本发明属于重质油延迟焦化反应，具体涉及一种焦炭塔反应器流动、传热、反应耦合的模拟方法。
背景技术：
1、目前石油焦化过程的模拟主要是基于流程设计软件aspenplus、hysys、petro-sim等计算、加热炉中的cfd模拟，分馏塔装置的模拟，而针对焦炭塔内复杂流动和生焦过程模拟鲜有报道。有人采用aspen模拟软件对焦化装置中分馏塔、吸收塔等单元进行计算，对分馏塔温度、吸收油温度、柴油回流量等参数进行优化，达到节能减排、增加收益的目的。也有人对延迟焦化工艺作全流程模拟，对反应压力、反应温度和循环比进行灵敏度分析，考察其对焦化装置产品分布的影响，对延迟焦化全流程进行优化，从而对整个装置的实际运行操作具有指导意义。除了对延迟焦化工艺作全流程工艺优化设计的研究，针对单元系统的加热炉、分馏塔的模拟也有相关模拟方法。为了得到焦化炉内部的温度分布，一般采用计算流体力学软件cfx对工业焦化炉中的燃烧器、炉膛和炉管温度场进行模拟，通过耦合燃烧和传热模型模拟温度分布或炉膛内烟气温度分布，对加热炉的工程设计起到一定参考作用。而对于焦炭塔中的温度场和反应过程模拟尚属前沿技术，研究较少。主要是由于焦炭塔内涉及到气液固三相复杂流动、传热和反应过程，计算量巨大。
2、文献“cfd modeling of phase change and coke formation in petroleumrefining heaters”使用ansys软件对常减压装置中减压炉炉管结焦进行了研究，建立欧拉多相流模型，将液相视为连续相，气固两相视为分散相，该方法没有考虑石油焦化过程生成气体的相变过程，且模拟是炉管结焦过程，不是焦炭塔内的反应。
3、文献“焦炭塔运行数值模拟分析”采用有限元软件ansys模拟了焦炭塔生产过程中预热、进油、蒸气冷却和水冷等进行模拟，计算出塔壁与塔内介质温度场换热系数并预测塔壁寿命，该方法仅考虑了塔壁附近的热量传递，没有模拟焦炭塔内部的流动和反应状况。
4、文献“cfd simulation of a pilot plant delayer coking reactor using anin-house cfd code”采用openfoam软件中两相流模型(tfm)模拟了焦炭塔内石油焦化过程，将石油和气体看做相互渗透的两种连续介质，加入了传热和反应方程，该方法没有考虑焦炭的生长过程，以及气流对于焦炭生成过程的拉焦作用。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种焦炭塔反应器流动、传热、反应耦合的模拟方法，揭示内部温度场、压力场、浓度场等分布特征，从而对焦炭塔反应过程的操作参数、流程设计等提出优化建议。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种焦炭塔反应器流动、传热、反应耦合的模拟方法，包括以下步骤：
3、步骤一：利用建模软件建立焦炭塔几何参数，包括高度、直径、入料孔孔径、出料孔孔径；设定物性参数，包括生成气体种类、气体密度、焦炭颗粒密度、焦炭颗粒最小特征直径、重质油粘度，重质油密度；设置操作，包括入料速度、初始压力和温度；
4、步骤二：建立气相和液相的运动方程；依据气-液相之间、固-液相之间、气-固相之间的相间作用力建立气液相间的动量方程；；建立气相、液相、固相之间的传热模型；
5、本发明中，在建立气相、液相、固相之间的传热模型时，依据重质油在高温下的热解反应，包括饱和烃、芳香烃的热反应和胶质、沥青质热反应，考虑到液相流动比较缓慢，固相和液相之间的传热忽略不计。
6、步骤三：设置焦炭生成模型，根据焦炭生长的最小特征直径dp，焦炭生成的质量mp，获得生成的焦炭颗粒数目np＝mp/(ρcπdp3)，ρc为焦炭颗粒密度。
7、本发明所述的焦炭塔反应器流动、传热、反应耦合的模拟方法，步骤一中所述温度包括重质油初始温度和焦炭塔内部温度，所述重质油初始温度为450～500℃，焦炭塔内部温度250～350℃。
8、本发明所述的焦炭塔反应器流动、传热、反应耦合的模拟方法，步骤二中，气相和液相的运动方程为：
9、
10、其中：i＝1或2，1为气相，2为液相；ε表示体积分数；ρ表示流体密度；u表示流体速度；t表示时间；rin表示物理过程或化学反应引起的质量增加或消耗。
