延遲焦化混合噴霧冷焦新工藝數(shù)值研究

尹華卿，曹 軍，王元華，徐 宏

（華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237）

延遲焦化混合噴霧冷焦新工藝數(shù)值研究

尹華卿，曹 軍，王元華，徐 宏

（華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237）

通過建立包含多孔介質(zhì)模型、“等效流體”模型、二維軸對稱焦炭塔流固耦合模型，對延遲焦化大吹汽階段新老工藝?yán)浣惯^程進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算得出了傳統(tǒng)純蒸汽冷焦工藝條件下焦炭塔溫度分布并進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗(yàn)證，預(yù)測了水汽噴霧冷焦新工藝下焦炭塔瞬態(tài)溫度分布，分析了液態(tài)水含量對冷焦效果的影響及其規(guī)律，對新工藝的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了定量評價(jià)。結(jié)果表明：水汽噴霧冷焦新工藝下噴霧流量一定時(shí)，焦層冷焦效果隨水汽噴霧的液態(tài)水含量的提高先顯著改善后趨于穩(wěn)定再受到抑制；在壓力為0.3MPa、水汽噴霧流量為7.5t?h的條件下，液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9時(shí)，相對傳統(tǒng)蒸汽冷焦工藝，節(jié)約蒸汽量分別為36%，53%，64%，71%，79%，84%；使用513K的過熱蒸汽與353K的液態(tài)水通過霧化噴嘴進(jìn)行混合的條件下，當(dāng)液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8時(shí)，冷焦效果達(dá)到最優(yōu)，年增經(jīng)濟(jì)效益76.14萬元。

延遲焦化 混合 噴霧冷焦 多孔介質(zhì) 數(shù)值模擬

延遲焦化是石油深度加工的主要工藝之一，渣油以高流速通過加熱爐爐管，加熱到500℃左右進(jìn)入焦炭塔，依靠自身帶入的熱量進(jìn)行裂化、縮合反應(yīng)，生成氣體、汽油、柴油、蠟油和焦炭等產(chǎn)品［1］。焦炭塔是延遲焦化裝置的主要反應(yīng)設(shè)備，焦炭塔為間歇操作，生產(chǎn)周期有升溫、生焦、降溫3個(gè)循環(huán)階段。焦炭塔冷熱交替，循環(huán)周期一般為48h，一個(gè)周期內(nèi)，焦炭塔溫度從常溫升到490℃左右再降到常溫［2－4］。傳統(tǒng)工藝中，焦炭塔冷卻時(shí)依次進(jìn)行“小吹汽－大吹汽－小給水－大給水”的步驟，其中的小吹汽、大吹汽工質(zhì)為過熱蒸汽，主要用于汽提焦炭中的輕烴、確保后期給水通道暢通、防止黏油回降等，并在大吹汽階段初步實(shí)現(xiàn)對焦炭塔的冷卻。在大吹汽階段，以液態(tài)水代替蒸汽進(jìn)行冷焦，利用水蒸發(fā)的汽化潛熱，可以極大地節(jié)約蒸汽用量，且用水冷焦比用蒸汽冷焦降溫速率快，具有很大的節(jié)能優(yōu)勢。但是，在直接用水冷卻的急冷過程中，容易使焦層急劇變形而引起炸焦，使得焦層內(nèi)部通道堵塞，不利于后續(xù)冷焦過程的開展，同時(shí)，塔壁溫度大幅反復(fù)變化也將使焦炭塔產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力沖擊，不利于安全運(yùn)行和使用壽命［57］。近年來一種新的大吹汽階段氣液兩相噴霧的冷焦方法越來越受到人們的關(guān)注，即利用噴嘴［8］將蒸汽和液態(tài)水混合后產(chǎn)生氣液兩相噴霧，以氣液兩相噴霧作為冷卻工質(zhì)進(jìn)行焦炭塔的冷卻。郭崇志等［9］對用水代替蒸汽進(jìn)行冷焦的工藝中焦炭塔的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了水代汽工藝下焦炭塔冷焦過程中溫度與應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律。吳振華［10］使用智能噴霧系統(tǒng)，在實(shí)際生產(chǎn)中成功實(shí)現(xiàn)了大吹汽過程隨時(shí)間變化調(diào)節(jié)所注蒸汽和凝結(jié)水的比例，并獲得節(jié)約蒸汽60%的效果。

