管式加热炉是石油化工过程中重要的加热设备,同时也是能耗最大的设备之一,对其生产过程的模拟与优化也成为了近年来加热炉的重点课题。因为其复杂的化学物理反应过程,以及内部传热过程相互耦合的复杂程度,使得直接对其进行模拟与参数优化变得更加困难。本文以某石化加工厂600万吨/年常压管式加热炉为研究对象,对加热炉传热过程进行了简化仿真建模与数值模拟两部分研究,以下为主要工作:(1)针对传统管式加热炉辐射与对流传热模型复杂且参数校正困难的情况,提出了一种各管路独立模拟再整体耦合传热的方法,将各个管路的辐射传热公式参数简化为整体的单一传热参数,从而简化了加热炉内辐射与对流过程,解决了参数的复杂校正困难。此外,简化模型将燃烧生成的烟气与火焰作为唯一热源,各段管壁作为中间介质接受烟气热量并对被加热流体传热。实验的仿真结果显示该简化模型可达到有效性与准确性;(2)利用CFD商业流体仿真软件FLUENT对管式加热炉炉膛内部进行了数值模拟。根据实际现场管式加热炉实际尺寸建立三维几何模型,FLUENT6.3软件对炉膛内温度场,流场,浓度场进行数值模拟,得到了其内部湍流,燃烧,传热的全部过程。仿真过程中,借助Gambit软件对炉膛,燃烧器,炉管进行三维几何的建模和网格划分。选用标准的k-e湍流模型,不同的燃烧模型与辐射模型进行对比实验。(3)实验探究,采用组分运输模型中的涡耗散模型,P-1辐射模型计算结果和工业运行数据吻合较好。结果表明,炉膛底部燃烧器附近会产生较大回流区,这对于炉膛内燃烧与温度分布有着相当重要作用,同时炉管表面向火侧与背火侧存在温度与热流不均现象,会严重影响炉管使用寿命。模拟计算结果为大型加热炉优化设计提供了理论指导。