《石油大学双面辐射论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《石油大学双面辐射论文.doc（10页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、南京会议论文 第 10 页 双面辐射焦化炉工艺软件包的开发李志强 晁可绳 魏学军(中石化北京炼油设计院) 肖家治 王兰娟 倪化境 (石油大学化学化工学院)张声浩汪道明 刘福洲 (中国石化集团安庆石化总厂) 张天青 汪 申 (中国石化总公司发展部)摘要 利用过程模拟技术完成焦化炉管内外过程模拟，利用特制静态实验装置完成管内热裂解产物通用模型常数的开发，利用三级定位技术完成对流软件的通用化设计，利用热通量法完成现场炉管管焦的导热系数测量，结合前期工作，用Visual Basic语言开发了可预测重油热转化率及油品在管内停留时间等关键工艺参数与结构尺寸及操作条件相互关系的焦化炉工艺软件包，为双面辐射焦
2、化炉的优化设计打下了坚实的基础。关键词 双面辐射焦化炉，辐射室，对流室，工艺过程，模拟，通用，软件一、 前 言由于延迟焦化工艺具有对原料适应性强、热转化率高及设备投资费用低的特点，一直是我国减压渣油轻质化的主要途径，我国目前有延迟焦化装置20余套，加工能力居世界第二位。鉴于重油催化裂化及渣油加氢工艺的限制和市场对轻质燃料油特别是柴油需求量的增加，延迟焦化工艺又重新受到了重视。延迟焦化虽然是个老工艺，但由于缺少对重油在焦化炉管内流动及反应过程的研究，不能定量确定炉管管径、炉管根数及长度、炉膛结构尺寸、火嘴个数及排列等结构尺寸与管内冷油流速及注汽量、焦化炉进出口温度等工艺参数的相互关系，焦化炉结构
3、设计和操作管理基本源于经验摸索，是导致我国焦化炉操作周期短、能耗水平高、单台焦化炉加工处理量较低的根本原因之一。从原理上讲，延迟焦化是利用重油结焦前体物（缩合产物）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，在焦炭塔内完成重油轻质化的工艺过程。确保焦化炉管内不发生大规模结焦是该工艺过程获得成功的技术关键。而要预测结构、操作及物性对结焦速率的影响必须对焦化炉管内外工艺过程进行全面模拟。本文将科研组前期的工作作一简要介绍。二、 主要基础工作1焦化炉工艺计算方法的研究 同常减压加热炉一样，过去的设计规范仅限于得到炉管表面热强度和冷油流
4、速两项1，计算方法难以体现炉管结焦速率与结构、操作及物性之间的相互关系，不能满足焦化炉优化设计与优化操作的工程需要。优化设计与操作必须与限制炉管结焦同时进行考虑。由于炉管结焦前体物来自缩合反应，炉管结焦速率为炉管管焦生成速率与脱落速率之差，炉管管焦生成速率与管内壁温度及重油物性有关，脱落速率则受边界层厚度及边界层两边结焦前体物的浓度差有关，因而，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，是限制炉管结焦速率的关键。渣油在裂解达到一定程度后，缩合反应速率会显著增加，产生缩合反应存在加速“拐点”的原因是： 重油的生焦反应为自由基反应过程，反应开始时热转化率较低，反应过程
5、产生的自由基被重油胶质所“笼蔽”，阻碍了自由基之间的叠和生焦；随着转化率增加，自由基浓度增加，胶质的“笼蔽”效应被破坏，自由基叠和生焦的可能性加大。将炉管内的热转化程度控制在加速“拐点”以内是“延迟”焦化过程的理论基础。焦化炉管内介质由于注汽及裂化物的平衡汽化存在着两相流动。要得到管内介质停留时间及热转化率等关键数据必需通过建立平衡汽化、热裂解和结焦、两相流动等模型完成焦化炉管内外整个工艺过程的模拟，管内外过程模拟需要建立的模型见下表2。表 1 焦化炉辐射室过程全面模拟需要的主要模型模 型主 要 功 能备 注管内热裂解产物分布模型预测热裂反应产物在管截面的变化由实验数据开发炉管结焦模型预测炉管
6、生焦量由实验数据开发相平衡模型预测截面汽化分率 文献可查两相流模型预测压降分布文献可查热焓及反应热模型预测温度分布文献可查管外热辐射模型预测热流强度分布文献可查湍流流动模型预测湍流扩散系数文献可查燃料燃烧模型预测燃烧速率文献可查 2热裂解反应产物分布模型开发模型都是根据不同应用目的而开发的。目前公开发表的重油热转化模型主要集中在如何描述缩合反应产物及如何评价渣油中各组分间的裂解及缩合反应特性方面。描述重油热转化反应后产物分布规律的裂解反应产物分布模型及模型常数少有报道。石油大学和北京设计院联合开发重油热解产物分布模型参见文献3；为了将吸放热同时进行的反应控制在期望值上，石油大学管式加热炉科研组