本研究以焦炭塔為研究對象，建立中間孔道結(jié)構(gòu)焦炭塔的流固耦合模型，對傳統(tǒng)蒸汽冷焦和新工藝?yán)浣惯^程進(jìn)行研究，對傳統(tǒng)蒸汽冷焦工藝條件下的溫度場與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并預(yù)測新工藝條件下液態(tài)水含量對冷焦效果的影響，定量分析其經(jīng)濟(jì)性。

1 冷焦模型的構(gòu)建

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)與結(jié)構(gòu)模型

設(shè)計(jì)壓力：頂部0.3MPa，底部0.35MPa；操作壓力0.22MPa；設(shè)計(jì)溫度：頂部723K，底部748K；操作溫度713～748K；容積708m3。依據(jù)在某石化廠的現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果以及國內(nèi)外焦炭塔研究進(jìn)展，采用焦炭塔生焦完成后焦層中的一中間孔道結(jié)構(gòu)（如圖1所示）建立模型［11］，孔道直徑等于入口管路直徑。對于生焦高度，參考現(xiàn)場調(diào)研情況設(shè)為焦炭塔第二直筒段焊縫高度。焦炭塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 中間孔道結(jié)構(gòu)

表1 焦炭塔結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 有限元模型與邊界條件

1.2.1 焦炭層多孔介質(zhì)模型 多孔介質(zhì)廣泛存在于自然界與人類生活中，焦炭就是一種常見的具有多孔介質(zhì)特點(diǎn)的物質(zhì)。工質(zhì)通入焦炭塔，在焦炭塔內(nèi)裂化生焦，其流動(dòng)滲透與傳熱是一種典型的多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論現(xiàn)已經(jīng)形成較完備的理論體系［12］。在多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)模型的研究領(lǐng)域，孔隙率作為多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)［13－14］，而對于某些情況中由于多孔介質(zhì)的各向異性而限制了多孔介質(zhì)模型的使用［15］，本研究根據(jù)流動(dòng)特征設(shè)置不同區(qū)域的孔隙率來實(shí)現(xiàn)焦炭層不同方向流動(dòng)滲透的差異性。

1.2.2 材料屬性 焦炭塔體主體材料為Q245R；塔內(nèi)為焦炭層；保溫層材料為超輕硅酸鹽材料，厚度為200mm，保溫層與塔體黏結(jié)。

1.2.3 有限元模型 使用Ansys－Workbench模塊Geometry建模，焦炭塔內(nèi)部流場對稱分布，網(wǎng)格設(shè)置采用Mesh模塊中面映射的矩形網(wǎng)格劃分，采用分塊局部加密，建立二維軸對稱有限元模型，網(wǎng)格單元數(shù)量為389 508，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為390 933，平均質(zhì)量0.52，保證了冷焦模擬計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間。焦炭塔計(jì)算模型示意見圖2。

圖2 焦炭塔計(jì)算模型示意

1.3 基本設(shè)置

工質(zhì)流動(dòng)使用標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型方程［16］，中間孔道與焦炭層均為多孔介質(zhì)流動(dòng)與熱傳導(dǎo)模型［17］，固體壁面無滑移，塔內(nèi)壁為對流換熱耦合邊界，外壁為熱傳導(dǎo)耦合邊界，中間孔道周圍為焦炭層，中間孔道孔隙率設(shè)置為0.95，焦炭層中間有直線孔道結(jié)構(gòu)，焦炭層孔隙率ε為0.5，采用SIMPLE算法。

