陈渤燕, 曹玉亭, 张勇, 等丨焦炭塔的CFD模拟与温度场调控

文摘 2024-05-15 17:48 北京

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焦炭塔的CFD模拟与温度场调控

陈渤燕 ^1,² 曹玉亭 ³张勇 ² 孙国刚 ¹刘银东 ³王路海 ³

1. 中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京 102249
2. 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
3. 中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院，北京 102249

DOI：10.12034/j.issn.1009-606X.223145

摘要焦炭塔是石油化工中常见的重油轻质化利用的反应器，由于内部温度高，实验监测困难，加之内部流动、传热、反应过程复杂，塔内温度场分布不均匀，给反应过程的精准调控带来巨大挑战。本研究根据焦炭塔内气相、液相以及焦炭的分布规律，采用连续介质模型(欧拉方程)模拟气体、液相石油以及焦炭运动，并耦合三相间的传热模型和七集总反应动力学模型，建立了焦炭塔的多尺度计算模型。通过与釜式反应器焦化实验对比，验证了模型的准确性。进一步模拟了焦炭塔中试装置的进料和中间相沥青质成焦过程，研究了不同操作温度下焦炭塔内的流场、温度场分布以及产物的变化规律，从而为精准调控焦炭塔生焦过程提供依据。

关键词焦炭塔；欧拉模型；中间相沥青质；温度场调控；焦炭分布

1 前言

焦炭塔是一套能够实现重油轻质化利用的重要装置，重油在加热炉中被快速加热，使其在炉管内来不及发生裂解、缩合反应即被快速输送到焦炭塔内，因此被称为延迟焦化。近年来，延迟焦化工艺不仅是重油轻质化重要途径^[1]，也被用于生产优质针状焦作为制作电池负极材料^[2]。但焦炭塔内的流动复杂，温度场分布不均匀，对焦炭质量稳定性产生巨大影响，而实验方法无法深入塔内采集可靠的数据，所以焦炭塔内反应过程的调控大多依靠经验方法。

目前焦炭塔反应过程的研究方法包括实验研究和数值模拟。实验研究主要集中在反应动力学^[3,4]、产物生成质量和形态的测定^[5,6]，以及调节操作参数或添加辅助试剂调控产品质量等^[7]，而焦炭塔内部的高温、非透明环境导致实验方法在研究塔内反应过程时存在较大困难。近年来，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法成为研究多相流反应器的重要工具。de Schepper等^[8]使用Fluent软件模拟了蒸汽裂解器管壁上的石油液滴生焦过程，采用欧拉-拉格朗日方法将气相视为连续相，液滴和焦炭视为离散相，并模拟黏滞、飞溅和反弹等行为。Souza等^[9]利用自主编写的CFD代码，对加热炉管进行了模拟，估算了焦炭、气体的产量，但未能观察到焦炭在管壁的沉积。由于焦炭塔内涉及气、液、固三相流动以及传热和反应过程，计算量巨大，目前常采用混相模型，如Díaz等^[10]基于CFD方法将重油和气体看作混合相，将焦炭层视作多孔介质，模拟了哥伦比亚石油研究所的实验装置进油生焦和冷却阶段。Li等^[11]基于欧拉两相流模型对炉管结焦进行了模拟研究，其中液相和固体焦炭颗粒视为混合相，气相为单独相，建立了减压炉管气化段油气两相流动的数学模型，研究了炉管内的流场和温度场分布，以及气体和液相分离及结焦情况。Fontoura等^[12]基于OpenFOAM软件的欧拉模型建立了油品结焦及相变过程的计算模型，考虑了两相之间的相互作用，对温度分布及焦炭的生成和分布进行了预测。此外，张义飞^[13]采用有限元软件模拟了焦炭塔预热、进油、蒸气冷却和水冷等过程，计算了塔壁与塔内介质温度场换热系数并预测了塔壁寿命；宁志华等^[14]对焦炭塔瞬态温度场进行二维迭代模拟，初步描述了焦炭塔内明显的温度梯度，所得结论具有指导意义。除温度的非均匀分布外，焦炭塔内流动特征与流型分布也十分复杂^[10,15]。