7、还开发了专用的实验仪器及配套的控制软件 4 ，为了解决产物分布模型常数的通用性，我们建立了7种不同产地来源动力学反应常数的数据库，完成了适合七种原料的通用模型常数开发5并拟开发适合所有渣油的通用模型常数和考虑二次反应的非线形反应网络模型。3炉管结焦模型的开发与考核通过动态实验，基于炉管挂焦速率等于焦碳生成速率和扩散速率之差，由传递过程基本原理和渣油热反应及成焦机理，石油大学和北京设计院联合提出了一个挂焦速率方程，得到了结焦厚度沿炉管的分布6，为了考察理论计算值与实测值的差异，利用高压射流产生100150Mpa的高压水，在装置停工时将粘附在管壁上的焦层剥离。用特制金属编织袋将冲击出来的焦炭截流，
8、用溶剂油和甲苯除掉粘附在焦炭上的油份，用水标定出焦炭的密度，假定同一根炉管上焦层均匀分布，将得到的焦层重量值转换成炉焦厚度，并在另一现场焦化炉中得到了导致炉管损坏的结焦厚度7。焦化炉炉管焦层厚度过厚是导致辐射炉管外壁温度在操作后期超过炉管管材的容许范围，使炉管损坏的根本原因。设表面热强度为q，边界底层温度为Twi、管外壁温度Two与焦层厚度d 及导热系数l之间的关系可用下式表示：Two Twi qd/l因而，要得到管外壁温度还必须测出炉管管焦的导热系数l，截取现场带焦炉管，作者用热通量法得到了550以下，现场炉管管焦导热系数随温度的变化8。三、 软件开发焦化炉管内外过程模拟中所涉及的模型高度非
9、线性且相互偶合，计算程序相当烦琐复杂，得到收敛解需要许多专门的数学知识910，热负荷沿炉管分布计算需要同时求解辐射室内压力场、流场、温度场及浓度场；求出热负荷沿炉管分布后，焦化炉管内停留时间的计算方法为：将炉管分成若干段（石油大学与中石化北京设计院开发的软件每根炉管可分为4段），每段内油品的温度、压力及组成认为是一样的。第1段的温度、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求得该段内的热转化深度
10、，得到第2段炉管截面组成这样一直计算到焦化炉出口，通过管内外的反复迭代最终得到主体温度、压力、停留时间、热转化深度、管内外壁温度、汽化分率、结焦速率等所有工艺参数沿炉管的变化。其中炉管内介质的停留时间确定方法如下：式中 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： 式中Vgas，VL，VH2O分别为管内气相、液相及注汽的体积流量，分别由相应的模型确定。为了便于工程应用，进行了软件开发工作，软件采用了企业和专业两个版本，其中企业版尽量利用了现场信息，较易得到收敛结果，适合于校核；专业版完全由模型对过程进行推断，较难得到收敛结果，用于专业人员的设计。较之于单面辐射计算
11、程序，软件开发新增加了以下重要工作内容： 管外采用了非均匀网格 管外采用了二重坐标体系 管外Monte Carlo方法解决了如何计算斜顶布管的问题 管外加入了罗伯-伊万斯、别落康及过热点等对比计算模块 管内加入了新的计算两相流压降和传热模块及两相流流型判断模块 管内增加了由现场管内温度分布推算有效热负荷模块 管内增加了混合油物性库及新的炉管管焦导热系数 利用三级定位技术，开发了通用对流室传热校核模块典型的人机对话窗口参见所附各图四、计算示例 为了对软件的可靠性进行判别，在结合解决现场实际问题的同时开展了以下基础工作： 在开工初期及停工前对现场焦化炉进行了详细标定 采集了正常炉焦和极限炉焦厚度分
12、布 对操作周期内大量的操作数据进行了统计分析 对国内同类装置进行了调查为了考察软件的可靠性，作者利用两座底烧焦化炉现场标定和统计五套数据，对焦化炉过程模拟软件进行了分析对比11表-1为特例双面辐射焦化炉的主要结构尺寸，表-2为主要工艺参数统计均值，表-3为软件得到的重要工艺参数，两相流流型及重要工艺参数沿炉管的变化以图形的方式给出，其形式参见前文附图。由表-3中数据可以看出循环油辐射出口温度、炉膛温度、辐射入口温度计算结果均与统计均值接近。表-1 特例焦化炉主要结构尺寸项 目单 位数 据备 注炉 长mm18199炉 宽(到中间墙)mm2616炉 高mm5965中间墙高mm3889炉管直管长mm
