椭圆管，乙烯裂解炉，强化传热，数值模拟，炉管 摘经 n u m e r i c a ls l m u l a t i o no ft h e e n h a n c e m e n to fhe a tt r a n s f e ri na n e t h y l e n ec r a c n gf u r n a c ew i t h e l l i p t i c a lc o i l s a b s t r a c t t h ec r a c k i n g 如m a c ew a sak e yd e v i c ei nt h ee t h y l e n e p l a n t t h e e 伍c i e n c yo fh e a t - 仃a n s f e r w a si m p o n a n tf o re n e 略yc o n s e r v a t i o na n d i m p r o v i n gt h ee t h y l e n e 如e l d t h et e c l 1 0 l o g yt 0e i l l l a n c eh e a t t 砌s f e rc a n i m p r o v et h eh e a t - t r a n s f e re f j f i c i e n c ya n de t h y l e n e 如e l d a tt h es a m et i m e ， e n e r g yw a ss a v e d i ti ss i g l l i f i c a n tt os t l l d yt h e s en e wt e c h n o l o g i e s t h er a d i a t i o ns e c t i o no fl 4k t ig k ve t h v l e n ec r a c k i n gm m a c e n u m e r i c a ls i m u l a t e db yc o m m e r c i a lc o m p u t a t i o n a ln u i dd l a m i c ss o 自w a r e ： h e a tt r a i l s f e ra n dp y r o l y s i sr e a c t i o ni nt h ec r a c 妯n g 如m a c ew i t he l l i p t i c a l c o i l sw e r es i n 】【u l a t e d c r o s ss e c t i o n so fb o t ht u b eh e sw e r ei d e n t i c a li na | r e a e 1 1 i p t i c i t i e sw e r e1 1 ，1 2 ，1 3 ， 1 4r e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h er e s u l t ， r a d i a t i o ni nt h ec r a c k i n g 如m a c ew i t he l l i p t i c a lc o i l sw a si m p r o v e d ，h e a t d i s t r i b u t i o no ft h ec o i l sw a sm o r eu n i f o ma n da v e r a g eh e a tn u xw a sh i2 h e r c o to ft h ee l l i p t i c a lc o i l sw a sm i s e d ，s oe t h v l e n e 如e l dw a si m p r o v e d t h e t e n d e n c yo fs e c o n d 刮r yr e a c t i o ni nt h ee l l i p t i c a lc o i l sw a ss i g n i f i c a n ta n d p r o p v l e n ey i e l dw a sl o w e r c o m p a r e dw i t ht h ec o i lo fd i f f e r e n te l l i p t i c i t i e s ， t o t a