摘 要

在高速发展的现代化工业当中，炭黑、石墨烯等高分子化合物是现代工业生产与发展必需品，本文主要研究目的是设计乙炔热裂解制备炭黑的裂解炉。本文在确定裂解炉主要尺寸和形状后，运用简易裂解炉膛结构建立了三维仿真模型及数学模型，利用CONVERGE软件和RNG-k-ε湍流模型，选择出了较优的径长比模型，并对其又进行了CFD仿真模拟结果精确性进行了优化。通过模拟结果进行比较，综合各类结果选择一个较为理想的裂解炉结构。并再次代入模型进行对网格划分、边界条件等封面的二次优化，得出更利于反应发生的初始条件。目的不仅设计出较为优秀的乙炔裂解炉模型，并且让CFD仿真模拟结果更契合实际情况。通过数值模拟方法对了解裂解炉内温度和组分的分布有一定的指导意义，并为热裂解工艺参数的优化和热裂解炉体结构优化奠定了基础。

关键词：乙炔；裂解炉；尺寸优化；计算流体力学

Abstract

In the high-speed development of modern industry, polymer compounds such as carbon black and graphene are necessary for modern industrial production and development. The main research purpose of this paper is to design a cracking furnace for the thermal cracking of acetylene to produce carbon black. In this paper, after determining the main size and shape of the cracking furnace, a simple cracking furnace structure was used to establish a three-dimensional simulation model and mathematical model. Using CONVERGE software and RNG-k-ε turbulence model, a better diameter-to-length ratio model was selected and The accuracy of CFD simulation results was optimized. By comparing the simulation results, a more ideal cracking furnace structure is selected based on various results. And then substitute the model to carry out the second optimization of the cover of grid division, boundary conditions, etc., and obtain the initial conditions that are more conducive to the reaction. The purpose is not only to design an excellent acetylene cracking furnace model, but also to make the CFD simulation results more realistic. The numerical simulation method has certain guiding significance for understanding the temperature and component distribution in the cracking furnace, and lays the foundation for the optimization of the thermal cracking process parameters and the optimization of the thermal cracking furnace structure.

Key Words：Acetylene; cracking furnace; size optimization; computational fluid dynamics

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究概况 2

1.2.1 国内外裂解技术发展概况 2

1.2.2 热裂解设备 3

1.3 数值模拟技术研究现状 3

1.4研究目的及研究内容 4

第2章 仿真模型的建立 6

2.1 裂解炉的工作原理 6

2.2分子反应模型 6

2.3 控制方程 7

2.4 RNG-k-ε 湍流模型 8

2.5 边界条件参数 9

2.6物性参数 9

2.7 几何结构及网格划分 10

第3章 裂解炉的CFD模拟仿真 12

3.1 两种径长比方案内部温度场分布 12

3.2两种径长比方案内部反应物乙炔分布 13

3.3两种径长比方案内部生成物分布 15

3.3.1两种径长比方案内部C分布云图 15

3.3.2两种径长比方案排气口C含量比较 16

3.4两种径长比方案废料安全分析 17

3.5两种径长比方案优劣的评价 17

第4章 裂解炉边界参数优化 18

4.1 网格加密优化 18

4.2 进气速度优化 20

4.3壁面温度优化 22

第5章 结论与展望 25

5.1 全文总结 25

5.2 展望 25

致谢 26

参考文献 27

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

炭黑这类化学物质对现代化工业意义非凡，用于色素、塑料、橡胶、造纸、导电等领域。炭黑大多由石油气裂解得到的，而石油气是由各类烷烃组成的混合气体，在石油气燃烧过程中部分烷烃反应不完全，剩余的物质以分散的黑色粉末析出。这些黑色粉末从化工角度来讲是近乎球状的胶体粒子。随着高温环境的影响，粒子往往会熔结在一起形成形状不规则的聚集体。工业上炭黑主要靠槽法、辊筒法、炉法、喷雾法、灯烟法和热裂解法等途径生产加工出来。众所周知，橡胶物理性能通常用填料补强的方式提高，补强使橡胶的定伸应力、撕裂强度、拉伸强度、耐磨性能同时明显大幅度提高，从而使橡胶制品的使用寿命延长^[1]。

炭黑是橡胶工业用量最大的填料，炭黑是由不太稳定的范德华力聚集在一起的，因此炭黑粒子类似石墨有较高的表面能和比表面积，工业上常在橡胶领域内使用炭黑补强，形成重要的填料-橡胶网络和结合橡胶。目前炭黑补强理论中应用最为广泛和最具权威的是橡胶分子链滑动学说，该理论的核心观点是炭黑与橡胶以物理吸附作用结合在一起，这种关系让橡胶大分子能在炭黑表面滑动。

在橡胶工业供不应求的今天，不可再生且易造成污染的炭黑需求量越来越大。随着我国对环境保护、节能减排、循环利用重视程度日益提高，橡胶工业迫切需要寻求更环保、更高性能的炭黑。