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《石化技术与应用》[ISSN:1009-0046/CN:62-1138/TQ]

期数:

2024年2期

页码:

156-162

栏目:

出版日期:

2024-03-10

文章信息/Info

Title:

Research progress on modeling and numerical computation of coke tower

文章编号:

1009-0045（2024）02-0156-07

作者:

韩伟1; 2; 曹玉亭3*; 陈渤燕1; 张勇1; 刘银东3; 王路海3

1.中国科学院 过程工程研究所 多相复杂系统国家重点实验室，北京 100190；2.中国科学院大学 化学工程学院，北京 100049；3.中国石油石油化工研究院，北京 102249

Author(s):

HAN Wei1; 2;  CAO Yu-ting3;  CHEN Bo-yan1;  ZHANG Yong1;  LIU Yin-dong3;  WANG Lu-hai3

1.State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems， Institute of Process Engineering， Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190， China；2.School of Chemical Engineering， University of Chinese Academy of Science， Beijing 100049， China；3.Petrochemical Research Institute， PetroChina， Beijing 102249， China

关键词:

焦炭塔; 生焦模型; 计算流体力学; 有限元分析; 流程模拟; 反应动力学

Keywords:

coke tower; coke formation model; computational fluid dynamics; finite element analysis; process simulation; reaction kinetics; review

分类号:

TQ 315；TE 319

DOI:

DOI：10.19909/j.cnki.ISSN1009-0045.2024.02.0156

文献标识码:

A

摘要:

综述焦炭塔的生焦模型、焦炭塔的模拟方法（包括计算流体力学、有限元分析、流程模拟）以及石油焦化过程的反应动力学研究进展，指出验证反应动力学模型的普适性，发展动态混合模拟方法，开发石油焦化工艺模型是焦炭塔建模与数值计算的发展方向。

Abstract:

The research progress on the coke formation model of the coke tower， the simulation methods of the coke tower （including computational fluid dynamics， finite element analysis， and process simulation） and the reaction kinetics of the petroleum coking process were reviewed with 86 references. It was pointed out that verifying the universality of the reaction kinetics model， developing dynamic hybrid simulation methods and developing petroleum coking process models were the development directions of coke tower modeling and numerical computation.