lh e a tt h a tt h ec o i la b s o 而e d ，e t h y l e n e 昕e l di n c r e a s e d ，a n dt h e 啊e l do f p r o p v l e n ed e c r e a s e da st h ee l l i p t i c i t i e sr a i s e d w h e nt h ec o i lo fe l l i p t i c i t i e s w a s1 3t h et o t a l 昕e l do fe t h y l e n ea n dp r o p y l e n er e a c h e dt h em a x i i n u m a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，r a d i a t i o ni nt h ec r a c b n gf h m a c ew i t he l l i p t i c a lc o i l s w e r ei m p r o v e db e t t e r e n h a n c e m e n to fh e a t t r a n s f e rc a m et m e k e y w o r d s ：e 1 1 i p t i c a lc o i l ，e t h y l e n ec r a c l ( i n g 如m a c e ，e n h a n c e m e n to f h e a t - t r a n s f 打，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c o i l 日录 目录 第一章绪论1 1 1 课题的研究意义1 1 2 乙烯裂解炉强化传热研究进展1 1 2 1 椭圆管在强化传热中的应用2 1 2 2 炉管结构的研究3 1 2 3 新型燃烧器的应用5 1 3 本文的研究内容6 第二章数学模型的建立7 2 1 辐射段的几何模型7 2 2 基本方程9 2 3 湍流模型1 0 2 4 辐射模型1 1 2 5 反应动力学模型1 2 2 6 燃烧反应动力学模型1 3 2 7 裂解反应动力学模型1 4 第三章裂解原料和工况1 5 3 1 裂解原料1 5 3 2 计算工况1 5 3 2 1 计算边界条件1 6 3 2 2 耦合计算方法1 6 第四章计算结果分析1 7 4 1 炉膛计算结果分析1 7 4 1 1 炉膛烟气温度分布1 7 4 1 2 壁面温度分布2 0 4 2 炉管计算结果分析2 1 4 2 1 炉管壁面热边界条件2 3 4 2 2 裂解产物的质量分数分布3 4 4 3 炉管分布的不均匀性研究4 7 4 3 1 炉管内的流动特性4 7 4 3 2 炉管温度分布的不均匀性4 9 v 日录 4 3 3 炉管乙烯分布的不均匀性5 1 4 3 4 炉管丙烯分布的不均匀性5 4 4 4 小结5 7 第五章结论5 9 5 1 研究内容与结论5 9 5 2 课题展望5 9 参考文献6 l 致谢6 5 研究成果及发表的学术论文6 7 作者及导师简介6 9 v i h 录 c o n t e n t s c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1p u r p o s eo ft h es t u d y 1 1 2s t u d yo fe n h a n c e m e n to fh e a t t r a n s f e ri nc r a c k i n gf u r n a c e l 1 2 1a p p l i c a t i o no fe l l i p t i c a lc o i li ne n h a n c e m e n to fh e a t t r a n s f e r 2 1 2 2s t u d vo ft h ec o i ls t r u c t u r e 3 1 2 3a p p l i c a t i o no fn e wb u r n e r 5 1 3t h em a i nc o n t e n ta n dp u r p o s eo ft h es t u d y 6 c h a p t e r 2b u i l d