毕业时间：2021年6月（硕士）

毕业去向：中核集团

导师：史权 教授 张霖宙 副教授

学科专业：化学工程与技术

研究方向：石油与天然气化学

 

学位论文题目

蒸汽裂解分子尺度动力学模型及反应器模型的构建

Development of molecular-level kinetic model and reactor model for steam cracking

 

论文摘要

乙烯是石油化学工业中的重要单体，是石化行业的基础，其生产技术水平是衡量一个国家或地区的石化水平的重要标准。乙烯在工业中主要来源于蒸汽裂解工艺，其中裂解炉是蒸汽裂解工艺的核心设备。在炼油向化工持续转型的导向下，对大型乙烯裂解工艺的操作优化和先进控制提出了更高的要求，建立准确化、精细化的蒸汽裂解过程的分子转化模型，是实现大型乙烯装置优化目标的重要途径。

本文基于结构单元-键电矩阵（SU-BEM）混合框架，构建了适用于循环乙烷丙烷的蒸汽裂解路径层面分子尺度反应动力学模型，包括原料组成模型的构建及导入、反应规则的编写、分子尺度反应网络的自动生成及可视化，将反应网络中的化学信息自动转化为计算机可求解的反应速率常微分方程组。模型可自动构建基于阿伦尼乌斯方程的反应速率方程组，适用于蒸汽裂解的气态均相反应过程。反应动力学参数采用LFERs线性自由能关系进行降维，减少待求解的动力学参数的数目。

蒸汽裂解分子尺度反应动力学模型构建完成后，针对裂解炉装置建立了反应器数学模型并与反应动力学模型实现耦合。反应器模型的构建结合了化学反应工程和单元操作原理，采用数学方法对裂解炉内三传一反过程进行模拟。在此基础上，反应器模型的构建采用模块化思想进行设计和建模，将反应器的整体按功能分解为三个模块：炉膛辐射段模块、直管炉管模块、弯管炉管模块，三个模块均被封装为独立函数。模块化设计可根据工业炉型和实际需求，对模块进行灵活调用和组装，来实现不同裂解炉反应器模型的快速构建与计算。

在模块化的设计方法中，炉膛辐射段模块用于对炉膛内高温烟气的温度计算，烟气温度的计算结果可被其他模块调用；直管炉管和弯管炉管模块将反应器模型与分子尺度反应动力学模型耦合，可各自独立进行管内部的裂解反应过程的质量衡算、管内外传热的能量衡算、裂解气压力降的动量衡算，从而计算得到裂解气产率、压力、温度以及炉膛烟气温度、炉管管壁温度沿管长的分布；后续采用拟稳态假设法，加入结焦模型，可得到结焦厚度沿管长、运行时间变化的全周期三维分布结果。模型计算得到的出口产物产率、出口压力、出口温度均与国内某炼厂提供的气体裂解炉的工业数据对应一致，加入结焦模型后的裂解炉全周期模拟结果也与文献的计算结果基本一致，验证了本模型的实用性和准确性。

关键词：蒸汽裂解；分子尺度反应动力学模型；裂解炉反应器数学模型；结焦模型