本工作根据焦炭塔内部的多相、多组分的运动特点，基于MFiX软件对焦炭塔中气、液、固三相组分分别建立运动模型，并耦合三相之间的传热和反应方程(七集总反应动力学)，研究操作温度、加热方式对焦炭塔内流场、温度场分布以及生焦速率的影响，从而为调控焦炭塔内温度场分布提供依据。

2 模型与方法

重油由相对分子质量较大、分子结构各异的烃类、非烃类化合物组成，在焦炭塔中，重油在高温条件下发生裂解、缩合反应，生成汽油、柴油、蜡油及小分子气体并从塔顶逸出，在塔内会生成焦炭。随着反应进行和热量排出，塔内温度会逐渐降低，焦炭硬质化形成焦炭层。根据碳质中间相理论^[16]，重油在发生裂解、缩合反应时，芳香分子会重新排列，首先形成碳质中间相球形液晶颗粒，这些液晶颗粒会受到气、液两相运动影响有序排列形成焦炭层。如图1所示，焦炭塔内涉及气、液、固三相运动，焦炭颗粒在没有固结前由中间相沥青质转化形成，并悬浮在液相体系中，三相可以看成相互渗透的连续介质，因此可以采用欧拉方法耦合三相动力学模型、传热模型以及反应模型。

图1 焦炭塔内反应过程示意图Fig.1 Diagram of reaction process in coke drum

2.1　运动模型

连续性方程：

(1)

式中，i=1, 2, 3，1代表气相，2代表液相，3代表固相焦炭，ε, ρ, u分别代表i相的体积分数、密度和速度，R_i代表化学反应引起的质量变化，其中N_i代表第i相的化学反应数目。

气、液、固三相的动量方程：

(2)

(3)

(4)

焦炭的流动性弱，设置焦炭的速度为0，但静止固结的焦炭层对气体、液体的运动具有阻碍作用，焦炭颗粒的直径设置为2 mm^[10]。F₁₂, F₁₃表示液相和固相对气相的作用力，F₂₁, F₂₃表示气相和固相对液相的作用力，F₁₂和F₂₁是方向相反、大小相同的两个力。三相之间相互作用模型参考Attou等^[17]在填料塔中的曳力模型，该模型基于流体与堆积颗粒的作用^[18]推导，其中：

(5)

(6)

(7)

式中，μ₁, μ₂分别是气相和液相的黏度，d_p为焦炭颗粒的直径，C₁, C₃, C₅为180，C₂, C₄, C₆为1.8。

组分输运方程：

(8)

其中，X_in表示质量分数，D_gn表示扩散系数，R_in表示采用反应模型描述的系统中每种化学物质的产生/消耗速率。

2.2　传热模型

能量方程：

(9)

式中，C_p_i为第i相的比热容，T_i为第i相的温度，λ_i为第i相的导热系数。h_inR_in表示由化学反应和相变引起的内能变化，S_i表示源项，包含相间传热和焓变。

焦炭塔内传热模型包括气相和液相、气相和固相(焦炭)，相间热量交换表达式为：

(10)

(11)

式中，S_1,2为气-液传热量，S_1,3为气-固传热量，焦炭和液体之间的温度差异较小，不做计算。A为单位床层体积的相间接触面积。其中传热系数γ与努塞尔数^[19]的关联计算如下：

(12)

式中，λ为气体的导热系数，气-液努塞尔数Nu_1,2参考了Ranz^[19]提出的模型：

(13)

式中，Re_1,2, Pr分别为气-液相间雷诺数和普朗特数，计算如下：

(14)

(15)

其中，C_p为气相的比热。

气-固努塞尔数Nu_1,3参考Gunn^[20]提出的模型：

(16)