i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e i 7 2 1g e o m e t r i cm o d e l 7 2 2g o v e r n i n ge q u a t i o n s 9 2 3t u r b u l e n c em o d e l 1 0 2 4r a d i a t i o nm o d e l 1 1 2 5k i n e t i c sm o d e lo fr e a c t i o n 1 2 2 6k i n e t i c sm o d e lo fc o m b u s t i o nr e a c t i o n 1 3 2 7k i n e t i c sm o d e lo fp y r o l y s i sr e a c t i o n i 1 4 c h a p t e r 3p y r o l y s i sf e e d s t o c ka n do p e r a t i n gp a r a m e t e r s 15 3 1p y r o l y s i sf e e d s t o c k 1 5 3 2o p e r a t i n gp a r a m e t e r s 1 5 3 2 1b o u n d a r vc o n d i t i o n s 1 6 3 2 2c o u p l i n gm e t h o d 1 6 c h a p t e r 4r e s u l t sa n da n a l y s i s 1 7 4 1r e s u l t sa n da n a l v s i sf i r e b o x 1 7 4 1 1t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ff l u eg a si nf i r e b o x 1 7 4 1 2c o n t o u r so ft e m d e r a t u r eo fc o i l s 2 0 4 2r e s u l t sa n da n a l y s i sc o 订2 1 4 2 1b o u n d a r vc o n d i t i o no fc o i l 2 3 4 2 2y i e l do fp r o d u c t si nc o i l s 3 5 4 3n o n u n i f o r mo ft h ed i s t r i b u t i o na l o n gc i r c u m f e r e n t i a l 4 7 4 3 1f l o wc h a r a c t e r i s t i c si nc o i l s 4 7 4 3 2n o n u n i f o r mo ft e m d e r a t u r ed i s t r i b u t i o n5 0 v i i 日录 4 3 3n o n u n l 士。o r mo fe t h y l e n ed i s t r i b u t i o n 5 2 4 3 4n o n u n i f o r mo fp r o p y l e n ed i s t r i b u t i o n 5 5 4 4s u m m a r i z a t i o n 5 8 c h a p t e r5c o n c l u s i o n s 5 9 5 1r e s e a r c hc o n t e n ta n dc o n c l u s i o n s 5 9 5 2p r o s p e c to ft h i ss t u d y 5 9 r e f b r e n c e s 6 1 a c k n o w l e d g e 6 5 r e s e a r c hr e s u l t sa n dp u b l i s h e dp a p e r s 6 7 i n t r o d u c t i o no f a u t h o ra n ds u p e r v i s o r 6 9 v i i i 符i j 说i9 j 符号说明 第，个反应方程的指前因子；与反应级数有关 雷诺准数 时间 反应活化能；j m o l 。