二氯乙烷裂解炉的数值模拟与分析

【摘要】： 二氯乙烷裂解炉是热裂解法制备氯乙烯单体工艺中关键的工艺设备之一,对其操作过程进行数学模拟和开展深入的研究工作,在维持裂解炉的正常生产、节约燃料、提高产量和经济效益等方面具有重要的理论和现实意义。裂解炉中存在着燃烧、传热、传质等复杂流体的流动,建立由偏微分方程组成的管式裂解炉数学模型求解困难。计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)可以对这些复杂流体的流动进行详细的数值计算。它综合了计算数学、计算机科学、流体力学、科学可视化等多种学科,为现代科学中许多复杂流动与传热问题提供了有效的解决方法。本文主要利用CFD技术对裂解炉辐射室进行数值模拟与分析。 管式加热炉内部炉管的裂解反应与管外的辐射传热是相互影响而又分别独立的两部分。本文分别以二氯乙烷裂解炉中反应管内的反应过程和辐射室内的热传递过程为对象,通过计算机进行了数学模拟与分析。本文主要进行了以下的研究工作: 1.结合别洛康法计算裂解炉辐射室的传热模型,建立了整个管式裂解炉的数学模型并确定了模型中的参数。利用所建立的数学模型,分别研究了进料温度、氧含量、燃料量等操作变量对裂解炉的转化率和热效率的影响,得出了所研究的管式加热炉较优的操作条件。结合某石化厂二氯乙烷裂解单元装置的DCS数据进行了模拟计算。实例结果表明,本文建立的数学模型基本符合实际生产状况,可用于管式加热炉的模拟计算。这些对于指导实际生产操作以及进一步对工业裂解炉的优化设计提供了参考依据。 2.研究了数值计算中的网格划分技术以及控制方程的离散化格式,针对裂解炉的物理结构特点,选用Gambit对裂解炉辐射段进行几何建模,采取分块结构、非结构化自适应网格,对火嘴周围进行网格加密处理,建立整个裂解炉辐射室的网格模型,同时确定裂解炉数值模拟的边界条件类型。 3.研究了流体动力学的基本原理,建立了二氯乙烷裂解炉辐射段的流体控制方程、传热方程、燃烧方程以及辐射方程。根据裂解炉的结构确定边界条件,采用FLUENT软件对上述方程进行数值求解。计算得到裂解炉内部流场、温度场以及浓度场分布的相关信息,这些数据可为裂解炉的优化操作、设计和工程改造提供很多有价值的信息。 【关键词】：二氯乙烷 管式反应器 裂解炉 数值模拟 离散化 计算流体力学
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TQ222
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 符号说明9-12
• 前言12-13
• 第一章 文献综述13-38
• 1.1 氯乙烯生产方法简介13-18
• 1.1.1 平衡氧氯化法制氯乙烯工艺14-16
• 1.1.2 乙烷氧氯化制氯乙烯新工艺介绍16
• 1.1.3 其它氯乙烯生产方法16-18
• 1.2 管式加热炉模拟计算方法的研究进展18-21
• 1.2.1 经验方法阶段18
• 1.2.2 零维模型18-19
• 1.2.3 多维模型19-21
• 1.3 管式加热炉的数值模拟21-22
• 1.4 计算流体力学介绍22-37
• 1.4.1 计算流体力学的优点22-23
• 1.4.2 CFD解决问题的步骤23-24
• 1.4.3 网格生成技术24-26
• 1.4.4 流体动力学控制方程26-32
• 1.4.5 控制方程的离散格式32-35
• 1.4.6 边界条件的选择35-36
• 1.4.7 求解器的设置36-37
• 1.5 本文研究的主要内容37-38
• 第二章 二氯乙烷管式反应器的模拟与分析38-54
• 2.1 基本物性数据38-40
• 2.2 二氯乙烷裂解动力学40-42
• 2.3 二氯乙烷裂解炉辐射室的数学模型42-44
• 2.3.1 裂解炉辐射室传热模型42-43
• 2.3.2 辐射室热平衡方程式43
• 2.3.3 基本方程的求解43-44
• 2.4 裂解炉反应管内的数学模型44-45
• 2.5 计算结果与讨论45-49
• 2.5.1 辐射室内部结构45-46
• 2.5.2 计算框图46
• 2.5.3 模拟计算结果分析46-49
• 2.6 燃料消耗、温度和空气过剩系数等因素对裂解反应的影响49-52
• 2.6.1 燃料用量变化对裂解结果的影响49
• 2.6.2 进料温度对EDC裂解的影响49-50
• 2.6.3 空气过剩系数对裂解炉热效率的影响50-51
• 2.6.4 烟道气氧含量对裂解炉热效率的影响51-52
• 2.7 小结52-54
• 第三章 裂解炉炉膛辐射室的数值计算与分析54-66
• 3.1 炉膛结构尺寸及主要工艺条件55-57
• 3.2 数学模型的初始化57-58
• 3.3 辐射室数值模拟结果与讨论58-65
• 3.3.1 炉膛出口的温度分布58-60
• 3.3.2 烟气流动情况60-62
• 3.3.3 组分的浓度分布62-63
• 3.3.4 烟气的温度分布63-65
• 3.4 小结65-66
• 结论66-67
• 参考文献67-70
• 致谢70-71
• 攻读学位期间发表的学术论文71-73

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