其中气-固相间雷诺数Re_1,3为：

(17)

2.3　反应模型

反应动力学模型参考Fontoura等^[12]提出的七集总反应动力学模型，该模型由Köseoḡlu等^[21]提出的六集总模型改进而来，如图2^[12]所示。石油一般包括饱和分、芳香分、胶质和沥青质等四种主要成分^[22]，在高温条件下会发生相互转化，七集总反应动力学基于碳质中间相理论，认为中间相沥青质是焦炭的唯一来源，即石油四组分首先经过裂解、缩合反应形成中间相沥青质，然后转化为焦炭。

图2 反应动力学模型(*代表不能直接转化)^[12]Fig.2 Reaction kinetics model (* means cannot be directly converted)^[12]

反应速率常数采用阿仑尼乌斯公式：

(18)

式中，A是指前因子，B是反应活化能，各反应速率常数的A和B的值如表1^[23]所示

表1 反应速率常数的参数值^[23]Table 1 Constant of the reaction rate^[23]

石油是一种组分十分复杂的混合物，其中所含的化合物分子数目众多且类型大小各异，难以用化学式准确表达，主要由碳氢化合物组成，其中碳、氢的含量合计一般均在95%以上。为使问题简化，可以将石油四组分均看成一般分子式为C_nH_m^[24,25]。由于石油四组分的分子结构难以测定，本研究以陈月珠等^[26,27]测得的四组分平均分子式为基准，把复杂的混合物看成由一种结构相同的平均分子组成，并把这种平均分子又看成由若干单元结构构成。虽然这种方式与实际分子结构有所差异，但是迄今还没有更好的表征方法。采用文献[25]提出的基团贡献法计算标准摩尔生成焓、比热容等热力学参数，基团贡献法建立在分子性质具有加和性的基础上，即指分子的某一性质等于组成该分子的各个结构单元的贡献之和，而这些单元的贡献在不同分子中保持相同值。

2.4　模型验证

采用Sawarkar等^[28]的釜式反应器实验验证上述模型，该实验采用一次性入料的方式，在恒温反应釜中加料600 g，研究不同反应温度(430, 445, 460℃)下减压渣油的结焦特性，其原料性质如表2所示。

表2 原料的一般性质及四组分组成Table 2 General properties and four-component composition of raw materials

实验采用锡浴槽加热方式使反应釜温度恒定，模型验证在恒温绝热条件下进行，实验和模拟时间均为300 s，不同温度下焦炭质量分数如图3所示。

图3 不同反应温度下焦炭质量分数的实验值和模拟值的比较Fig.3 Comparisons of experimental and simulated mass fractions of coke at different reaction temperatures

从图3可以看出，随着温度升高，实验和模拟结果中的焦炭生成量逐步增加，实验与模拟结果的变化趋势一致，但模拟得到的焦炭质量高于实验值，这与Sawarkar等^[28]和李学刚^[29]的计算结果表现一致，主要是由于石油转化为焦炭过程需要时间积累热量，这段时间被称为生焦诱导期，而反应动力学模型中未考虑生焦诱导期；温度为430℃时，反应时间尚在生焦诱导期内，所以实验中的焦炭生成量为0，随着温度升高，生焦诱导期变短，焦炭生成量增加，而在模拟中生焦过程不需要生焦诱导期积累热量，所以焦炭生成量高于实验值，且随着反应温度升高，模拟值与实验值的误差会逐渐缩小。在本研究中，结焦反应主要发生在中间相成焦阶段，反应温度较高，可不考虑生焦诱导期，因此所构建的模型能够满足焦炭塔模拟的需要。