1 体积力；n m - 3 辐射强度；无凶次 由p l a i l c k 定律确定的黑体辐射强度；无因次 湍流动能；m 2 s 2 第厂个反应方程的反应速率常数；与反应级数有关 炉管长度百分数： 总的数据变动平方和；与自变量相关 组分，在混和物中的质量分数：无因次 折射系数；无因次 压力；p a 辐射传热项；j k 9 1 坐标点的位置向量；矢量 回归方程的复相关系数；无因次 第，种组分关于第，个反应的生成速率；m o l m 。3 光程长；m - 1 热辐射方向向量；矢量 散射的方向向量；矢量 流体的体积膨胀率，即速度散度；s 。1 温度；k 速度向量；m s _ l 一 流动变量 合速度；m s i 直角坐标系第f 个方向分量； 第f 个自变量； 产率； 质量分数； 第f 个因变量： 反应产物p 的质量分数；无因次 i x 4 尼，e f ，k r h三0竹疗 p尹r肌s；s丁 坼u 矿 麓五 y y k 耳 符l j 说1 9 j 特定反应物尺的质量分数；无因次 吸收系数；无因次 波长为五的光谱吸收系数；无因次 斯蒂芬玻耳兹曼常数；w m k 4 散射系数：无因次 湍流动能耗散率；m 2 s 。3 流体混合物密度：埏m o 光波的波长；m 粘性应力；p a 流体的动力粘性系数；k g m s 1 湍流粘度；k g m i s i 相位函数；无因次 空间立体角；r a d 热交换系数；w m - l k - l 管壁温度；k 当地流体温度；k 辐射热通量：w x 口 吃仃 占 p 兄 f 肼d砖凡弓 第帝绪论 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 石油化工是推动经济发展的支柱产业之一，乙烯作为石油化工的重要基础原料， 其生产能力是衡量一个国家石油化工水平的重要标志。随着我国国民经济的快速发展， 对乙烯及其衍生物需求不断增大。 目前，我国加快乙烯工业发展步伐，将乙烯工业的国产化放在首要位置，其中乙 烯裂解炉的研究和丌发成为我国发展乙烯工业的重点。裂解炉是乙烯工艺流程中的反 应器，裂解原料在裂解炉中经高温裂解生成乙烯、丙烯等短链烯烃，乙烯裂解炉的能 耗占乙烯装置能耗的绝大部分，因此乙烯裂解炉在乙烯生产装置中占有重要的位置。 如何提高乙烯产率，节约能源对于乙烯工业的发展至关重要n 】。 虽然目前裂解炉技术已经达到了较高的水平，乙烯收率较高，热效率较高，单台 裂解炉的裂解能力不断提高，但是裂解炉还存在一些问题。 乙烯裂解炉管环向和沿高度方向受热不均匀。由于燃烧器分布、炉管在炉膛中的 位置以及炉管截面形状造成了炉管受热不均匀，影响了炉管的平均热通量，使炉管寿 命不一致，目前常用的炉管为圆形截面的炉管，但是圆形截面炉管环向低温面积较大 受热不均匀；裂解炉的传热效率不高，最大管壁温度受限，所以出口温度不高，乙烯 收率较低。乙烯裂解炉还存在运行周期较短的问题，在生产过程中由于裂解炉结焦严 重，需要定期清焦，因此缩短了裂解炉的运行周期乜1 。 强化传热技术可提高传热效率，增大乙烯收率、减少烧焦成本、节约燃料和延长 裂解炉寿命。因此，不断采用新技术以强化乙烯裂解炉的传热具有十分重要的意义。 1 2 乙烯裂解炉强化传热研究进展 以前对于裂解炉强化传热的研究包括炉管结构的研究，通过调整炉管内外结构将 管外热量较快地传递给管内流体，使裂解原料能够较快的达到裂解反应温度，例如增 大裂解炉管的比表面积，或在管外壁添加一些构件。小直径管就是通过降低炉管直径 以增大比表面积实现强化传热口1 ；椭圆形炉管是通过扩大炉管比表面积来强化炉管传 热的，椭圆管强化传热在换热器中的应用较多。外加钉头管、直翅管和肋片管也用来 提高炉管的传热效率。研究显示外加钉头管流体在炉管初始阶段温度明显高于光滑圆 管，但是在出口管段两者流体温度相差不大，使用外加钉头管的裂解炉生产能力可以 提高1 0 h 1 。钉头、肋片和直翅也可以加在炉管内来强化传热。 第一章绪论 采用新型的燃烧器可以降低燃烧空气的过剩量，提高辐射室温度，也可以达到强 化传热的目的。 1 2 1 椭圆管在强化传热中的应用 椭圆管强化传热最早应用在换热器中，与圆管相比，在横截面积相等情况下传热 周边长，有利于传热。国内外许多专家针对椭圆管换热器开展了不同程度的研究。 1 9 6 2 年，b r a u e r 在紊流条件下( 4 1 0 3 o ，不需要考虑温度等其他环境条件，化学反应即可以进行。对 非预混的燃烧反应或化学反应来说，这与实际情况保持一致的。由于在预混的燃烧反 应或化学反应中，反应物进入流体的计算区域( 如燃烧器的上游) 便开始化学反应， 这与实际情况不一致。