Тепловые и аэродинамические параметры камеры радиации печи пиролиза углеводородов

ЦЕЛЬ. Смоделировать взаимосвязанные физико-химические процессы в камерах радиации трубчатых печей пиролиза углеводородов. Провести численные расчеты тепло и массообмена в топочной камере печи с многоярусным расположением настенных горелок на боковых футерованных стенах.

МЕТОДЫ. С помощью собственного пакета прикладных программ, основанного на численном решении системы дифференциальных уравнений сохранения энергии и уравнений радиационной газовой динамики, рассчитаны поля скоростей и температуры продуктов сгорания природного газа в камере радиации трубчатой печи пиролиза углеводородов. В камере радиации происходят взаимосвязанные процессы горения природного газа, лучисто-конвективного теплообмена, турбулентного течения дымовых газов. Эти процессы смоделированы двухмерными уравнениями модели горения, переноса энергии излучением и уравнениями движения. В боковых стенках камеры радиации с обеих сторон в восьми горизонтальных ярусах установлены настенные горелки в количестве 128 штук. Продукты сгорания, выходящие из сопел этих горелок создают сложные поля скоростей и температуры в объеме камеры. За счет излучения дымовых газов, мельчайших частиц сажи и раскаленных футерованных стен камеры радиации формируются тепловые потоки к трубчатому экрану, где происходит пиролиз углеводородов с целью получения этилена.

РЕЗУЛЬТАТЫ. В результате расчетов получены поля скоростей, температуры в объеме камеры радиации и концентрации основных компонентов продуктов сгорания. Вычислены локальные значения поверхностных плотностей лучистых тепловых потоков к реакционным трубам для печей пиролиза метана и пропана. Проведены сравнения некоторых полученных результатов с показаниями приборов действующих технологических установок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Расчеты показывают, что разработанный пакет программ позволяет получить реалистические значения локальных скоростей и температуры в камерах радиации трубчатых печей, значения поверхностных плотностей конвективных и лучистых тепловых потоков к граничным поверхностям и другие тепловые и газодинамические параметры в объеме топки.

1. Данил Вафин., Saarbrucken, Deutshland Сложный теплообмен / Радиационный теплообмен в энергетических установках: LAP LAMBERT Academic Publishing,. ISBN: 978-3-8433-1124-3, 2011. 250 с.

2. Садыков А.В., Вафин Д.Б. Сложный теплообмен в камерах радиации трубчатых печей: монография. Казань: РИЦ «Школа», 2019. 186 с.

3. Ермолаева В.А., Семочкина К.Ю. Расчет технологических характеристик трубчатой печи // International Journal of Humanities and Naturral Sciences . 2021. v.10-1. - P. 220-222.

4. Khujaev P. Radiative heate transfer in the furnace with variable volume // Bulletin of Science and Practice. 2018. v. 4. N 11. – P. 248-253.

5. Pavlov M.V., Karpov D.F., Sinitsyn A.A., Gudkov A.G. Winter greenhouse combined heating system // Magazine of Civil Engenering. 2020. 95(3). P. 131-139.

6. Кулешов О.Ю., Муслимов Е.И. Седелкин В.М. Математическое моделирование зонального и локального результирующего теплообмена в экранированных топках // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т. 5. № 2. С. 78-83.

7. Abdullin A.M., Vafin D.B. Numerical simulation of local heat transfer in furnaces of tube chambers using the differential approximations for radiative heat transfer // Journal of Engineering Physics. 1991. V.60. N2. P. 237-242.

8. Tencer, J.T. Error Analysis for Radiation Transport / Dissertation doctor of Philosophy. The University of Texas at Austin, 2013. 142 p.

9. Scholand, E. Modern Verfahren zur Berechnung des Strahlungsaustausches in brennstoffbeheizten / E. Scholand // Chem. Ing. Techn. 1981. Vol. 53, No. 12. Pp. 942–950.

10. Xu – Chang, X. Mathematical modeling of three – dimensional heat transfer from the flame in combustion chambers // 18th Sym. (Int.) Combust., Waterloo, Aug. 17-22, 1980. Pittsburgh, Pa, 1981. P. 1919-1925.

11. Дектерев А.А., Гаврилов А.А., Харламов Е.Б., Литвинцев К.Ю. Использование программы -Flow для численного исследования технологических объектов // Вычислительные технологии. 2003. Т.8. Ч.1. С. 250.

12. Askarova A.S., Bolegenova S.A. Maximov V.Y., Computational method for investigation of solid fuel combustion in combustion chambers of a heat power plant // High Temperature. 2015. V. 53. N5. P. 751-757.

13. Xiangcum Qi, Mo Yang, Yuwen Zhang. Numerical analysis of NOx production under the air staged combustion. Frontiers in Heat and Mass Transfer (FHMT), 8, 3 (2017). DOI: 10.5098/hmt.8.3.

14. Oyewola O.M., Ismail O.S., Bosomo J.O. Numerical simulations of the turbulence in the thermal-radiation flow field. Frontiers in Heat and Mass Transfer (FHMT), 8, (2022). DOI: 10.5098/hmt.17.8.

15. Sebastian E., Georg L., Kai S., Gabor J., Dominique T. Optimal tube bundle arrangements in side-fired methane steam reforming furnaces. Frontiers in Energy Research. 2020. V. 8. Article 583346.

16. Miroslav R., Andreii K., Marcel F. and others. Mathematical model of a heating furnace implemented with volumetric fuel combustion. Processes 2020, 8, 469; doi: 10.3390/pr8040469.

17. Соловьев С.А., Соловьева О.В., Ахметова И.Г., Ваньков Ю.В., Шакурова Р.З. Численное исследование теплопроводности композитного теплоизоляционного материала с микрогранулами // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2022. Т. 24, №1. С. 86- 98.

18. Vafin D.B., A.V. Sadykov A.V. Thermal calculation of the radiation chamber of an ethane pyrolysis furnace. JOP Conf. Series: Materialls and Engireering 862 062008 (2020).

19. Litventsev I. Pyrolysis // The Chemical Journal, 2006.V.5. P. 42-46.

20. Afanasiev S.V., Ismaylov O.Z., Pyrkin A.V. et.al. Structural heterogeneity of reaction pipes from austenitic hightemperature alloys // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 537 (2019) 022049. IOP Publishing doi:10.1088/1757-899X/537/2/022049.

21. Вафин Д.Б., Бутяков М.А. Трехмерное поле температуры и скорости в топках трубчатых печей с акустическими горелками // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2017. - №2. С. 49-55.

22. Spalding D.B. Mixing and Chemical Reaction in Steady Confined Turbulent Flames / 13 th International Symposium of combustion: The Combustion Institute, Pittsburgh, 1970. P. 649 – 657.