热裂解制乙烯裂解炉的工艺数学模型和模拟.PDF

年第 卷第 期 化工生产与技术 · · 2002 9 5 Chemical Production and Technology 7 ! ! 研 究 专 论 ! ! 热裂解制乙烯裂解炉的工艺数学模型和模拟 沙 利 蓝兴英 高金森 徐春明 ( 石油大学重质油加工国家重点实验室，北京102249 ) 摘要 对乙烯生产过程的数学模型发展状况作一概述。按对反应管轴向和径向处理的方 法，裂解炉的工艺数学模型可分为一维模型和二维模型，对一维模型与二维模型的模型假 定、主要公式及研究现状进行描述。 关键词 乙烯裂解炉 工艺数学模型 一维模型 二维模型 裂解炉是乙烯生产装置中的关键部分，裂解原 一维模型和二维模型进行详细讨论。 料在反应管内进行着流体流动、传质、传热和热裂 1 一维模型 解反应等复杂过程，这些过程高度耦合在一起，密 1. 1 一维模型的研究现状 切相关，相互影响。由于检测手段的限制，裂解炉内 Froment[ 1, 2 ] 在这方面作了很多工作，他对乙烷 许多重要的化学工程参数均不易测出，这给乙烯生 和石脑油裂解的反应动力学进行研究，并在此基础 产装置的操作带来了很多不便。随着计算机技术的 上建立了一维工艺数学模型。Kunzru, Paramesaram 高度发展，利用数学模型模拟裂解炉内的复杂过程 and Sharma 采用Kumar 研究的石脑油裂解动力学模 已经成为可能，也是一种必然趋势。 型和结焦模型[ 3 ] ，假设已知管外壁温度分布，建立了 裂解炉的工艺数学模型包括反应动力学模型、 石脑油裂解炉的工艺数学模型，并用此模型模拟了 结焦模型、流体流动模型、热量传递模型和质量传 变径管的操作状况。解冬梅、钱锋和俞金寿以石脑油 递模型。按建立方法分类，模型可分为理论模型、经 为原料[ 4 , 5 ] ，采用Kumar 研究的石脑油裂解动力学模 验模型及半经验半理论模型。由于很难确定裂解原 型和结焦模型，并采用罗伯 依万斯简单区域法计 - 料的组成以及他们所发生的裂解反应，建立理论模 算辐射室的传热建立了数学模型；该模型的模拟计 型面临着一系列难以解决的实际问题，因此对理论 算值与实际值一致性较好，但对于不同组成的石脑 模型研究很少。经验模型是以一定数量可靠的生产 油，需对一次反应系数和动力学参数进行适当的修 数据为基础，运用数理统计理论中的多元线性回归 改。黄苏南、钱锋和俞金寿采用邹仁均研究的石脑油 的方法建立的。这类模型不能反映过程的本质，适 裂解动力学模型和结焦模型[ 6 ] ，并采用区域法计算 用范围有限，通常只能在回归范围内使用，不宜外 辐射室的传热，建立了石脑油裂解炉的工艺数学模 推。为了获得实际应用，减少裂解反应动力学微分 型；该模型把重点放在辐射室的传热计算，而忽略了 方程式的数目，研究者们采取简化措施，提出半经 管内的结焦。大庆石油学院的王宗祥在这方面的研 验半理论模型。它是将过程的物理的或化学的机理 究也不少[ 7 , 8 ] 。1978 年他提出了轻质油热裂解制乙 与生产数据或实验数据相结合，即从机理分析抓住