Three Dimensional Coupled Simulation of Furnaces and Reactor Tubes for the Thermal Cracking of Hydrocarbons

Simulation tridimensionnelle et couplée des fours et des tubes de réacteurs pour le craquage thermique des hydrocarbures

Universiteit Gent

Abstract

Thermal cracking of hydrocarbons has gone through a significant evolution over the past 20 years. Improved metallurgical properties together with a better understanding of the chemical aspects have led to new configurations for furnace and reactor, all aiming for high severity cracking. A full 3D CFD model containing transport equations for mass, momentum and energy has been implemented in the software code FLOWSIM, together with the k-epsilon turbulence model. It has been coupled with the appropriate kinetic models (the radical reaction scheme CRACKSIM for the reactor and combustion kinetics for the furnace) and an overall iteration scheme has been developed for a coupled furnace-reactor simulation allowing to simulate industrial units. This approach has been applied for a propane cracking furnace, providing detailed understanding of the transport mechanisms taking place.

Résumé

Le craquage thermique des hydrocarbures a évolué d'une manière significative au cours des 20 dernières années. Des progrès dans les métallurgies associés à une meilleure compréhension des mécanismes de réaction ont conduit à de nouvelles configurations pour les fours et les réacteurs qui s'orientent toutes vers des conditions de craquage plus sévères. Une modélisation directe et tridimensionnelle comprenant des équations de transport de masse, de moment et d'énergie a été implantée dans le code FLOWSIM, en même temps que le modèle k-epsilon de turbulence. Cette modélisation a été couplée avec les modèles cinétiques appropriés (le schéma CRACKSIM pour les réactions radicalaires dans le réacteur et les cinétiques de combustion dans le four) et un schéma itératif global a été développé pour la simulation couplée four-réacteur permettant de simuler des unités industrielles. Cette approche a été appliquée à un four de craquage pour le propane, apportant une compréhension détaillée des mécanismes de transport qui s'y déroulent.