Аннотация

Для изучения промышленных печей парового крекинга было проведено совместное моделирование печи / реактора. Зонный метод был выполнен для стороны топки, а для стороны реактора использовалась одномерная модель реактора COILSIM1D. В модели топки для расчета радиационной теплопередачи использовалась модель зонного метода горячего нагревания. Модель течения и горения была основана на результатах моделирования вычислительной гидродинамики (CFD). Было проведено сравнение результатов моделирования зонным методом, CFD-моделирования и отраслевых или проектных данных, и было обнаружено, что результаты моделирования зонным методом хорошо согласуются с отраслевыми или проектными данными. Для вторичных горелок, установленных на расстоянии 0,6 м от первичных горелок, температура поверхности трубы и тепловой поток, полученные с помощью зонного метода, были выше, чем при моделировании CFD в середине трубы реактора, а через 15 м они были ниже, чем при моделировании CFD. Более высокая температура технологического газа привела к более быстрому увеличению выхода этена при использовании зонного метода по сравнению с CFD-моделированием, тогда как при использовании зонного метода произошел сдвиг максимального выхода пропена перед реактором. Этот метод оказался подходящим для оптимизации работы промышленных установок парового крекинга в режиме реального времени.

Введение

Печи парового крекинга являются ядром установок по производству этилена, а также крупным потребителем энергии, на их долю приходится около 50-60% от общего энергопотребления устройства. Высокоуровневый дизайн и оптимизированная работа печи крекинга являются необходимым условием для повышения экономической эффективности установки по производству этена. С развитием нефтяной и химической промышленности рыночный спрос на этен постепенно увеличивается, и масштабы печей парового крекинга имеют тенденцию к увеличению. Для этого развития требуются современные установки термического крекинга с более высокой эффективностью, большей производительностью, более надежными, безопасными, экологичными и экономичными конструкциями. Радиационная секция печи крекинга является основным местом теплообмена. В общей сложности 70-80% всей тепловой нагрузки печи приходится на радиационную секцию. В большинстве печей крекинга труба реактора подвешена в центре топки, а горелки соответствующим образом расположены как на дне, так и / или на боковых стенках. Топливный газ и воздух поступают в топку через горелку, а тепло, выделяющееся при сгорании, передается сырью для крекинга внутри трубы реактора в основном за счет излучения и конвекции. Обычно геометрическая структура радиационного сечения большая, а реакция крекинга эндотермическая, для чего требуется много топливного газа. Таким образом, большой поток топливного газа попадает в топку через горелки высокоскоростной струей, что оказывает значительное влияние на поток дымовых газов в топке и дополнительно влияет на смесь топливного газа и процесс горения. Соответственно изменяется температурный профиль в топке. В то же время дымовые газы передают тепло сырью для крекинга внутри трубы реактора, вызывая сложный процесс реакции, и наоборот. Профиль теплового потока по длине трубы реактора образует соединение между технологическим газом и стороной дымовых газов, но экспериментальное исследование профиля теплового потока чрезвычайно сложно. Численное моделирование является единственным эффективным инструментом для оптимизации и проектирования печей и горелок .

Промышленные печи парового крекинга включают процессы тепло- и массообмена и взаимодействия реакций. Конструкция печи, а также выбор и оптимизация технологических параметров обычно требуют различных физических величин, таких как скорость, температура, давление и распределение концентрации в печи. Предыдущие исследования были сосредоточены на описании кинетики реакции и значительно упростили поток жидкости и теплопередачу внутри реактора, без учета взаимодействия реакции с потоком и теплопередачи. Технология вычислительной гидродинамики (CFD) позволяет создать трехмерную численную модель течения, массообмена и реакционного взаимодействия жидкости. В CFD-моделировании промышленных печей крекинга многие исследователи, применили метод совместного моделирования печи / реактора и построили модель печи крекинга с многопроцессорной связью для потока, горения, теплопередачи и химической реакции. Этот метод предоставил информацию о температуре, скорости, концентрации и профилях давления дымовых и технологических газов, температуре поверхности трубы, тепловом потоке реактора и выходе продукта, которые хорошо согласуются с практическими промышленными данными по эксплуатации печей крекинга.