因此为了解决上述问题，f l u e n t 提供了f i i l i t e r a t e e d d y - d i s s i p a t i o n ( 有限速率涡流耗散) 模型，其中加t h e l l i u s 公式( 式2 1 1 ) 表示的反应速率和涡流耗 散公式表示的反应速率都进行计算。净反应速率取两个速率中较小的值。实际上，此 时l e i l i l l s 反应速率公式是体现出了温度、压力等环境条件的影响。一旦反应条件达 到了所设定的环境温度以及压力等，反应即开始，而由涡流耗散模型计算得到的反应 速率通常会小于由加t i l e i l i u s 公式计算得到的反应速率啪1 。 2 6 燃烧反应动力学模型 本文所用的燃料为氢气和甲烷的混合燃料，其中甲烷的质量分数为9 9 0 3 ，氢气 的质量分数为o 9 7 ，反应方程式如下3 ： 饼4 + 昙d 2 专c d + 2 2 d ( 2 1 4 ) 仍+ 二p 。专， ( 2 - 1 5 ) n 2 日2 + d 2 _ 2 日2 d ( 2 1 6 ) 2 7 裂 1 4 笫二三章裂斛原料和t 况 3 1 裂解原料 第三章裂解原料和工况 本文以石脑油为裂解原料，由于石脑油组成极为复杂，通常的分析方法是对其进 行p i o n a 分析，从而可以得到各族组分的平均质量分数h 刳。在设计手册中提供了该设 计条件下g k v 型裂解炉的主要原料的p i o n a 分析结果。本文采取胡益锋3 叫引的原料预 估方法，预估出了石脑油中的具体组分，利用该方法预估出的石脑油组分更接近实际 情况。本文中所用原料的p i o n a 分析数据见表3 1 。具体的分析数据结果见表3 2 。 表3 1 原料的p i o n a 分析数据及性质 t a b l e3 - 11 kp i o n a a l l a l ”i c a ld a t a 姐dp r o p e n yo fp y r o l y s i s 觎= d s t o c k 丙烷c 3 h s 0 0 01 4 碳十异构烷烃i c 1 0 h 2 2 0 0 2 9 9 正丁烷 c 4 h l o 0 0 0 6 l碳十一异构烷烃 i c il h 2 4 0 0 1 6 3 正戊烷 c 5 h 1 2 0 0 0 9 l碳五环烷烃 c - c 5 h 1 0 o 0 0 5 2 正己烷 c 6 h “ o 0 1 0 7 碳环烷烃 c c 6 h 1 2 0 0 1 5 9 正庚烷c 7 h 1 6 o 0 3 6 3 碳七环烷烃c c 7 h 1 4 0 0 2 7 2 正辛烷 c 8 h 1 8 0 0 5 3 9 碳八环烷烃 c c 8 h 1 6 o 0 3 6 9 正壬烷 c 9 h 2 0 0 0 6 1 7碳九环烷烃 c c 9 h 1 8 0 0 4 5 7 正癸烷 c l o h 2 2 o 0 2 8l 碳十环烷烃 c c l o h 2 0 0 0 3 5 8 正十一烷 c 1 1 h 2 4 o 0 1 2 4碳七烯烃 c 7 h 1 4 o 碳四异构烷烃 i c 4 h l o 0 0 0 6 5 碳六芳烃 c 6 h 6 0 0 1 0 6 碳五异构烷烃 i 5 h 1 2 0 0 0 6 7碳七芳烃 c 7 h 8 o 0 2 7 4 碳人异构烷烃 i c 6 h 1 4 o 0 3 6 0 碳八芳烃 c 8 h l o o 0 2 2 7 碳七异构烷烃 i 7 h 1 6 o 0 5 5 2碳九芳烃 c 9 h 1 2 o 碳八异构烷烃i c 8 h 1 8 0 0 3 5l 水h 2 0 0 3 3 3 3 碳九异构烷烃 i c 9 h 2 0 0 0 3 3 9 3 2 计算工况 1 5 第三学裂斛】吼料和r ：况 利用上述建立的三维几何模型以及表3 1 和表3 2 中的石脑油作为裂解原料进行数 值模拟。本文的主要操作参数见表3 3 。 表3 3g k v 型裂解炉的主要操作参数 ，l h b l e3 - 3m a i n0 p e r a t i n gd a t ao ft h eg k v 如m a c e 操作参数数值 裂解原料质鹫流餐( k g h 1 ) 6 7 5 0 水蒸气质量流量( k g h1 ) 3 3 7 5 稀释比( k g k g1 ) 0 5 进口温度k 8 8 2 出口温度k 1 1 0 5 进口压力m p ao 1 6 9 出口乐力m p a 0 1 2 2 侧肇燃烧器燃料流鼙( k g h ) 2 6 4 2 5 底部燃烧器燃料流量( k g h 。