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传热模型对焦化炉关键校核参数影响的研究

§2.4 传热模型对焦化炉关键校核参数影响的研究 摘要:利用自行开发的包含罗伯伊万斯、别洛康半经验半理论传热模型及Monte Carlo方法的复杂工艺校核软件,考察了不同管外传热模型对管内停留时间、炉出口热转化率和边界底层温度等工艺参数的影响,提出了对设计工况下关键工艺参数的极限变化区间进行判断的设计思路 关键词:焦化炉;管外传热模型;管内停留时间;热转化率;边界底层温度 1. 前 言 焦化炉是延迟焦化装置的核心设备,决定了整个装置的能耗和操作周期,提供了重油油品轻质化所需要的能量。鉴于焦化炉管外辐射传热和管内流动及反应的复杂性,该单元设备一直没有得到深入细致的研究,设计基本源于经验,与国外先进水平相比,我国焦化炉普遍存在操作周期短、能耗水平高、单套装置加工能力低等问题,不能满足设备大型化及消除现场焦化炉“瓶颈”制约等现场需求。 在中石化总公司支持下,作者利用Visual Basic语言,将罗伯伊万斯、别洛康半经验半理论传热模型[1]及以Monte Carlo方法为核心的管外过程模拟模块[2]分别与管内模块进行联结以考察不同传热模型对管内停留时间、炉出口热转化率和边界底层温度等工艺参数的影响。 2. 计算方法简介 2.1 控制炉管结焦的关键工艺参数 延迟焦化是利用重油结焦前体物在裂解转化率较低时不易出现的反应现象,使重油在热转化程度较低的情况下快速通过焦化炉管获得热化反应所需要的热量,在焦化塔内完成重油轻质化的工艺过程,确保焦化炉管内不发生严重结焦是该工艺过程获得成功的技术关键。 炉管上所沉积的焦炭来自于缩合反应, 其结焦速率为炉管管焦生成速率与脱落速率之差,其中炉管管焦生成速率与管内壁温度及重油物性有关,管焦脱落速率则与边界层厚度及边界层两边结焦前体物的浓度差有关[3]。尽量降低重油在管内的停留时间及热转化率,限制流动主体内结焦前体物的浓度,目的是限制炉管结焦速率。油品在管内停留时间、炉出口热转化率和和边界底层温度是限制炉管结焦的关键工艺参数[4]。 2.2 关键工艺参数的计算方法 将炉管分为若干段,假定每段内油品的流速不变。则管内介质的停留时间可由下式计算: (1) 式中 θ为管内油品的停留时间;Li 为第I段炉管的长度;Ui为第I段炉管内的流速;炉管任意处和边界底层温度Twi与当地炉管表面热强度q,油品流动主体温度Toil,对流传热系数α之间的关系可由下式表征: (2) 炉出口油品的热转化率(反应深度)Xo为每段炉管的热转化率Xi之和: (3) 假定每段炉管内油品的温度、压力及组成一致:第1段炉管的温度、压力由操作条件确定,组成及油品物性与焦化循环油物性相同,利用平衡汽化求得该段内的汽化分率和表观流速,由两相流模型求得该段内的压降,得到第2段的压力,由管外得到的热负荷通过热焓及反应热模型求得该段内的温升,得到第2段的温度,由热裂解产物分布模型[5]求得该段内的热转化深度,得到第2段炉管截面组成,这样一直计算到焦化炉炉管出口,通过管内外的反复迭代最终得到温度、压力、停留时间、热转化深度、管内外壁温度、汽化分率等所有工艺参数沿炉管的变化。管内反应及流动过程模拟所需要的模型及计算方法详细细节参见文献[6],下文仅对管外模型及模拟方法进行探讨。 2.3 管外热强度分布与传热模型[7] 管外热强度分布是计算焦化炉关键工艺参数的基础。管式炉辐射室中的传热是很复杂的:炉膛结构及尺寸、燃料种类及燃烧方式、燃烧器的型式及排列方式以及炉管的排列等都对热强度分布有影响。炉膛内燃料燃烧、烟气流动和高温辐射传热互相偶合,完全从理论上得到热负荷沿炉管分布十分困难。 罗伯伊万斯法自1939年发表以来,至今仍是管式炉传热校核的主要方法之一,在炼油工业中得到了广泛应用。该法假定辐射室内高温烟气充分扰动,温度处处相同;辐射室中高温火焰传递给炉管的热量包括辐射和对流两部分,其中辐射包括火焰的直接辐射及反射墙的间接辐射占主导地位;烟气对流给炉墙的热量与炉墙的散热损失相等,从辐射的角度,炉墙是一个绝热面。 别落康法与罗伯伊万斯法并无本质不同,均属半经验半理论零维传热模型,其特点是引入了当量绝对黑表面的概念。二者均通过传热速率方程和热平衡方程,得到炉管表面的平均热强度分布。 已知火焰形状及烟气温度分布,区域法、蒙特卡罗法、热通量法均可得到热强度沿炉管的分布:三种方法中,区域法理论上比较严格,但分区过多计算机工作量急剧增加;蒙特卡罗法(Monte Carlo method)是将辐射能的发射方向、行程长度、表面的吸收与反射均看成随机事件,由计算机产生随机数对辐射能的发射

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