3 结果与讨论

焦炭塔内的操作温度对生焦过程有明显影响，但不同阶段的操作温度有区别，通常在初始进料阶段需要抑制焦炭的生长，从而获得更多中间相沥青质产物，以保证中间相沥青质能够定向有序排列，而融并过程应避免焦炭层固结影响后续物料进入塔内；当塔内物料达到预期高度后，再通过升温方式促使中间相沥青质向焦炭转变，从而获得结构均匀的优质石油焦产品，升温的方法包括壁面加热和通入高温蒸汽等。

本工作基于MFiX多相流计算软件模拟了原料在较低温度下进入焦炭塔内的过程，然后研究壁面加热、高温蒸汽加热两种方式调控塔内温度，以获得焦炭的生长分布特性。模拟对象为焦炭塔中试装置，如图4所示。为便于模拟，简化为二维模型，塔高H=1.732 m，直径D=0.32 m，底部入料口、塔顶出料口的直径为10 mm，主要计算参数设置如表3所示。

图4 焦炭塔中试装置(左图)和焦炭塔简化模型(右图)Fig.4 Pilot coke drum (left) and simplified pilot coke drum (right)

表3 主要模拟参数Table 3 The main parameters used in the simulation

Note: * The time step is adjustable in the simulation according to Courant number.

3.1　焦炭塔入料阶段的模拟

焦炭塔入料阶段的温度一般较低(通常低于450℃^[13])，以避免结焦而产生更多中间相沥青质，因此设置了三组入料温度，分别为400, 420, 440℃。入料前焦炭塔一般会通过预热的方式避免温度快速下降，因此设置塔内初始温度为350℃，模拟时间为150 s。原料选取催化油浆，其一般性质和四组分组成如表4所示。

表4 催化油浆的一般性质及四组分组成Table 4 General properties and four-component composition of catalytic slurry

中间相沥青质是生成石油焦的前驱体，在入料反应阶段，工艺目标是尽可能生成较多且均匀分布的中间相沥青质，图5为不同温度下中间相沥青质和焦炭的质量分数分布云图。从图中可以看出，通过控制入料温度可以促使原料生产更多的中间相沥青质，同时焦炭的生成量较少；随着入料温度升高，焦炭和中间相沥青质的生成量均有所增加，表明生焦反应过程对温度变化较为敏感。

图5 不同温度下中间相沥青质质量分数分布(a)和焦炭质量分数分布(b)

Fig.5 Mass fraction distributions of mesoasphaltene (a) and coke (b) at different temperatures

图6为产物中间高度(Y=0.1 m)的质量分布曲线，由于中间孔道的温度较高，中间孔道处流速较快，因此中间相沥青质和焦炭产率在中间孔道处分布较少。而在靠近壁面处(流速较小)中间相沥青质和焦炭产率有所降低，反映了温度和流速对中间相沥青质和焦炭产率分布有协同作用，即较低流速和较高温度将抑制两种产物生成，因此在中心孔道和边壁之间的区域，中间相沥青质和焦炭产率较高。

图6 Y=0.1 m高度处中间相沥青质(a)和焦炭(b)质量分数的径向分布

Fig.6 Radial mass distributions of mesoasphaltene (a) and coke (b) at the height of Y=0.1 m

图7为第5 s时Y=0.01 m处和第100 s时Y=0.25 m处气液两相流线图。初始时刻气液两相物料向边壁流动，在壁面处产物分布较多，随着液面升高，在液面顶部还会产生旋涡，增加了反应物在该位置的停留时间，因此在中间孔道附近逐渐有产物生成，由中间相生成的焦炭自下而上堆积，形成了图6所示的分布状态。

图7 不同床层高度下气相和液相的流线图(Y=0.01和0.25 m)Fig.7 Streamline diagrams for gas and liquid phase at different bed heights (Y=0.01 and 0.25 m)

图8为焦炭塔内中间相沥青质和焦炭的平均质量分数随温度的变化情况，随着温度增加，中间相沥青质和焦炭的生成量均会增加，中间相沥青质的产率明显高于焦炭产率。在实际生产中，可以根据需求调节入料阶段的温度，从而抑制焦炭生长，促进中间相沥青质均匀分布，达到精准调控。