1 ) 6 1 6 2 5 过剩空气量8 o 3 2 1 计算边界条件 由于本文模拟的流体为可压缩理想气体，所以炉管进口边界类型采用质量流率进 口类型；出口边界类型采用压力出口类型。在模拟炉膛时，进口边界类型选择质量流 率进口，出口边界类型为压力出口类型。炉膛内的辐射传热对计算影响较大，而辐射 传热的重要参数为发射率。 由于炉膛内燃烧后的烟气中含有大量的c 0 2 和h 2 0 等非灰气体，所以本文采用非 灰气体加权和模型( w s g g m ) 来计算炉膛内气体的吸收系数，此模型能很好的描述 非灰气体辐射特性m ，。 3 2 2 耦合计算方法 裂解炉炉管与炉膛是通过热边界条件来实现耦合的，炉膛通过对流传热和辐射传 热将热量传递给炉管，从而影响炉管内流体的温度和裂解反应h 刭。同时，炉管内的流 体温度和裂解反应又影响炉管的管壁温度，从而影响炉膛内的流体温度，二者相互影 响“7 。4 引，为了得到炉膛与炉管的相互影响作用，必须对炉膛和炉管分别进行计算，然 后通过热边界条件进行耦合求解，具体耦合步骤见文献 4 9 5 3 】。 1 6 第四章计算结果分析 第四章计算结果分析 图4 1 所示为炉管编号，图右侧为进口管，炉管的进口管为上下两排交错排列互不 遮挡，每根炉管有两个进口管，两个进口管在炉膛底部汇合同一根连接管相连，流体 经过连接管后进入出口管，进口管和连接管以及出口管为一根炉管。1 、2 、5 和6 为第 1 组炉管，3 、4 、7 和8 为第2 组炉管。 ( b )( 7 )( 6 )( 5 )( 8 )7 )( 6 )( 5 ) ifil iil1 ( 4 )( 3 )( 2 )( i )( 哇)( 3 ( 2 )( 1 ) 图4 1 炉管编号示意图 f 蟾4 - 1s c h e m a t i cd i a g r 啪o fs 甜a ln u i n b e 璐o fc o i l s 4 1 炉膛计算结果分析 炉膛中的辐射传热以及对流传热共同决定了炉管的传热情况，但是辐射传热占 9 0 以上。在前人的研究过程中，对炉管截面积为圆形的乙烯裂解炉炉膛的烟气分布， 以及流动、传热和辐射传热对炉管影响做了较多的研究，但是对于炉管截面积为椭圆 形的裂解炉的研究较少。本文利用计算流体力学( c f d ) 的方法，对k t i 公司的g k - v 型乙烯裂解炉1 4 炉膛的辐射段进行了数值模拟；并用椭圆形炉管替换上述g k v 型 乙烯裂解炉的炉管，进行椭圆管乙烯裂解炉的数值模拟；上述椭圆形炉管截面的面积 和圆形截面面积相等，选取了1 1 、1 2 、1 3 、1 4 四个椭圆率。 4 1 1 炉膛烟气温度分布 在裂解炉炉膛中，辐射传热是最重要的传热途径，辐射提供了9 0 以上的能量， 因此对辐射传热的研究有着重要的意义。炉膛的烟气组成也会影响辐射传热，工业上 常见c 0 2 、h 2 0 、s 0 2 、c o 、c h 4 等三原子、多原子、以及结构不对称的双原子气体， 具有相当大的辐射与吸收能力。由于炉膛燃烧后的烟气中含有c 0 2 、h 2 0 等组分，因 1 7 第四章计算结果分析 此炉膛的辐射和燃烧以及烟气的流动情况有密切的关系。 下图分别为圆管和椭圆率为1 3 的炉膛在同一位置的流体温度分布图。图4 2 中 ( a ) 和( b ) 分别为圆管和椭圆率为1 3 的炉管在z = 3 3 m 处的截图，由图可以看出在 炉膛的底部温度分布相对均匀，圆管的中间部位有一部分低温区域，而椭圆管没有， 底部燃烧器进料方式为非预混，燃料气从喷嘴喷出的速度很高，与空气中的氧气混合 需要一个较长的空间区域，当部分混合气混合均匀到达喷嘴上方一定区域后，即发生 燃烧反应，但是在燃料气燃烧之前形成的射流内部，温度较低。 