Однако вычислительные затраты на CFD-моделирование промышленных печей крекинга велики; кроме того, на моделирование влияет множество факторов, и небольшое отклонение в настройках моделирования приведет к значительному отклонению результатов . Многие ученые изучили и разработали различные модели для учета влияния турбулентности на химическую реакцию в топке паровой крекинговой установки. Эти модели включают конечную скорость / вихревую диссипацию, функцию плотности вероятности (PDF) и концепцию вихревой диссипации (EDC). Однако вычислительные затраты на эти методы довольно высоки, особенно для более продвинутых моделей и тех, которые объединены с более крупными реакционными сетями. Кроме того, включение образования NOx в моделирование CFD затруднено, поскольку его временной масштаб отличается от масштаба реакций горения. Для расчета образования NOx в топке в качестве этапа постобработки можно использовать другое программное обеспечение. Моделирование топки парового крекинга является более точным, когда учитывается подробная геометрия горелки, по сравнению с использованием упрощенной геометрии горелки. Однако этот метод значительно увеличивает количество ячеек и требуемое качество сетки для решения геометрических деталей реализованных горелок. Эти аспекты приводят к высоким вычислительным затратам на трехмерное CFD-моделирование топки парового крекинга. Следовательно, необходим подходящий метод для точного расчета важных параметров процесса в топке за короткий период. Затем эта модель может быть использована для оптимизации промышленных печей в режиме реального времени.

Как упоминалось выше, тепло, выделяющееся при сгорании топливного газа, передается в трубу реактора за счет конвекции и излучения, где излучение составляет 80-90% от общей теплопередачи. Таким образом, радиационный теплообмен стал основой расчета теплового баланса в печи крекинга. В последние десятилетия многие исследователи использовали нуль-мерные модели, такие как метод Белоконя , метод Лобо?Эванса, одномерную модель, многомерную модель, такую как зонный метод, и методы CFD для моделирования промышленных печей парового крекинга. Нуль-размерная модель предполагает, что дымовые газы топки и поверхность трубы являются изотермическими, что, очевидно, далеко от реальности. Он может рассчитать общий эффект теплопередачи, но не может сгенерировать температурный профиль. В печи парового крекинга углеводородов разрыв трубы реактора обычно происходит из-за ее частичного перегрева, а отложение углерода вызвано дисгармонией между температурным профилем и химической реакцией. Следовательно, нулевая размерная модель не может соответствовать требованиям для точного моделирования печи парового крекинга углеводородов. Одномерная модель потока с пробкой позволяет приблизительно оценить среднюю тепловую прочность поверхности труб реактора в разных зонах. Следовательно, она подходит для печей с однонаправленным температурным градиентом. Однако, поскольку с обеих сторон змеевиков реактора образуется большое количество зон рециркуляции дымовых газов, одномерная модель потока с пробкой будет неточной при расчете распределения скорости и температуры дымовых газов. Зонный метод, предложенный компанией Hottel в 1954 году, в настоящее время называемый зонным методом Хоттела, используется для расчета радиационной теплопередачи. В этой модели введен радиационный теплообмен за пределами трубы, что улучшает математическую модель процесса. С помощью этой математической модели можно рассчитать профили концентрации, давления, температуры в дымовых газах и на стороне технологического газа, а также температуры поверхности трубы и теплового потока вдоль трубы реактора. В процессе производства изменение любого параметра может отражать изменения различных профилей. Эта математическая модель может использоваться как для проектирования, так и для оптимизации эксплуатации. Кроме того, благодаря высокой скорости вычислений и точности, зонный метод в настоящее время является одним из наиболее широко применяемых методов при решении практических инженерных задач. Коммерческое программное обеспечение для моделирования производства этена по-прежнему основано на зонном методе Hottel, таком как SPYRO®. Метод CFD может обеспечить детальное физическое распределение, но требует детального расчета размеров печи и данных, а также длительного цикла разработки. Таким образом, зонный метод используется для моделирования печи крекинга для получения высокоточных результатов и сокращения времени расчета.