2 蒸汽冷焦工藝分析

2.1 邊界條件

焦炭塔某一周期中蒸汽冷卻階段的實(shí)測參數(shù)如下：小吹汽時(shí)間1h，質(zhì)量流量qm＝2t?h，大吹汽時(shí)間2.5h，qm＝8.3t?h；冷卻初始時(shí)刻塔頂溫度Ttop＝692K，塔底溫度Tbottom＝754K，塔底入口壓力0.3MPa，蒸汽溫度513K。入口定義為質(zhì)量入口（mass－flow－inlet）；出口定義為自由出口（outflow）；進(jìn)油生焦階段末期，塔內(nèi)高溫渣油不斷聚合、裂解，反應(yīng)、換熱充分，因此，忽略塔體與塔內(nèi)焦炭、油氣的溫度差，小吹汽初始溫度簡化為焦炭塔溫度將根據(jù)塔頂與塔底的溫度沿高度方向進(jìn)行線性插值，即：

式中：z為焦炭塔某一點(diǎn)距塔底的位置高度；Tz為位置高度z處的溫度。

壁面設(shè)置：內(nèi)壁面為流體與固體的耦合面，外壁面為塔壁與保溫層的接觸面，二者均設(shè)置為Coupled，保溫層外部與空氣進(jìn)行對流換熱，對流換熱系數(shù)α為12W?（m2·K）（與空氣的對流換熱系數(shù)通過反復(fù)試算直至塔頂與塔底的溫度與實(shí)際吻合）。小吹汽持續(xù)3 600s，qm＝0.556kg?s，小吹汽結(jié)束時(shí)刻的溫度場即為大吹汽初始溫度場，大吹汽9 000s，qm＝2.306kg?s。小吹汽、大吹汽初始溫度分布見圖3。

圖3 小吹汽、大吹汽初始時(shí)刻的溫度分布

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 焦炭層冷卻溫度場分析 由模擬結(jié)果可知，在冷焦過程中，被冷卻的焦層范圍分界面呈“拋物型”分布。為了定量評價(jià)大吹汽冷焦階段的冷焦效果，給出冷焦高度H的定義：冷焦高度為焦炭塔冷焦拋物面頂點(diǎn)距塔底的高度，最大值為焦層高度20.9m，如圖4所示。

圖4 大吹汽結(jié)束時(shí)刻的溫度場分布

此外，軸向冷卻速度快于徑向冷卻速度，大吹汽結(jié)束時(shí)刻，靠近塔壁部分的焦層冷卻高度為3.57m，冷焦高度為9.89m，這是因?yàn)檫^熱蒸汽沿入口管線軸向通入焦炭塔，軸向過熱蒸汽的流速快，對流換熱充分，而過熱蒸汽沿徑向進(jìn)入焦炭層的流動(dòng)方式為滲透，流速慢，主要依靠焦炭自身的熱傳導(dǎo)，冷卻慢。此外，由于中間孔道孔隙率高于焦炭層孔隙率，被冷卻的焦炭質(zhì)量少于焦層區(qū)域，因此中間孔道冷卻速率快于焦層區(qū)域。圖5為蒸汽冷焦不同時(shí)間焦炭塔溫度場分布。

圖5 純蒸汽大吹汽不同時(shí)間的焦炭塔溫度場分布

2.2.2 模型驗(yàn)證 焦炭塔模型的熱邊界條件是根據(jù)蒸汽冷卻開始時(shí)刻塔底、塔頂?shù)膶?shí)測溫度進(jìn)行賦值的，并經(jīng)過小吹汽結(jié)束時(shí)刻的溫度的反復(fù)試算。數(shù)值計(jì)算結(jié)果得出的小吹汽與大吹汽結(jié)束時(shí)刻塔底入口溫度分別為473K與475K，熱電偶實(shí)測值為473.1K與474.8K，塔頂溫度分別為664.7K與629.9K，實(shí)測值為665.2K和630.8K，溫度誤差在2K以內(nèi)。圖6為蒸汽冷卻階段塔底、塔頂溫度隨時(shí)間變化曲線，圖7為塔底、塔中、塔頂大吹汽階段溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖7可知，大吹汽冷卻階段塔高10.9m處的溫度變化趨勢與實(shí)測趨勢一致，并且數(shù)據(jù)吻合良好，因此，采用多孔介質(zhì)模型、k－ε湍流模型以及耦合傳熱模型的SIMPLE瞬態(tài)計(jì)算方法對焦炭塔的大吹汽冷焦進(jìn)行的模擬是合理的。

