[发明专利]用于乙烯蒸汽裂解炉工艺设计和操作优化的耦合计算方法

摘要

本发明公开一种乙烯蒸汽裂解炉的耦合计算方法，用于裂解炉的工艺设计及操作优化计算。该方法将裂解炉的计算分成对流段计算模块、辐射段计算模块和废热锅炉计算模块。辐射段计算模块本身包含炉膛计算子模块和炉管计算子模块。对流段计算模块用来计算烟气与对流段管排之间的传热和管排内流体的流动、相变和传热；炉膛计算子模块用来计算燃料的燃烧、烟气的流动、烟气与炉管之间的传热；炉管计算子模块用来计算炉管内的自由基裂解反应和传热；废热锅炉计算模块用来计算急冷换热器内裂解气与锅炉给水之间的传热。通过迭代求解上述各个模块，可以得到裂解炉系统的全局解，用于确定裂解炉的最优操作参数以及准确预测裂解炉的运行状态。

主权项

1.一种乙烯蒸汽裂解炉的耦合计算方法，其特征在于，根据乙烯裂解炉的实际结构和工艺流程，将整个裂解炉的计算分为三个模块，分别是对流段计算模块、辐射段计算模块和废热锅炉计算模块，通过迭代求解上述三个模块，得到裂解炉系统的全局解，该方法包括以下步骤：(一)建立对流段计算模块控制方程组，具体包括：(1)建立对流段盘管与高温烟气之间的对流传热模型根据对流段采用的交错排布的锯齿形翅片管的特点，对流段盘管与高温烟气之间的对流传热系数采用ESCOA方法进行计算，计算公式如下：A_o＝d+2nbh   公式3C₁＝0.091Re^‑0.25   公式4C₃＝0.35+0.65e^‑0.17h/s   公式5A_o是管排对烟气的阻碍面积，m²/m；C_p11是烟气的比热，J/(kg K)；h_c是对流段盘管与烟气之间的对流传热系数，W/(m²K)；k₁₂是烟气的导热系数，W/(m K)；μ₁₁是烟气的粘度，kg/(m s)；T_g和T_f分别是烟气和翅片的温度，K；G是烟气的质量通量，kg/(m²s)；d是对流段炉管的外径，m；N_w是每排炉管的根数；N_d是管排数；L是炉管的有效长度，m；h是翅片的高度，m；b是翅片的厚度，m；n是翅片的密度，翅片个数/m；W_g是烟气的流率，kg/s；S_T和S_L分别是对流段炉管之间横向和纵向的间距，m；Re为烟气的雷诺数；翅片效率η₁₁采用如下公式进行计算：A_t＝A_f+πd(1‑nb)   公式9m₁₁＝[2h_o(b+ws)/K_m/b/ws]^0.5   公式11A_f和A_t分别是单位炉管长度下的翅片面积和总面积，m²/m；K_m是翅片的导热系数，W/(m K)；ws是翅片的宽度，m；(2)建立对流段盘管与高温烟气之间的压降模型高温烟气在对流段管排之间流动时的压降采用如下公式计算：C₂＝0.75+1.85Re^‑0.3    公式16ΔP_g是压降；ρ_g是烟气在平均温度下的密度，kg/m³；(3)建立对流段炉管内流体的单相传热模型对流段炉管内单相流体与炉管内壁之间的对流传热系数采用如下公式进行计算：h_c11是管内流体与炉管内壁之间的对流传热系数，W/(m²K)；w是单根炉管内的质量流率，kg/s；C_p是流体的比热，J/(kg K)；μ是流体的粘度，kg/(m s)；k₁₁是流体的导热系数，W/(m K)；d_i是炉管的内径，m；(4)建立对流段炉管内单相流体的压降模型沿对流段炉管的压降表达式为：P_t为总压，Pa；α为转换系数；r_b为弯管处的半径，m；f为范宁摩擦系数；ξ为弯头的涅克拉索夫系数；对于光滑的直管段，范宁摩擦系数的计算表达式如下：对于光滑的弯管段，范宁摩擦系数的计算表达式如下：k为弯管的弯曲角度，rad；(5)建立对流段炉管内流体的两相传热模型对于炉管内发生相变的情况，采用Baker的流型图来判断流体在管内流动时的流型，对流段炉管内流体与炉管内壁之间的对流传热系数采用如下公式进行计算：h_tc＝ατ_th_n+h_t   公式24τ_t＝‑10.08547+3.43598(lnRe_t)²+0.01038(lnRe_t)³   公式26h_tc是两相流综合对流传热系数，W/(m²K)；α是与流型有关的核沸腾传热系数校正因子，可从相关图表中读取；h_n是核沸腾传热系数，W/(m²K)；h_t是两相强制对流传热系数，W/(m²K)；τ_t是两相强制对流核沸腾干扰系数；k_L是液体介质的导热系数；c_L是液体介质的定压比热，kcal/(kg