Метод, разработанный в этой работе, должен быть способен описывать все физические и химические явления, происходящие в печи и на стороне технологического газа. К этим явлениям относятся сгорание топлива, поток дымовых газов, радиационный и конвективный теплообмен в топке, сопряженный теплообмен в трубчатом реакторе, реакции парового крекинга внутри реактора и т.д. Зонный метод Hottel не только рассчитывает радиационную теплопередачу, но также содержит разделение зон и может выполнять энергетический баланс для каждой зоны. Для решения этих уравнений требуется расчет степени сгорания топливного газа, расхода дымовых газов, конвективной теплопередачи и т.д. Следовательно, зонный метод Hottel должен сочетать необходимые математические модели для описания потока жидкости, горения топлива и теплопередачи в топке, а также потока жидкости, парового крекинга и теплопередачи в реакторе. В последние десятилетия многие ученые изучали зонный метод для промышленных печей парового крекинга. Хуанг и др. и Цянь предположили, что поток дымовых газов представляет собой модель пробкового потока без учета характеристик рециркуляции дымовых газов, что приведет к большим ошибкам при расчете распределения скорости и температуры дымовых газов в печи. Бордбар и Хиппанен рассчитали поле скоростей топливных газов с помощью некоторых эмпирических уравнений, однако предположение о турбулентном струйном течении не может полностью отражать реальный поток в печах крекинга, такой как рециркуляция дымовых газов. В работе Раманы Рао и др. , Плехье и др. и Эбрахими и др. вместо моделирования процесса горения топливного газа при расчете процесса радиационного теплообмена в реакторе они использовали коэффициент тепловыделения топлива для оценки состава и температуры дымовых газов и игнорировали влияние горения и потока дымовых газов на теплопередачу. В работе Чжоу и Цю, Чжоу и др. и Хуа и др. в качестве модели сгорания топливного газа используется модель Реслера. Эта модель вычисляет степень сгорания топливного газа на основе высоты зоны и высоты пламени. Высота пламени является известным параметром, но фактически высота пламени зависит от конструкции печи крекинга и расхода топливного газа. Детеммерман и Фромент и Хейндериккс с соавторами впервые провели совместное моделирование реактора в химическом процессе с использованием метода CFD в сочетании с зонным методом. Бартс и др. провели совместное моделирование процесса воспламенения однородной шихты от сжатия (HCCI) с использованием метода CFD в сочетании с многозонным методом нулевого измерения. Однако в этих исследованиях необходимо использовать CFD для расчета сложной модели потока или модели горения; таким образом, скорость расчета снизится. Следовательно, эти модели не подходят для оптимизации повседневной работы промышленных установок парового крекинга. Среди ключевых проблем, которые необходимо решить, - сочетание технологии CFD с традиционным методом расчета и создание математической модели химического процесса для промышленной практики.

В трубчатых реакторах из-за высоких чисел Рейнольдса (>105), используемых для парового крекинга, радиальными градиентами можно пренебречь, поэтому можно с уверенностью принять предположение о пробковом течении. Разница между средней температурой газа, температурой стенок трубы и выходами продукта, рассчитанными с помощью двухмерной модели реактора, и данными, смоделированными с помощью одномерного реактора, невелика. Таким образом, одномерные модели пробкового потока с использованием подробных кинетических моделей могут использоваться для оценки точности кинетических моделей и для моделирования установок лабораторного масштаба или даже промышленных реакторов. COILSIM1D - это новая запатентованная модель для прогнозирования выхода продуктов, получаемых при крекинге газообразного и жидкого сырья. Модель была валидирована на основе более чем 500 данных, поступающих как из промышленных печей, так и из экспериментальной установки LCT. В зависимости от заданных свойств сырья и определенных условий эксплуатации COILSIM1D может использоваться для получения информации о составе виртуального сырья для крекинга, оптимизации параметров процесса крекинга, прогнозирования выхода продукта и влияния скорости коксования на цикл. Целью этой работы является создание модели быстрого расчета для обеспечения руководства по оптимизации промышленных печей крекинга. Следовательно, COILSIM1D подходит для изучения этой работы.

