常减压装置的减压炉由于操作温度高、加工油品较重,设计不当极易发生炉管结焦。特别在减压深拔操作中,减压炉经常面临因结焦而导致操作周期缩短的问题。本文从炉管内油气工艺过程优化、管内及管外流场数值模拟三个方面展开研究,为工业减压炉的优化设计提供理论依据。从优化辐射室注汽条件的角度出发,本文提出了一种新的炉管注汽工艺,通过Petro-SIM软件进行理论计算,并与现场数据对比验证,将新工艺与现有工艺对比,研究得到炉管内油气两相的最佳流动形态和最佳油膜温度的控制方法。结果表明:新工艺能有效改善炉管内油气两相流动形态,并可根据所加工油品类型和操作条件的不同进行调整,降低炉管内发生结焦问题的风险。提出炉管注汽最优化准则:最佳注汽点在油品达到泡点温度时所在的位置,最佳注汽量为保证气化段油气两相流型为环状流的最小注汽量。对于管外烟气流场、温度场、燃烧反应和辐射传热过程的模拟,将实际减压炉辐射室进行全尺寸物理建模,建立了辐射室烟气稳态可压缩体系的控制方程。针对特定操作条件,利用Petro-SIM软件基于现场数据拟合得到炉管壁面的温度分布,并将其设定为炉管壁面的温度边界条件。采用火焰面模型模拟燃烧反应过程,该模型根据火焰面数据库计算氧原子自由基浓度,在计算氮氧化物生成方面精度较高。CFD计算结果与现场数据吻合良好,分析了辐射室内烟气流场和温度场分布特性及两者内在关系,以及氮氧化物排放情况。对管内油气两相流动、传热、相变及热反应过程,以一段水平炉管为例进行物理建模,建立油气在炉管内分层流动的三维CFD计算模型。本文采用SARA虚拟组分法代表油品体系,对文献中的油品热反应动力学模型进行改进,并将计算结果与实验值对比,结果表明改进后的模型适用于炉管内油品结焦反应过程的模拟。针对不同油品类型和炉管壁面温度条件,计算得到油品在炉管内的流场和温度场分布、气液相分离及生焦速率等信息。本文提出的炉管注汽新工艺对减压炉防结焦有重大意义,运用的计算分析方法为炉管工艺优化设计提供了理论指导。建立的减压炉管内及管外流场CFD计算模型,可用于对减压炉设计方案进行评估,并指导减压炉管排形式及布置、炉膛结构和操作条件等的优化设计。