参考文献/References

［1］ 李雪静， 乔明， 魏寿祥， 等. 劣质重油加工技术进展与发展趋势 ［J］. 石化技术与应用， 2019， 37（1）： 1-8.［2］ 瞿国华. 延迟焦化工艺与工程 ［M］.北京： 中国石化出版社， 2008.［3］ 王娟， 毛羽， 江华， 等. 延迟焦化加热炉内湍流流动和燃烧的数值模拟研究 ［J］. 石油学报（石油加工）， 2004（6）： 58-62.［4］ Souza B A， Matos E M， Guirardello R， et al. Predicting coke formation due to thermal cracking inside tubes of petrochemical fired heaters using a fast CFD formulation ［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2006， 51（1/2）： 138-148.［5］ 邢玲， 谢腾腾， 黄毓秀， 等. 焦炭塔工作过程仿真计算 ［J］. 石油化工设备， 2016， 45（Z 1）： 1-6.［6］ 陈亮， 普天， 赵萌莹. Aspen Plus软件在延迟焦化主分馏塔上的应用 ［J］. 山东化工， 2017， 46（5）： 104-106.［7］ 张文钟. 焦炭塔给水冷焦过程的研究 ［D］. 青岛： 中国石油大学， 2009.［8］ Ellis P J， Hardin E E. How petroleum delayed coke forms in a drum ［J］. Light Metals， 1993，1992： 509-515.［9］ 王伟. 延迟焦化焦炭塔软测量系统软件开发［D］. 青岛： 中国石油大学， 2007.［10］ 杨燕. 劣质重油热反应生焦及产物分布规律研究［D］. 青岛： 中国石油大学， 2010.［11］ 王成扬. 碳质中间相理论与应用 ［M］. 北京：科学出版社， 2015.［12］ 王永涛. 煤系针状焦制备及结构调控 ［D］. 大连： 大连理工大学， 2021.［13］ 林祥钦. 稠油渣油焦化成焦特性研究 ［D］. 青岛： 中国石油大学， 2011.［14］ Ovalles C， Rogel E， Hajdu P， et al. Predicting coke morphology in delayed coking from feed characteristics ［J］. Fuel， 2020， 263： 116739.［15］ 高成凤. 磁场作用下制备煤系针状焦的原料改性及工艺参数优化 ［D］. 太原： 太原理工大学， 2012.［16］ 薛鹏. 委内瑞拉重油焦化技术基础研究 ［D］. 青岛： 中国石油大学， 2017.［17］ 张怀平. 煤焦油和石油渣油共炭化制备针状焦 ［J］. 石油炼制与化工， 2005，36（2）： 21-26.［18］ 孙权. 磁场作用下制备煤系针状焦的性能研究 ［D］. 太原： 太原理工大学， 2011.［19］ 李哲. 催化裂化油浆与减压渣油共焦化规律研究 ［D］. 北京： 中国石油大学， 2018.［20］ 范启明， 杨继涛， 李军， 等. 减压渣油焦化温度对产品分布的影响I.产品分布与适宜焦化温度 ［J］. 石油学报（石油加工）， 2000，16（5）： 61-65.［21］ 黄新龙， 王宝石， 李晋楼， 等. 降低焦炭塔操作压力对焦化过程的影响 ［J］. 石油炼制与化工， 2019， 50（4）： 16-19.［22］ 范启明， 杨继涛. 减压渣油物性与焦化反应产品分布的关联 ［J］. 石油大学学报（自然科学版）， 2001，25（3）： 5-7.［23］ 郭凯黎. 稠油焦化起泡性能研究 ［D］. 青岛： 中国石油大学， 2011.［24］ 王玮， 申海平， 范启明， 等. 影响焦炭塔内泡沫层形成的因素及抑制方法 ［J］. 石油炼制与化工， 2021， 52（3）： 110-116.［25］ 李节. 重油成焦过程研究与焦炭塔进料方式优化 ［D］. 郑州： 郑州大学， 2016.［26］ Díaz F A， Chaves -Guerrero A， Gauthier -Maradei P， et al. CFD simulation of a pilot plant delayed coking reactor using an in-house CFD code ［J］. CT & F - Ciencia， Tecnología y Futuro， 2017， 7： 85-100.［27］ 张义飞. 焦炭塔运行数值模拟分析 ［D］. 大连： 大连理工大学， 2010.［28］ 魏嘉. 焦炭塔应力应变分析 ［D］. 北京： 北京化工大学， 2016.［29］ 侯文富， 鲁志兵， 张绍良， 等. 操作参数对Cr-Mo钢焦炭塔瞬态温度场及热应力影响数值模拟研究 ［J］. 压力容器， 2018， 35（1）： 38-44.［30］ 林萍， 杨森皓， 王增超， 等. 基于变形焦炭塔的冷点处套合应力分析 ［J］. 压力容器， 2022， 39（11）： 29-38.［31］ 朱成诚， 赵建平. 焦炭塔的疲劳累积损伤及套合效应研究 ［J］. 机械强度， 2018， 40（2）： 424-430.［32］ 陆经纬. 延迟焦化过程计算机稳态建模研究 ［D］. 杭州： 浙江大学， 2002.［33］ Lima N M N， Sbaite P， Batistella C B， et al. Simulation， optimization and control of heavy oil upgrading processes： Application to a delayed coking unit ［J］. Computer Aided Chemical Engineering， 2016， 38： 1671-1676.［34］ 刘自力. 延迟焦化装置模拟优化研究 ［D］. 北京： 中国石油大学， 2016.［35］ 郑李斌. 炼厂生产计划与延迟焦化装置集成优化 ［D］. 大连： 大连理工大学， 2017.［36］ Mohamed S N， Elsayed N A， Abdallah S M， et al. Maximize the gas oil yield from delayed coker unit by optimization between process variables ［J］. Journal of University of Shanghai for Science and Technology， 2022， 24（11）：95-109.［37］ K?觟seo?觧lu R ?