图8 中间相沥青质和焦炭平均质量分数随温度的变化Fig.8 Variations of mass fractions of mesoasphaltene and coke with temperature

除生成中间相沥青质和焦炭外，反应中还会产生汽油、柴油、蜡油及其他小分子，这些产物会以气态的形式从塔顶逸出。图9为不同温度下气体体积分数分布。可以看出，温度越高，气体的生成量越高，气体体积分数分布表现为较明显的非均匀分布，由中心孔道向四周逐渐降低，气体的量自下而上逐渐升高，这是由于气体密度较小，在生成后会逐渐向上运动，并在床层表面逐渐累积形成泡沫层。

图9 不同入料温度下的气体体积分数分布Fig.9 Distributions of gas volume fraction at different feeding temperatures

3.2　中间相沥青质成焦过程的调控研究

中间相沥青质作为焦炭产品的过渡产物，对于生焦过程有重要影响。在低温入料阶段生成较多的中间相沥青质后，在生焦阶段需要对床层进行升温调控，以加快中间相沥青质向焦炭产品转化。本工作开展了对中间相沥青质成焦阶段的温度场调控研究，加热方式包括壁面加热和通入高温蒸汽，并研究了温度场、产品质量分数的变化规律。在中间相成焦过程调控的实验研究中，王永涛^[30]将净化沥青(PP)与焦化重油(CGO)按一定比例混合作为原料制备针状焦。在模拟中，借鉴了实验室的操作流程，将中间相沥青质与原料油中四组分按照一定比例混合作为原料，调配后的原料组成如表5所示。

表5 原料组成Table 5 Composition of raw materials

3.2.1 基于壁面加热的焦炭塔温度场调控

图10(a)为壁面加热调控过程示意图，壁面温度设定为恒定480℃，塔内物料的温度为420℃，此外塔底通入420℃蒸汽，其目的是调控塔内的流体速度，从而能够起到拉焦作用，模拟时间200 s。图10(b)为壁面加热过程的温度场分布，可以看出热量由壁面向塔内进行传递，壁面处温度较高，中心位置温度较低，在中间气流主通道位置温度略有升高，整体呈非均匀分布状态，由于焦炭塔内部在反应初期吸收热量较多，温度低于初始温度，而底部通入的420℃的气流又对热量进行补充。焦炭质量分数分布如图10(c)所示，焦炭的分布规律与温度场分布一致，即温度越高的位置，生焦量越多，这是由于升高温度会提高中间相沥青质向焦炭的转化速率，内部的焦炭在壁面富集。图11为塔内三个高度的温度场分布和焦炭质量分数分布曲线，焦炭产率与温度分布具有一致性，靠近壁面处温度高、反应速率快，焦炭生成量高。在Y=0.8 m处温度场分布相对均匀，这是由于在Y=0.8 m处(主反应区液面上方)气体产物较多、气液相混合较好，壁面处被加热的气相和液相流体能够快速与塔内流体混合，快速传热，因此温度分布较为均匀，而在Y=0.2 m处(反应器底部)，被加热的流体与塔中部流体混合性较差，因此壁面处流体与焦炭塔中部流体的温差较大。

图10 (a) 壁面加热调控示意图；(b) 200 s时刻液相温度场分布；(c) 200 s时刻焦炭质量分数分布Fig.10 (a) Schematic diagram of temperature regulation by wall heating; (b) temperature field distribution of liquid phase at 200 s; (c) mass fraction distribution of coke at 200 s

图11 壁面加热时不同高度液相温度场(a)和焦炭质量分数(b)的径向分布Fig.11 Radial distributions of liquid phase temperature (a) and coke mass fraction (b) at different bed heights by wall heating