2 6 ie t 0 3 2 9 e t0 3 2 3 7 e 0 3 2 2 5 e 0 3 2 i l e 0 3 2 0 2 e 0 3 1 9 0 e 0 3 1 ，8 e 0 3 i 6 5 e a 3 i 5 4 e + 0 3 1 1 2 e 0 3 i 3 l e t 0 3 i 1 9 e a 3 i 0 7 e + 0 3 9 5 0 e a 2 8 3 2 e 0 2 7 i3 e 0 2 5 9 5 e + 0 2 4 7 6 e 0 2 3 s e e 0 2 2 3 9 e t 0 2 2 5 i e 0 3 7 1 9 e 0 3 2 3 7 e + d 3 2 2 5 e + 0 3 2 1 4 e 0 3 2 a 2 e 0 3 1 9 0 e a 3 1 阳e ta 3 ：6 6 e 口3 ：5 e a 3 ：1 2 e 0 3 ： l e d 3 ：1 9 e + d 3 ：a 7 e + 0 3 9 5 0 e 0 2 8 3 2 e 8 2 ，13 e 0 2 5 9 5 e 0 2 ，6 e 0 2 3 s b e t d 2 2 3 9 e + 日2 ( a ) 图4 - 2z = 3 3 m 处截面温度分布 ( b ) f i g 4 - 21 e r l l p e r a t l l i ed i s t r i b u t i o na tm es e c t i o no f 乒3 3 m ( a )( b ) 图4 3z = 4 m 处截面温度分布 f i g 4 - 3t b m p e 豫t u r cd i s t r i b u t i o na tt 1 1 es e c t i o no fz = 4 m 图4 3 中( a ) 和( b ) 分别为圆管和椭圆率为1 3 的炉管在z - 4 m 处的截图，炉膛 1 8 器轨誓i 匿琴 第四章计算结果分析 的温度不断升高，燃料气所形成的低温区域逐渐变小，在圆管中，炉管管壁附近有较 大的低温区域，椭圆管管壁附近低温区域明显减少，说明炉管截面改成椭圆以后整个 炉膛的辐射情况变好。 图4 4 中( a ) 和( b ) 分别为圆管和椭圆率为1 3 的炉管在z = 7 7 8 m 处的截图，即 第一排燃烧器所在的位置，可以看出在z = 7 7 8 m 处的受热情况比在列m 的位置要好， 这说明侧壁燃烧器的作用比较明显。炉膛中间均有一部分低温区域，低温区域的分布 形状是在出口管处比较窄，两排进口管处比较宽，这是由于两排进口管相互遮挡，影 响辐射传热，出口管则不受影响，由图可以看出炉管截面为椭圆的炉膛中间的低温面 积没有圆管的大，而且椭圆管的炉膛中燃烧器周围的温度比圆管的高。 嚣亨了一一 r 一 鬻| 蠢堰 y 主3 ! | j | | 耄 三一焉 二 ；- 剽沽o 。i 一一，上乙一j 纂；r 可一1 剥f0 t 一“1 3 7 e + 0 3 1 + l赫 2 5 e 0 3 ；： 一 j 凡最 墓蚕j 喜 ? 卜毒，静；一害- |霎；雾。 量 。爹 妻 。 、斗 黧| | 菩 享 - 一 ! 一至卜 | | | ；| | l 厶孟龇矿- 。j ic l 。蛾眺矗o ! 。三。；i j l 1 9 纛馘襄嘲_ 也是 温面 积小 z = 1 0 这是 高温 ( a )( b ) 图4 - 6z = 1 0 8 5 m 处截面温度分布 f i g 4 - 6t e m p e 豫t u r ed i s t r i b u t i o na tt h es e c t i o no f z ：l o 8 5 m 4 1 2 壁面温度分布 如图4 7 的( a ) 和( b ) 分别为圆管和椭圆1 3 的炉管管壁温度分布，比较两图可知， 每根炉管的受热情况都不同，这与其在炉膛中的空间位置有关，管壁温度在反应管前 端的范围内不断上升，在连接管处略有降低，之后随着二次反应的进行和炉膛出口处 气体温度的降低管壁温度也逐渐降低，椭圆管的高温区域要大于圆管的高温区域，而 且椭圆管的出口温度比圆管的出口温度高，见表4 1 ，由上图4 4 和图4 5 可知在圆管 中，炉管管壁附近有较大的低温区域，椭圆管管壁附近低温区域小。 第四章计算结果分析 i a )i b ) f nc 1c nf nf nc 1c 1c n c nc _ nc nnnf ue 、je uc 、jc 、jc 、jf 、jp 、j n joo山山o由n jo由。山山o nc n 卜l n甘f 、j 口o oc 口 甘( 一c n c 、u呷c okc 厅一 c 、uc 、j川一一一oooooa ohl nc _ n c n 卜c o 一一一一c nc n c n c nc 订o da 凸 囝鬣；：二= 互譬翟墨翟臣墨譬翟翟曩 图4 - 7 炉管管壁温度分布 f i g 4 - 7c o n t 伽幅o ft 锄p c ：m t u 托o fc o i l s 如图4 8 的( a ) 和( b ) 分别为圆管和椭圆率为1 3 的炉管管底温度分布图，连接管 位于炉膛的底部而且相互遮挡，导致连接管各个面受热不均匀，面向燃烧器一侧的连 接管受热情况较好，温度较高，远离燃烧器的一侧受热较差，在炉膛的底部由于各个 炉管相互遮挡，受热不均匀，在炉管的连接处有温度过低的“死区 出现，比较两图 可以看出圆管底部的温度明显比椭圆管的低，而且椭圆管底部温度分布比较均匀。 