13、17464炉管有效长mm17783 炉管管径mm114.38.56炉管根数24单路炉管管间距mm203.2火嘴排数8一炉总火嘴个数12每排火嘴中心距管间距mm800最短距离火盆长宽mm660432注汽点数3表-2 特例主要工艺参数统计均值项 目单 位均 值备 注压力循环油入口MPa1.060PI1117A对流出口MPa0.9845PI1117B循环油出口MPa0.2805四通入口前注汽MPa3.5温度循环油入口348.73分馏塔底循环油出口498.87对流出口397.65注汽350流量循环油t/hr30.189南侧入口注水kg/hr200.7524#注水kg/hr277.676#注水kg/hr
14、100.12燃烧条件瓦斯流量Nm3/h1655.1811炉用量瓦斯低热值kJ/Nm347402.36由组成推算瓦斯分子量kg/kmol24.601由组成推算瓦斯理论空气用量kg/ Nm316.0328由组成推算入炉空气温度230 对流出口327.87预热器入口预热器入口327.83预热器出口178.33排烟178.33表-3 软件得到主要工艺参数项 目单 位数据备 注循环油管内停留时间s55.19430以上停留时间s15.94位于第5.25根炉管处管内裂化转化率m%11.566管内缩合转化率m%.423出现喷雾流流型位置6按流动方向计此时介质温度433.25此前流型为此时热转化率m%.21分散
15、气泡流此时缩合程度m%.003此时边界底层温度449.52此时介质受热时间s18.14最大表观流速m/s39.048位于第24根炉管处出口汽化分率m%48.792最高边界底层温度509.54位于第22.5根炉管处最高管外壁温度517.68位于第22.5根炉管处罗伯伊万斯法炉出口温度681.41统计均值为630.4别洛康法炉出口温度696.65本次算法得到的炉出口温度696.65罗伯伊万斯法平均热强度kW/m221.705别洛康法平均热强度kW/m225.44本次算法平均热强度kW/m225.44单根炉管最大压降kPa206位于第24根炉管处循环油出口温度499.8统计均值为498.87循环油进
16、口温度398.73介质入口压力Mpa1.411统计均值为1.160介质出口压力Mpa.389 火焰长度m.68过热点计算侧过热点位置根数1从下向上数底过热点位置根数3从下向上数侧过热点热强度相对于LoB.8过热点计算侧过热点热强度相对于BLK.68侧过热点热强度相对于本次平均.68底过热点热强度相对于LoB1.34过热点计算底过热点热强度相对于BLK1.14底过热点热强度相对于本次平均1.14 主要参考文献1 钱家麟等著，管式加热炉，烃加工出版社，1987。2 XIAO ETAL: :ProCess Simulation For aTubular Coking Heater PETROLEUM
17、 SCIENCE AND TECHNOLOGY 18(3&4),319-333(2000)3 石油大学管式加热炉科研组：重油热裂解反应产物分布模型的开发（焦化炉工艺计算方法的研究鉴定材料，内部资料）4 肖家治等：重油热加工反应性能评价仪的研制，面向21世纪石油炼制技术交流会论文集（1999南京）5 冯永生等：11集总热转化反应模型对不同产地混合原料适应性的考察（双面辐射在线清焦焦化炉工艺软件开发鉴定材料，内部资料）6 XIAO ETAL :Study On Correlative Methods For Describing Coking Rate In Furnace Tubes PETRO
18、LEUM SCIENCE AND TECHNOLOGY 18(3&4),305-318(2000)7 倪化境等：焦化炉炉管结焦量的采集与分析（双面辐射在线清焦焦化炉工艺软件开发鉴定材料，内部资料）8 陈清林等：焦化炉炉管管焦导热系数的测定（双面辐射在线清焦焦化炉工艺软件开发鉴定材料，内部资料）9 Zhang Zheng translated from Suhas. V. Patanker, Numeral heat transfer and fluid flow, Science Press, 1984(in Chinese).10 Huang Zuqi, Simulation and Computer Calculation on Pipe Still in Petrochemical Industry, Chemical Industry Press, 1993(in Chinese).11 肖家治等：焦化炉过程模拟软件的可靠性考察（双面辐射在线清焦焦化炉工艺软件开发鉴定材料，内部资料）