K)；ρ_L是液体介质的密度，kg/m³；ρ_V是气体介质的密度，kg/m³；σ_L是液体介质的表面张力，dyn/cm；μ_L是液体介质的粘度，cP；H是液体介质的蒸发潜热，kcal/kg；T_W和T是壁面和流体的温度，℃；P_W和P_S是介质在壁面和饱和温度下的蒸汽压，kg/cm²；Re_t是两相流的雷诺数；h_L是液相的给热系数，kcal/(m²hr K)；X是马丁参数，其计算方法可参考Baker流型图；(二)建立辐射段计算模块控制方程组，具体包括：(1)建立炉膛内高温烟气与辐射管排之间的区域法辐射传热模型区域法的思路是：(a)先将辐射段按照一定要求划分成一系列表面区和烟气区，其中表面区又分为炉膛内表面区和炉管外表面区，并假设每个区域内部的温度是均匀的；(b)在假设所有表面均为黑体的基础上计算出每个区域之间的直接交换面积；(c)在假设所有表面均为理想灰体的基础上计算出每个区域之间的总交换面积；(d)在假设炉膛烟气的黑度可以用一个透明气和若干个理想灰气的基础上计算出每个区域之间的定向流面积；(e)对每个区域建立能量守恒方程，并对其进行数值求解，从而得到各个区域的温度；(1‑a)表面区与表面区、表面区与气体区、气体区与气体区之间的直接交换面积由如下公式进行计算：和分别是表面区与表面区、表面区与气体区、气体区与气体区之间的直接交换面积，m²；k₂₂为烟气在灰气假设下的衰减系数，1/m；r₂₂为区域微元之间的距离，m；θ_i和θ_j为区域之间的相对角度，rad；dA和dV分别为表面区和气体区的微元面积和微元体积，m²和m³；(1‑b)在直接交换面积的基础上求取总交换面积，对每个表面区建立辐射能流平衡方程，得到以下方程组：经过整理后，得到如下方程组：上述公式的左边是由直接交换面积、表面积和反射率组成的系数矩阵，等式的右边则是由表面的黑度和直接交换面积组成的列矩阵；采用数值计算的方法求解上述方程组即可得到比反射热流密度，然后按照下列公式求出表面区之间的总交换面积：为表面区S_j的表面积，m²；为表面区S_j的黑度；为表面区S_j的反射率，它在数值上等于为比反射热流密度；(1‑c)对所有的气体区域建立辐射能流平衡方程，得到以下方程组：经过整理后，得到如下方程组：上述公式的左边是由直接交换面积、表面积和反射率组成的系数矩阵，等式的右边则是由直接交换面积组成的列矩阵；采用数值计算的方法求解上述方程组即可得到比反射热流密度，然后按照下列公式得出气体区与表面区之间的总交换面积：气体区与表面区之间的总交换面积可以采用下式进行计算：气体区与气体区之间的总交换面积则可以采用下式进行计算：(1‑d)计算定向流面积，其中炉膛烟气的黑度采用一个透明气和若干个灰体气加权来近似表征，烟气的黑度ε_g和吸收率α_g可表示为：其中，a_g,n(T_g)和a'_g,n(T_g,T_s)分别是计算烟气黑度和吸收率时，第n个灰气的权值，k'_n是第n个灰气的比衰减系数，1/(atm*m)；p是烟气的压力值，atm；L₁₁为辐射热射线的行程长度，m；定向流面积根据下述公式进行计算：(1‑e)对所有区域建立能量平衡方程首先对炉墙内表面区WS_i建立能量平衡方程：第1项：WS_i吸收的来自于所有炉墙内表面的辐射热；第2项：WS_i吸收的来自于所有炉管内表面的辐射热；第3项：WS_i吸收的来自于所有气体区的辐射热；第4项：WS_i向外发射的所有辐射热；第5项：WS_i通过对流传热模式接收的烟气区的热量；第6项：WS_i对应的炉墙外壁热损失值；其次，对炉管内表面区TS_i建立能量平衡方程：第1项：TS_i吸收的来自于所有炉墙内表面的辐射热；第2项：TS_i吸收的来自于所有炉管内表面的辐射热；第3项：TS_i吸收的来自于所有气体区的辐射热；第4项：TS_i向外发射的所有辐射热；第5项：TS_i通过对流传热模式接收的烟气区的热量；第6项：TS_i被炉管内介质吸收的热量；最后，对气体区G_i建立能量平衡方程：第1项：G_i吸收的来自于所有炉墙内表面的辐射热；第2项：G_i吸收的来自于所有炉管内表面的辐射热