乙烯工业代表了一个国家的石油化工发展水平,乙烯装置中最为重要的设备是乙烯裂解炉。裂解炉是高耗能装置,内部存在着复杂的燃烧、流动、传热和裂解反应过程,因此,深入研究裂解炉内各个过程对于裂解炉的节能降耗具有重要意义。本文先调研了国内外乙烯裂解炉的发展以及现状,使用数值模拟的方法,对乙烯裂解炉炉膛内燃料燃烧、烟气流动和炉管内原料的裂解反应、流动以及炉膛和炉管的传热耦合过程进行了全面的探究分析和改进:(1)使用具有22个反应方程式的Kumar裂解反应动力学型,并结合涡耗散概念模型(EDC)和k-?湍流模型来描述U型管内的裂解、流动和传热过程。对U型管内油气的速度、温度、压力和浓度分布进行了详细分析,揭示了管内流动、裂解反应的基本规律。(2)以USC(W)型乙烯裂解炉为研究对象,建立了全炉数学模型,炉膛内用非预混PDF模型、离散坐标法(DO模型)、k-?模型,炉管内使用Kumar模型、EDC模型、k-?模型,炉膛和炉管之间的传热耦合使用差值迭代法计算。全炉模拟计算结果与工业数据良好吻合,验证了所用的数学模型的准确性。模拟结果表明,炉膛内的流场、温度分布、燃料和氧气的浓度分布三者相互影响,十分不均匀,进一步导致炉管受热在高度和长度方向均有变化并且影响着乙烯收率。(3)根据炉膛内流场、温度场的分布特点以及对乙烯收率的影响,本文提出了一种新的结构改进方案。改进后的炉膛上方低温区的温度比原结构有所提升,炉管总的吸热量也有所增加,辐射效率得到了提高,为裂解炉的优化提供了新的思路。