焦炭塔内气体体积分数的分布如图12所示，可以看出，通入的气流和反应产生的气体在塔内以气泡的形式分布，由于壁面处反应速率较快，反应产生的气体较多，同时塔底通入的气流也会逐渐向壁面扩散，因此除中心孔道外，气体体积分数呈现由壁面向塔内逐渐降低的趋势，体现了壁面加热的明显效果。

图12 壁面加热时不同高度的气体体积分数的径向分布Fig.12 Radial distributions of gas volume fraction at different bed heights by wall heating

3.2.2 基于高温蒸汽的焦炭塔温度场调控

图13(a)为高温蒸汽加热调控温度场示意图，壁面温度设定为恒定420℃，塔内物料的温度为420℃，塔底通入480℃蒸汽，其目的是利用高温蒸汽对物料进行加热，同时利用气流的高速运动起到拉焦作用，避免焦炭沉积，通过高温蒸汽加热的方式调控生焦过程的温度场分布如图13(b)所示。从图中可以看出，高温气流与液相油品进行了充分的热量传递，液相温度的分布呈现从中心向塔壁逐渐降低、从塔底向上逐渐升高的趋势。图13(c)为焦炭的质量分数分布，呈中间向壁面逐渐升高的趋势。在壁面处观察到温度略有升高，这是由于在反应初期吸收的热量较多，温度有所升高，而恒温壁面也对靠近边壁的物料起到了保温作用。

图13 (a) 高温蒸汽加热调控示意图；(b) 200 s时刻液相温度场分布；(c) 200 s时刻焦炭质量分数分布

Fig.13 (a) Schematic diagram of temperature regulation by steam heating; (b) temperature field distribution of liquid phase at 200 s; (c) mass fraction distribution of coke at 200 s

图14为塔内三个高度处的液相温度场分布和焦炭质量分数分布，可以看出，焦炭塔内部大部分区域轴向高度越高，温度越高，这是由于塔底液相浓度高，反应更加剧烈，吸热量较多；靠近壁面处轴向高度越高，温度越低，这是由于主反应区上方气液混合充分，热量分布较为均匀。焦炭的质量分数分布总体较为均匀，轴向高度较低的位置生焦量高。

图14 高温蒸汽加热时不同高度液相温度场(a)和焦炭质量分数(b)的径向分布Fig.14 Radial distributions of liquid phase temperature (a) and coke mass fraction (b) at different bed heights by steam heating

图15为通入高温蒸汽时塔内三个高度处的气体体积分数分布，图中显示在焦炭塔内自下而上气体体积分数逐渐升高，其中在Y=0.2和0.5 m处气体体积分数分布较为均匀，而Y=0.8 m处没有明显规律，这是由于主反应区上方气体体积分数较高，同时气流温度高，运动更剧烈。

图15 高温蒸汽加热时不同高度的气体体积分数的径向分布

Fig.15 Radial distributions of gas volume fraction at different bed heights by steam heating

4 结论与展望

基于欧拉模型建立了焦炭塔内生焦过程的流动-传热-反应耦合的多尺度模型，对焦炭塔的初始进料阶段和中间相沥青质成焦过程进行模拟，得到以下结论：

(1) 计算模型方面：基于MFiX软件建立了重油焦化过程的流动-传热-反应耦合模型，该模型考虑了焦炭塔内气、液、固三相运动特点，将焦炭视为堆积颗粒，通过耦合动力学模型、热力学模型和反应模型，实现了气、液、固三相独立建模，通过与釜式反应器焦化实验对比，验证模型的准确性。

(2) 生焦机理方面：焦炭塔内的流动-传热-反应过程受温度主导，并与内部气体、液相运动过程密切相关。温度越高可以促进焦炭、中间相沥青质的生成，但焦炭生成量多的位置液相分布较少，流动性较差，反应速率逐渐降低，进而形成了多物理场主导控制下的产物非均匀分布。

(3) 焦炭塔温度场调控方面：采用壁面加热、通入高温蒸汽等方式调控中间相沥青质成焦过程，一方面升高温度可以加速焦炭的生长，抑制产物的非均匀分布；另外通入的气流和反应产生的定向流动能够起到拉焦作用。