圖6 塔底、塔頂蒸汽冷卻階段溫度隨時(shí)間的變化曲線

圖7 塔底、塔中、塔頂大吹汽階段溫度隨時(shí)間的變化曲線

3 水帶汽噴霧冷焦工藝分析

3.1 均相流模型

均相流動(dòng)模型是把氣液兩相混合物看作一種均勻介質(zhì)，其流動(dòng)參數(shù)取兩相相應(yīng)參數(shù)的平均值。基本思想是：通過合適地定義兩相混合物的平均參數(shù)值，把兩相流當(dāng)作具有這種平均特性并遵循單相流體基本方程的“贗流體”［18］。均相流模型的基本假設(shè)是：①兩相間處于熱力學(xué)平衡，兩相具有相同的溫度并且都處于飽和狀態(tài)；②氣液兩相的流速相等，為均勻流。

3.2 氣液混合模型

在氣液混合模型中，有如下假設(shè)：在壓力一定的條件下，相對低溫T1的液態(tài)水與相對高溫T2的過熱蒸汽的混合過程為絕熱過程，換熱充分沒有熱量損失，混合均勻后的溫度為該壓力下對應(yīng)的水的飽和溫度T0。

總量為1kg的入口工質(zhì)中，水的汽化潛熱為γ，隨著液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)w的提高，混合過程有如下規(guī)律：當(dāng)液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到w1時(shí)，液態(tài)水全部汽化：

提高液態(tài)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)到w2時(shí)，水蒸氣恰好放熱降溫到飽和溫度，液態(tài)水被增溫到飽和溫度：

繼續(xù)提高液態(tài)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)到w3時(shí)，水蒸氣全部被液化，噴嘴出口處沒有氣相。

式中：ΔTl＝T0－T1，即混合后飽和溫度與液態(tài)水的溫差；ΔTg＝T2－T0，即過熱蒸汽與混合后飽和溫度的溫差；Cpl和Cpg分別為液態(tài)水和蒸汽的比熱容。

3.3 計(jì)算參數(shù)與邊界條件

3.3.1計(jì)算參數(shù)在絕對壓力為0.4MPa的條件下，采用353K的液態(tài)水與513K的過熱蒸汽通過霧化噴嘴形成混合噴霧，飽和蒸汽溫度為416.6K，汽化潛熱γ＝2 133 600J?kg。由式（1）～式（3）可知，當(dāng)液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在w1（0.071）到w3（0.895）之間時(shí)，噴霧為汽液兩相共存，溫度T＝416.6K，滿足均相流的條件，可將混合噴霧等效為一種新的冷卻工質(zhì)，其物性參數(shù)等效公式如下：

可得

式中：T0為混合均勻后等效流體溫度；T為等效流體與焦炭塔換熱后被加熱到的溫度，模型作如下簡化，即液態(tài)水與過熱蒸汽混合而成的等效流體從塔底通入到塔頂出口，與塔內(nèi)換熱充分，已充分加熱到塔頂溫度723K；Cp為等效工質(zhì)的比熱容，J?（kg·K）；ρ，ρl，ρg分別為等效工質(zhì)、液態(tài)水和蒸汽的密度，kg?m3；v，vl，vg分別為等效工質(zhì)、液態(tài)水和蒸汽的動(dòng)力黏度，N·s?m2；K，Kl，Kg分別為等效工質(zhì)、液態(tài)水和蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)，W?（m·K）。表2為等效后噴霧的物性參數(shù)。