11、本发明所述的焦炭塔反应器流动、传热、反应耦合的模拟方法，步骤二中，气液相的动量方程为：
12、
13、
14、其中：εg表示气相的体积分数；ρρg表示气相密度；εl表示液相的体积分数；ρl表示液相密度；ug表示气相速度；t表示时间；pg表示气相静压力、代表相变压差；fgl表示气-液间作用力、fsg表示气-固间作用力、fsl表示液-固间作用力；τg表示气相粘性应力；τl表示液相粘性应力；g表示重力加速度。
15、本发明中，计算相间作用力时，需要采用相间作用力模型，相间作用力模型为本领域公知常用的模型，具体模型种类不做具体限定，优选计算模型参考finn et al.,calibration of drag models for mesoscale simulation of gas–liquid flowthrough packed beds,chemical engineering science,2017(172),722-730。
16、本发明所述的焦炭塔反应器流动、传热、反应耦合的模拟方法，步骤二中所述气相、液相、固相之间的传热模型包括气液传热和气固传热，气液传热的表达式为sg,convl＝γgla(tl-tg)，气固传热的表达式为sg,convs＝γgsa(ts-tg)，其中，sg,convl为气体-液相之间热量，sg,convs为气体-固相之间热量，a为单位接触面积，tg为气相温度，tl为液相温度，ts为固相温度，γgl为气液传热系数，γgs为气固传热系数，
17、
18、其中，l为特征长度，取值与焦炭颗粒最小特征直径dp相同，λg为气体的导热系数，nugl为气-液努森数，nugs为气-固努森数；
19、
20、
21、
22、
23、
24、其中regl、resg和prg分别代表气液相间雷诺数、气固相间雷诺数和普朗数，cpg为气相的比热，εg代表气相体积分数，ρg代表气相的密度，ug,ul分别是气相和液相的速度，μg代表气相的粘度，λg为气体的导热系数。
25、本发明所述的焦炭塔反应器流动、传热、反应耦合的模拟方法，步骤三中所述最小特征直径dp为入料孔孔径的1/5～1/10。
26、本发明中，将最小特征直径dp设置为入料孔孔径的1/5～1/10可以防止堵孔。
27、本发明所述的焦炭塔反应器流动、传热、反应耦合的模拟方法，相变压差其中，pg为气相压力，pl为重质油压力。优选地，的表达式为
28、其中c1的值为180。dp为焦炭颗粒最小特征直径，εl表示固相体积分数，εs表示固相体积分数。
29、本发明有益效果：
30、本发明所述模拟方法考虑了焦炭塔内部的温度演化特征与分布特性，准确预测焦炭层沿着壁面生长过程；通过设置焦炭颗粒的最小特征直径建立了传热、流动和反应过程耦合关系；并考虑了重质油和气相之间的相变，可以反应反应器内部气流非均匀运动和气泡生长过程。
1.一种焦炭塔反应器流动、传热、反应耦合的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的焦炭塔反应器流动、传热、反应耦合的模拟方法，其特征在于，步骤一中所述温度包括重质油初始温度和焦炭塔内部温度，所述重质油初始温度为450～500℃，焦炭塔内部温度250～350℃。
3.根据权利要求1所述的焦炭塔反应器流动、传热、反应耦合的模拟方法，其特征在于，步骤二中，气相和液相的运动方程为：
4.根据权利要求1所述的焦炭塔反应器流动、传热、反应耦合的模拟方法，其特征在于，步骤二中，气液相的动量方程为：
5.根据权利要求1所述的焦炭塔反应器流动、传热、反应耦合的模拟方法，其特征在于，步骤二中所述气相、液相、固相之间的传热模型包括气液传热和气固传热，气液传热的表达式为sg,convl＝γgla(tl-tg)，气固传热的表达式为sg,convs＝γgsa(ts-tg)，其中，sg,convl为气体-液相之间热量，sg,convs为气体-固相之间热量，a为单位接触面积，tg为气相温度，tl为液相温度，ts为固相温度，γgl为气液传热系数，γgs为气固传热系数，
6.根据权利要求1所述的焦炭塔反应器流动、传热、反应耦合的模拟方法，其特征在于，步骤三中所述最小特征直径dp为入料孔孔径的1/5～1/10。
7.根据权利要求4所述的焦炭塔反应器流动、传热、反应耦合的模拟方法，其特征在于，相变压差的表达式为：