В настоящей работе было проведено совместное моделирование печи / реактора для промышленной печи парового крекинга. В модели топки результаты CFD-моделирования используются для создания математических моделей дымовых газов в соответствии с фактическим расходом и ситуацией горения. Кроме того, создана модель зонного метода. Радиационная модель топки используется для расчета скорости передачи излучения и тепла между зонами методом зонного нагрева. Модель потока дымовых газов используется для получения массового расхода горячей и холодной зон, а также поперечных поверхностей на основе результатов CFD. В модели сгорания топливного газа коэффициент тепловыделения нижнего топливного газа определялся соотношением расхода топлива и газа в различных зонах по высоте печи посредством полного расчета CFD. Коэффициент тепловыделения бокового топливного газа был равномерно распределен вблизи горелки с боковой стенкой в соответствии с разницей высот между зоной и горелками. Модель конвективного теплообмена аналогична модели, используемой во Fluent. Соответственно, были установлены уравнения теплового баланса различных зон. Нелинейные уравнения вычислялись методом квази-ньютоновской итерации до тех пор, пока они не достигли точности сходимости. Для моделирования реактора была принята модель пробкового потока в сочетании с микрокинетической моделью с одним событием с использованием коммерческого программного средства COILSIM1D. Было проанализировано сравнение результатов зонного метода и CFD-моделирования, включая температуру дымовых газов, температуру стенок печи, температуру обшивки трубы и тепловой поток, температуру технологического газа и профили производительности реактора. Целью данной работы была разработка быстродействующей радиационной коробчатой модели, сопоставимой по точности результатов расчетов, при значительном снижении вычислительных затрат. Это позволит использовать модель для оптимизации промышленной печи в режиме реального времени.

Фрагменты раздела

Модель топки

В этой статье были дополнены результаты моделирования CFD, использованные для сравнения с зонным методом, и результаты моделирования промышленных печей парового крекинга были подтверждены на основе предыдущей работы автора. Для модели топки CFD поток, стандартные k-?, дискретные ординаты и взвешенная сумма моделей серого газа приняты с учетом характеристик потока, излучения и радиационной способности дымовых газов . Для расчета коэффициента поглощения дымовых газов используется модель взвешенной суммы серых газов. Для

Валидация радиационной модели

Для проверки эффективности радиационной модели изучены пять случаев, предложенных Гутьером и др.. Во всех случаях геометрия прямоугольная (1 м ? 0,5 м), как показано на рис. 3. Стенки камеры черные и поддерживаются при температуре 0 К. Кроме того, не участвующий газ составляет N2, а давление газовой среды составляет 1 атм. Условия для пяти случаев приведены в таблице 1.

На рис. 4 показано сравнение теплового потока стенки 1 между радиационной моделью в этой работе и статистическим

Геометрия, условия эксплуатации и разделение зон

В этой работе исследуются четыре промышленные печи парового крекинга, где геометрия горелки в случаях 1 и 3 показана на рис. 1а, тогда как в случаях 2 и 4 показана на рис. 1b. Для удобства исследования для описания разделения зон используется промышленная печь. Печь для крекинга спроектирована с двумя патрубками разного диаметра. Трубы реактора имеют тип “U”, то есть одна входная ветвь (первый проход) соединяется с выходной ветвью (последний проход). Всего используется 176 труб

Результаты и обсуждение

В таблице 3 приведено сравнение вычислительных затрат ANSYS Fluent, моделирования зонным методом и одномерного метода Лобо–Эванса для случая 1. Количество вычислительных ячеек в топке для моделирования Fluent в десятки тысяч раз выше, чем у зонного метода, а тактовое время моделирования одной печи с Fluent в сотни раз выше, чем у зонного метода. Между тем, свободное моделирование требует больше вычислительных ресурсов .

Выводы

С помощью комбинации метода зонного нагрева и CFD-моделирования создаются математические модели, соответствующие фактическому расходу дымовых газов и горению. Кроме того, построена топка на основе зонного метода. В этой работе сначала проверяется эффективность модели излучения путем сравнения нашего моделирования с моделированием Гутьера и др. для пяти случаев. Во-вторых, совместное моделирование топки на основе зонного метода и модели реакции крекинга в реакторе четырех промышленных печей парового крекинга.

Список литературы

• З.К. Генг и др.

Компромиссное решение для корректировки коэффициентов первичной реакции при моделировании печей крекинга этилена

Chem Eng Sci

(2012)

• З. Джегла и др.

Стандарты проектирования нагревателей для сжигания: оценка на основе компьютерного моделирования

Приложение Therm Eng

(2015)

• X.Y. Лан и др.

Численное моделирование процессов переноса и реакции в печах этилена

Переходная химия, Часть A Chem Eng Res Des

(2007)

• Г.Д. Стефанидис и др.

CFD-моделирование печей парового крекинга с использованием детального механизма горения

Вычислительная химия Eng

(2006)

• Г. Хассан и др.

Прогнозы выбросов CO и NOx из печей парового крекинга с использованием подробного механизма реакции GR12.11 - исследование CFD