3.3.2 邊界條件 焦炭塔初始溫度按塔頂、塔底設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行插值；小吹汽1h，qm＝0.556kg?s，工質(zhì)為513K蒸汽，小吹汽結(jié)束時(shí)刻溫度作為大吹汽初始溫度；大吹汽2.5h，qm＝7.5t?h＝2.083 kg?s，工質(zhì)為水汽噴霧，物性參數(shù)見表2；其它條件與蒸汽冷焦一致。

表2 噴霧等效物性參數(shù)

3.4 計(jì)算結(jié)果與分析

3.4.1 液態(tài)水含量對焦炭塔冷卻的影響 隨著噴霧液態(tài)水含量的增加，被冷卻區(qū)域的范圍逐漸擴(kuò)大。圖8為噴霧冷焦結(jié)束時(shí)刻，液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1～0.9時(shí)的焦炭塔溫度場分布。由圖8可見：在液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4時(shí)，冷焦高度已達(dá)焦層高度20.9m，塔內(nèi)大部分的焦炭已經(jīng)冷卻到介質(zhì)溫度416.6K；塔頂?shù)呐菽瓍^(qū)域冷卻范圍呈“井噴式”擴(kuò)大，迅速冷卻的規(guī)律。圖9為液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6時(shí)不同時(shí)間焦炭塔溫度場分布。由圖9可見，在大吹汽進(jìn)行到115min之后，泡沫區(qū)迅速冷卻，這是因?yàn)榇藚^(qū)域噴霧無需與焦炭進(jìn)行對流換熱和熱傳導(dǎo)，而是噴霧將塔內(nèi)的高溫油氣迅速排空。

圖8 不同液態(tài)水含量時(shí)冷焦結(jié)束時(shí)刻的溫度場分布

圖9 液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6時(shí)不同時(shí)間的溫度場分布

3.4.2 液態(tài)水含量對焦層徑向冷卻的影響 圖10為不同液態(tài)水含量時(shí)z＝10.9處溫度隨半徑的分布曲線。由圖10可見：隨著液態(tài)水含量的提高，焦炭冷卻范圍隨徑向不斷擴(kuò)大，由于塔壁與焦層主要依靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行傳熱，加上保溫層的作用，塔壁的溫度高于焦炭層和中間孔道處，焦炭塔內(nèi)外壁的溫差很小，不超過2K，徑向溫度梯度集中在保溫層中；此外，在緊靠內(nèi)壁的一層焦炭層中也存在較大的溫度梯度，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)這層焦炭是實(shí)際存在的，而且質(zhì)地堅(jiān)硬，與焦炭塔內(nèi)壁結(jié)合十分緊固，充當(dāng)了內(nèi)壁保溫層的作用，這也從另一方面佐證了模型的正確性。

圖10 不同液態(tài)水含量時(shí)z＝10.9處溫度隨半徑的分布曲線

3.4.3 液態(tài)水含量對焦層軸向冷卻的影響 圖11為不同液態(tài)水含量下不同冷焦時(shí)間的冷焦高度。由圖11可見，當(dāng)噴霧總流量一定時(shí)，液態(tài)水含量越高，液態(tài)水的汽化熱利用越充分，等效比熱容越大，冷焦效果越好；但液態(tài)水含量提高會(huì)導(dǎo)致混合噴霧的平均密度增大，流速降低，抑制了混合噴霧與焦層的對流換熱，制約了焦炭塔的冷卻效果。圖11在焦炭層有效冷卻的過程中，即冷焦高度未達(dá)到焦層之前，由冷卻90min時(shí)間不同液態(tài)水含量下的冷焦高度曲線可知：液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到0.6之前，冷焦高度隨液態(tài)水含量的提高顯著提高，此時(shí)，汽化潛熱起主要作用；當(dāng)冷卻水質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到0.6時(shí)，焦層冷卻的改善效果逐漸放緩；當(dāng)液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到0.8以上時(shí)，對流換熱系數(shù)降低已經(jīng)對冷卻起主要作用，此時(shí)再提高液態(tài)水含量不能繼續(xù)改善冷卻效果，因此液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8時(shí)達(dá)到最優(yōu)冷焦效果。