当前反应动力学采用七集总模型作为生焦动力学模型，未来可根据原料性质差异耦合十一集总^[31]或十四集总模型^[32]，进一步细化原料组成，使模型更具有普适性，并在工业焦炭塔中开展模拟。

略

CFD simulation and temperature regulation of the coke drum

Boyan CHEN ^1,² Yuting CAO ³Yong ZHANG ² Guogang SUN ¹Yindong LIU ³Luhai WANG ³

1. Institute of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China
2. State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
3. Petrochemical Research Institute, China National Petroleum Corporation, Beijing 102249, China

Abstract: Coke drum is the conventional reactor for processing heavy oil into light chemicals in petrochemical industry. Because of the high operation temperature within the reactor, experimental monitoring is particularly difficult. The complex processes within the coke drum involve the fluid flow, heat transfer and reaction, and the heterogeneous temperature distribution make it challenging for precise regulation. This study considers the distribution of gas phase, liquid oil, and solid coke in the reactor and adopts continuous medium model (Eulerian model) to simulate the motion of three phases and couples the heat transfer model and seven-lumped reaction kinetics model, so as to establish a multiscale model for the coke drum reactor. The accuracy of this model is validated by comparing the simulation and experiment results in the kettle reactor. Furthermore, the feeding process and the coke growth from mesoasphaltene are modelled, and the flow field, temperature distribution, and coke generation rate under different operating conditions are studied. The results show that the coking process and the heterogeneous distribution of multi-physical field in the reactor are greatly influenced by temperature. The mass fraction and growth rate of coke and gas products increase a lot at high temperature. In order to regulate the distribution and growth rate of the coke product, the mesoasphaltene, which is the precursor product of the coke, is generated with temperatures no more than 450℃ at feeding stage, so that the coke growth rate is restricted. Afterwards, the temperature is improved by heating reactor walls and injecting high-temperature steam, in which the reaction rate of mesoasphaltene towards coke product increases and the uniform distribution of coke can be obtained. This study provides an important case for regulating distribution and growth of coke product by coordinating the temperature field and flow characteristics within the coke drum.

Keywords: coke drum；Eulerian model；mesoasphaltene；temperature regulation；coke distribution

引用本文：陈渤燕, 曹玉亭, 张勇, 等. 焦炭塔的CFD模拟与温度场调控. 过程工程学报, 2024, 24(4): 414-424. (Chen B Y, Cao Y T, Zhang Y, et al. CFD simulation and temperature regulation of the coke drum (in Chinese). Chin. J. Process Eng., 2024, 24(4): 414-424, DOI: 10.12034/j.issn.1009‑606X.223145.)

作者简介：陈渤燕，硕士研究生，动力工程专业，E-mail: bychen@ipe.ac.cn；

作者简介：张勇，副研究员，化学工程专业，E-mail: zhangyong@ipe.ac.cn

基金信息：中国石油科技管理部常规项目(编号：2021DJ5908)；国家自然科学基金资助项目(编号：22008239)

中图分类号： TE96

文章编号：1009-606X(2024)04-0414-11

文献标识码： A

收稿日期：2023-05-16

修回日期：2023-09-14

出版日期：2024-04-28

网刊发布日期：2024-05-08

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过程工程学报

《过程工程学报》(月刊)创刊于1976年，由中国科学院过程工程研究所主办、科学出版社出版。《过程工程学报》以过程工程科学为学科基础，重点刊登材料、化工、生物、能源、冶金、石油、食品、医药、资源及环境保护等领域中涉及过程工程的原创论文。

陈渤燕, 曹玉亭, 张勇, 等丨焦炭塔的CFD模拟与温度场调控

1 前 言

2 模型与方法

2.1 运动模型

2.2 传热模型

2.3 反应模型

2.4 模型验证