魻， Phillips C R. Kinetic models for the non-catalytic hydrocracking of athabasca bitumen ［J］. Fuel， 1988， 67（7）： 906-915.［38］ Fontoura D V R， Matos E M， Nunhez J R. A three-dimensional two-phase flow model with phase change inside a tube of petrochemical pre-heaters ［J］. Fuel， 2013， 110： 196-203.［39］ Emani S， Ramasamy M， Shaari K Z B K. Effect of shear stress on crude oil fouling in a heat exchanger tube through CFD simulations ［J］. Procedia Engineering， 2016， 148： 1058-1065.［40］ Bayat M， Aminian J， Bazmi M， et al. CFD modeling of fouling in crude oil pre-heaters ［J］. Energy Conversion and Management， 2012， 64： 344-350.［41］ Schepper S C K， Heynderickx G J， Marin G B. Modeling the coke formation in the convection section tubes of a steam cracker ［J］. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2010， 49（12）： 5752-5764.［42］ Katta V R， Jones E G， Roquemore W M. Modeling of deposition process in liquid fuels ［J］. Combustion Science and Technology， 1998， 139（1）： 75-111.［43］ 李学刚. 常减压装置减压炉的优化设计研究 ［D］. 天津： 天津大学， 2014.［44］ Li X G， Zhang L H， Zhang R Y， et al. CFD modeling of phase change and coke formation in petroleum refining heaters ［J］. Fuel Processing Technology， 2015， 134： 18-25.［45］ Fouzia D， Park T S. Effect of inlet velocity on the crude oil coking and gas phase formation in a straight pipe ［J］. Journal of Applied Mathematics and Physics， 2017， 5（1）： 17-25.［46］ Díaz F A， Chaves A， Maradei M P， et al. Kinetic analysis of the thermal decomposition of Colombian vacuum residua by thermogravimetry ［J］. Ingeniería e Investigación， 2015， 35（3）： 19-26.［47］ 陈渤燕， 曹玉亭， 张勇， 等. 焦炭塔反应器的CFD模拟与温度场调控 ［J］. 过程工程学报， 2023，23（10）： 1-11.［48］ 陈孙艺. 焦炭塔鼓胀开裂的安全评定 ［J］. 机电工程技术， 2004，33（7）： 27-29.［49］ 朱成诚， 赵建平. 焦炭塔的套合效应研究 ［J］. 压力容器， 2016， 33（9）： 34-41.［50］ 宁志华， 刘人怀. 焦炭塔瞬态温度场的分析 ［J］. 应用数学和力学， 2010， 31（3）： 273-284.［51］ Wang Z W， Ning Z H， Liu R H. Stress intensity factor for a circumferential crack in a coke drum under two-dimensional transient temperature distribution ［J］. International Journal of Pressure Vessels and Piping， 2022， 200： 104778.［52］ 李国成， 王为良， 李荣生. 焦炭塔瞬态温度场及热应力分析 ［J］. 压力容器， 2010， 27（9）： 21-25.［53］ 郑静. 焦炭塔工作过程仿真及寿命评估 ［D］. 大连： 大连理工大学， 2011.［54］ 王正， 茅庆飞， 郑静， 等. 基于三维数值模拟的焦炭塔塔体失效研究 ［J］. 石油机械， 2012， 40（2）： 7-10.［55］ 王增超， 银建中， 韩志远， 等. 冷点和操作参数对变形焦炭塔应力影响分析 ［J］. 压力容器， 2020， 37（10）： 29-37.［56］ Ju F， Aumuller J， Xia Z H， et al. Global and local elastic-plastic stress analysis of coke drum under thermal-mechanical loadings ［J］. Journal of Pressure Vessel Technology， 2011， 133（6）： 061202.［57］ 周晓龙. 残渣油热转化复杂反应动力学模型研究 ［D］. 上海： 华东化工学院， 1995.［58］ 周晓龙， 陈绍洲， 马伯文， 等. 减压渣油复杂反应动力学模型研究 ［J］. 石油学报（石油加工）， 1999，15（2）： 75-81.［59］ 郝鑫， 陈德钊， 吴晓华， 等. 广义回归神经网络的改进及在延迟焦化建模中的应用 ［J］. 化工学报， 2004，55（4）： 608-612.［60］ 王宝金， 阎龙， 王明文， 等. 延迟焦化加热炉的建模与分析 ［J］. 石油炼制与化工， 2020， 51（5）： 95-99.［61］ 胡有元. 延迟焦化主分馏塔的模拟与设计 ［D］. 青岛： 中国石油大学， 2010.［62］ Xu B C， Wang Y X， Yuan L K， et al. A novel second-order learning algorithm based attention-LSTM model for dynamic chemical process modeling ［J］. Applied Intelligence， 2023， 53（2）： 1619-1639.