圖11 不同液態(tài)水含量下不同冷焦時(shí)間的冷焦高度

3.4.4 水汽噴霧冷焦工藝的經(jīng)濟(jì)性評價(jià) 液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到0.4以上時(shí)可以在2.5h內(nèi)完成焦炭層的冷卻，表3為液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9時(shí)冷焦高度到達(dá)焦層高度20.9m所需的冷卻時(shí)間、所消耗的蒸汽量和液態(tài)水量，相對傳統(tǒng)純蒸汽（流速7.5t?h）冷焦工藝所節(jié)約的蒸汽量及節(jié)約的成本（按照南京市蒸汽價(jià)格155元?t，每年開工300天計(jì)算）。由表3可見，在液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8時(shí)，達(dá)到最優(yōu)冷焦效果，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益76.14萬元。

表3 水汽噴霧冷焦工藝的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）焦炭層冷卻范圍呈“拋物型”，沿中間孔道方向的軸向冷卻速度快于主要依靠滲透的徑向冷卻速度。513K過熱蒸汽（小吹汽2t?h，大吹汽8.3t?h）冷焦結(jié)束時(shí)冷焦高度為9.89m，塔頂出口溫度為629.9K。

（2）相同大吹汽流量下，相對于純蒸汽冷焦工藝，水汽噴霧冷焦工藝噴霧冷卻效果更優(yōu)，冷焦高度隨液態(tài)水含量的提高呈先升高后趨于平緩再下降的趨勢。

（3）水汽噴霧冷焦工藝噴霧流量為7.5t?h時(shí)，使用液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.4的噴霧可以節(jié)約大吹汽冷焦的時(shí)間和蒸汽消耗量，相對于純蒸汽冷焦工藝，水汽噴霧冷焦工藝在液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9時(shí)，蒸汽節(jié)約百分比分別為36%，53%，64%，71%，79%，84%。

（4）使用513K的過熱蒸汽與353K的液態(tài)水通過霧化噴嘴進(jìn)行混合的條件下，液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8時(shí)的焦炭塔冷焦效果最優(yōu)，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益76.14萬元。這一預(yù)測結(jié)果對實(shí)際延遲焦化大吹汽階段工藝參數(shù)的優(yōu)化與調(diào)試具有指導(dǎo)意義。

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NUMERICAL SIMULATION OF NEW HYBRID ATOMIZATION PROCESS FOR COKE COOLING IN DELAYED COKER

Yin Huaqing，Cao Jun，Wang Yuanhua，Xu Hong
（State Key Laboratory of Chemical Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237）

A two－dimensional axisymmetric fluid－solid coupled model containing the equations of momentum and mass transfer in porous media as well as the equivalent fluid model is developed and used to simulate both traditional pure steam spray and new water－steam spray coke cooling method in big flow stage of delayed coking.The temperature distribution in coking drum using traditional steam cooling method was obtained and verified on－site.The transient temperature field in coke drum using new spray method was calculated.The influence of water content on the coke drum cooling effect and its regularity was analyzed.The economical efficiency of new method was evaluated quantitatively.The research results indicate that at a fixed water＋steam flow rate，the cooling effect is first quickly improved then slowed down and final restrained with increasing liquid water in the mixture.The optimum water fraction is 0.8to realize the best cooling effect.At the conditions of 0.3MPa and 7.5t?h mass rate of spray flow，the steam saving is 36%—84%when the liquid water fraction are 0.4—0.9respectively，relative to the traditional method.

delayed coking；mixing；spray coke cooling；porous media；numerical simulation

2015－09－07；修改稿收到日期：2015－11－20。

尹華卿，碩士研究生，主要從事延遲焦化節(jié)能、流動(dòng)傳熱與節(jié)能技術(shù)研究工作。

王元華，E－mail：jswyuanhua＠ecust.edu.cn。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)探索基金項(xiàng)目（WG1414044）；中國石油化工股份有限公司合同項(xiàng)目（113004）。