；第3项：G_i吸收的来自于所有气体区的辐射热；第4项：G_i向外发射的所有辐射热；第5项：G_i内燃料燃烧所释放的热量；第6项：G_i通过对流传热模型向表面区传递的热量；第7项：G_i由于烟气的流动所发生的焓变；最终建立的能量平衡方程组中的方程数量等于所有区域的数量，该方程组是非线性方程组，采用Newton‑Raphson方法进行求解；(2)建立辐射炉管内的自由基裂解反应模型采用一维平推流模型来表征辐射炉管中的反应、传热和流动过程，对辐射炉管建立质量、能量和动量守恒方程：①质量守恒方程在反应管微元dz内，某组分i的质量守恒方程如下：F_i为组分i的摩尔流率，kmol/s；r_k为反应k₁的反应速率，kmol/m³/s；v_ki为反应k₁中组分i的反应计量系数；n₁₁为反应网络中的反应个数；d₁₁为反应炉管的内径；②能量守恒方程在反应管微元dz内，能量守恒方程如下：ω为炉管的周长，m；q为炉膛传入炉管的热通量，kJ/m²/s；T为流体的温度，K；C_pi为组分i在温度T时的比热，kJ/kmol/K；为组分k的标准摩尔生成焓，kJ/kmol；R_k为组分k的净生成速率，kmol/m³/s；③动量守恒方程辐射炉管的动量守恒方程与对流段炉管一致，采用公式20～23；(三)建立废热锅炉计算模块控制方程组急冷锅炉的总传热系数K₁₁按照如下公式计算：K₁₁是总传热系数，W/(m²K)；α_i是换热管内裂解气的给热系数，W/(m²K)；α_o是换热管外高压锅里给水的沸腾给热系数，W/(m²K)；d_o和d_i分别是换热管的外径和内径，m；d_c是焦层的内径，m；λ_w是换热管的导热系数，W/(m K)；λ_c是焦层的导热系数，W/(m K)；R_o和R_i分别是换热管外侧和内侧的污垢热阻，W/(m²K)；换热管内裂解气的给热系数α_i按照如下公式计算：λ_g是裂解气的平均导热系数，W/(m K)；Re₁₁是裂解气在换热管内流动时的雷诺数；ρ是裂解气的密度，kg/m³；μ_g和μ_w分别是裂解气在管内平均温度下和壁温下的粘度，kg/(m s)；Pr是普朗特数；换热管外高压锅炉给水的沸腾给热系数α_o按照如下公式计算：q是平均热流密度，W/m²；p_s是锅炉给水的绝对压力，MPa；线性急冷换热器的总换热量按照如下公式计算：Q＝K₁₁*F*Δt_m    公式50F为换热管的总换热面积，m²；Δt_m为对数传热温差，℃；超高压蒸汽的产气量按照如下公式计算：D是蒸汽产量；η是急冷换热器的散热损失率；r是锅炉给水的汽化潜热，kJ/kg；(四)对上述三个模块进行迭代求解直至收敛，具体包括：步骤1：输入裂解炉对流段和辐射段的详细结构尺寸参数，包括长宽高、管排结构、燃烧器结构和排布；步骤2：输入初始操作参数：裂解原料的物性和流量、稀释比、燃料气组成和流量、空气组成和过剩系数、火墙温度、辐射盘管外壁温度分布；步骤3：求解对流段计算模块和废热锅炉计算模块，直至收敛，具体包括：步骤3.1：输入初始超高压锅炉给水和超高压蒸汽的流量；步骤3.2：求解对流段计算模块，直至收敛；步骤3.2：将对流段计算模块输出的省煤器出口温度和超高压蒸汽的流量代入废热锅炉计算模块，直至收敛；步骤3.3：比较废热锅炉计算模块输出的超高压锅炉给水和超高压蒸汽的流量是否已经收敛；如果收敛，则结束计算；否则，将新的超高压锅炉给水和超高压蒸汽的流量代入对流段计算模块重新迭代计算；步骤4：将对流段计算模块输出的横跨温度的变量值代入辐射段计算模块进行计算，直至收敛，具体包括：步骤4.1：输入初始辐射盘管金属外壁温度分布；步骤4.2：求解炉膛计算子模块，直至收敛；步骤4.3：将炉膛计算子模块输出的辐射盘管金属外壁热通量分布代入炉管计算子模块进行计算，直至收敛；步骤4.4：比较炉管计算子模块输出的辐射盘管金属外壁温度分布是否已经收敛；如果已经收敛，则结束计算；否则，将新的辐射盘管金属外壁温度分布重新输入炉膛计算子模块进行计算；步骤5：判断辐射段计算模块输出的新的火墙温度和烟气流量的变量值是否已经收敛，如果已经收敛，则结束计算并输出最终计算结果；否则，将新的火墙温度和烟气流量的变量值代入对流段和废热锅炉计算模块重新进行计算。