［63］ 阎龙， 张金先， 申海平， 等. 吸收稳定系统的模拟与分析 ［J］. 石油炼制与化工， 2011， 42（6）： 93-98.［64］ 何顺德， 毛玲娟， 刘亭亭， 等. 延迟焦化装置吸收稳定系统的模拟优化 ［J］. 石化技术与应用， 2021， 39（1）： 36-39.［65］ 李丹. 延迟焦化吸收稳定系统模拟分析及操作优化 ［J］. 石油炼制与化工， 2023， 54（5）： 108-112.［66］ 陈国鹏. 炼油厂延迟焦化装置吸收稳定系统的模拟优化 ［J］. 化工技术与开发， 2023， 52（5）： 85-87.［67］ 杨文剑， 张洋， 张小庆， 等. 集总动力学-BP神经网络混合模型用于预测延迟焦化装置液体产品产率 ［J］. 石油炼制与化工， 2015， 46（7）： 101-106.［68］ Anne， Tim B， James Q， et al. Modeling of an industrial delayed coker unit ［J］. Computer Aided Chemical Engineering， 2023， 52： 525-531.［69］ 张红梅， 尹云华， 赵雨波， 等. 集总方法在复杂反应动力学模型中的应用 ［J］. 化学工业与工程技术， 2010， 31（2）： 33-37.［70］ Bianco A， Panariti N， Anelli M， et al. Thermal cracking of petroleum residues： 1. Kinetic analysis of the reaction ［J］. Fuel， 1993， 72（1）： 75-80.［71］ Yasar M， Trauth D M， Klein M T. Asphaltene and resid pyrolysis： 2. The effect of reaction environment on pathways and selectivities ［J］. Energy & Fuels， 2001， 15（3）： 504-509.［72］ Dave N C， Duffy G J， Udaja P. A four-lump kinetic model for the cracking/coking of recycled heavy oil ［J］. Fuel， 1993， 72（9）： 1331-1334.［73］ Li N， Wang Y G， Zhao D. A four kinetic model for delayed coking process of Qingdao vacuum residues ［J］. IOP Conference Series（Earth and Environmental Science）， 2020， 513（1）： 12020.［74］ Kataria K L， Kulkarni R P， Pandit A B， et al. Kinetic studies of low severity visbreaking ［J］. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2004， 43（6）： 1373-1387.［75］ Singh J， Kumar M M， Saxena A K， et al. Reaction pathways and product yields in mild thermal cracking of vacuum residues： A multi-lump kinetic model ［J］. Chemical Engineering Journal， 2005， 108（3）： 239-248.［76］ 范启明， 杨继涛. 减压渣油焦化反应六集总动力学模型的建立及其算法 ［J］. 石油大学学报（自然科学版）， 2001，25（4）： 79-81.［77］ 阎龙， 张金先， 申海平， 等. 减压渣油热转化集总动力学的建模研究 ［J］. 石油学报（石油加工）， 2011， 27（4）： 561-566.［78］ 姜飞. 延迟焦化装置全流程建模与仿真培训系统的研究 ［D］. 青岛： 中国石油大学， 2007.［79］ Mendonca F L G. Modelagem e simula?觭?觔o de reator trifásico aplicado à óleos pesados com rea?觭?觛es de hidrocraqueamento térmico e catalítico， desmetaliza?觭?觔o de coque na mistura e no catalisador ［D］. Brazil： Unicamp， 1998.［80］ Takatsuka T， Kajiyama R， Hashimoto H， et al. A practical model of thermal cracking of residual oil ［J］. Journal of Chemical Engineering of Japan， 1989， 22（3）： 304-310.［81］ Favre A. Comportement des produits lourds du pétrole au cours du procédé de viscoréduction ： étude structurale et simulation ［D］. France： Technip， 1984.［82］ 周晓龙， 陈绍洲， 常可怡. 残渣油族组分热转化性能的研究 ［J］. 华东理工大学学报， 1995，21（6）： 654-658.［83］ 马伯文. 延迟焦化装置工艺模型的开发和应用 ［D］. 上海： 华东理工大学， 1999.［84］ 刘现峰， 彭飞， 刘金龙， 等. 延迟焦化动态机理模型的开发 ［J］. 炼油设计， 2002，32（2）： 30-33.［85］ 李新学， 林瑞森， 倪化境， 等. 焦化渣油热反应的窄馏分动力学模型 ［J］. 石油学报（石油加工）， 1999，15（4）： 26-29.［86］ 田立达. 结构导向集总新方法构建延迟焦化动力学模型及其应用研究 ［D］. 上海： 华东理工大学， 2012.

备注/Memo

备注/Memo:

中国石油天然气股份有限公司资助项目（项目编号：2021 DJ 5908）

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更新日期/Last Update: 2024-03-10