4 2 炉管计算结果分析 表4 1 为计算结果，可以看出椭圆管的热通量和圆管热通量相比略有增加，但是 相差不大；随着椭圆率的增加炉管吸收的总热量增加，出口温度升高，乙烯收率增加， 但是丙烯收率降低。 2 l 第四章计算结果分析 ( a ) i b ) c - nf 1c oc oc 、jc 、jc 、jc 、jp uc 、jc uc u c 了c 3c j c jc = c 3c 3 c j c 3 c 3 c 3 c j 十 +十十+ t+ 十+ d jo山。山山o 山 c o 吲0 1 一c n c 、u甘c o 卜c n o口oo0 0 卜k nc n c n 卜c o 一c n c n c n c nc n o do 口 图4 - 8 炉管管底温度分布 f i g 4 - 8c o n t o u r so ft 锄p e r a t u o fc o i l s b o t t o m 表4 1 计算结果 1 b l e4 一ln u m e r i c a lr e s u l t s 兽+a。一呈+a0一一2十型一兽盏= 一兽玉s 1 一 兽玉卜二 呈鑫一一罟+a 忑一罂+寻一 第旧帝 i l 算 果分析 4 2 1 炉管壁面热边界条件 根据计算结果可以做出热通量沿管程的分布图。由图4 9 和图4 一l o 可知，圆管热 通量曲线的两个峰值分别出现在2 2 处和7 2 处，波谷值出现在连接管处，大约为 7 0 0 0 0 w i n 2 ；第一个峰值约为1 3 0 0 0 0w m 2 ，大于第二个峰值，这是因为，在炉管进 口处流体温度较低而且炉管的前半程发生一次反应，需要吸收大量的热量，因此造成 炉管内流体和炉膛烟气之间的较大温差，所以增大了热通量，后半程流体的温度较高， 并且一次反应逐渐减少，吸热量减少，所以热通量减少，由图4 9 可以看出，在前半 程炉管1 5 3 0 部分，l 号炉管的热通量最小，2 号、5 号、6 号炉管的热通量依次 增大；在炉管的后半程5 5 9 0 ，6 号炉管的热通量最大，2 号、5 号、1 号炉管的 热通量依次降低，4 根炉管的热通量相差较大。从图4 1 0 可以看出，3 、4 、7 、8 号管 在炉管前半程热通量差距比后半程差距明显，而在后半程中，四根炉管的热通量差距 不大，趋势也比较接近。对比图4 9 和图4 1 0 可知，在炉管的前半程，1 、4 、5 、8 号管距离燃烧器的位置较远，辐射到达量小，所以平均热通量较小，燃烧器位于2 、6 、 3 、7 号管中间位置，因此平均热通量较高。在炉管的后半程由于燃烧器的位置，1 、5 、 2 、6 管的热量有明显的差别，3 、7 、4 、8 管由于靠近燃烧器，受热均匀，所以热通 量差别较小。 图4 1 l 和图4 一1 2 分别为椭圆1 3 第1 组和第2 组炉管的热通量，和圆管的热通 量分布相似，有两个峰值分别出现在2 5 处和7 5 处均比圆管的峰值出现的靠近炉膛 的底部，波谷值出现在连接管处，大约为8 0 0 0 0w m 2 ；第一个峰值约为1 4 0 0 0 0w m 2 ， 大于第二个峰值；椭圆1 3 热通量分布曲线的峰值和波谷值均大于圆管的波峰值和波 谷值。由图4 1 2 可以看出在炉管的前半程3 号管和4 号管的热通量值相近，7 号管和 8 号管的热通量值相近，炉管的后半程四根炉管热通量分布基本一致，这是因为在炉 管的后半程第2 组炉管靠近燃烧器传热较好。由图4 1 1 可知，椭圆1 3 的第一组炉管 四根炉管的热通量分布在前半程从1 5 开始按6 ，2 ，5 ，1 的顺序递减但是差别不大， 在炉管的后半程按6 ，2 ，5 ，1 的顺序递减，差别比前半程明显。 一 由以上比较可知，炉管截面形状改为椭圆形以后，整个炉膛的辐射情况变好，炉 管吸收的总热量增大，出口温度升高，乙烯收率增大。 第p u 审 计钾 j i 架分析 寸 艾 三 一 工 ，_ 、 q e x 3 c m o 工 图4 _ 9 圆管第l 组炉管热通量分布图 f i