乙烯裂解过程是乙烯工业的关键技术之一,裂解炉是乙烯装置的核心设备。目前世界上仅有少数公司掌握生产乙烯的成套技术,国内对引进、吸收此项技术十分重视。但是截止目前,由于国内对裂解炉炉内的流体流动、燃烧、裂解反应与热量传递等情况缺乏充分的认识,导致我国乙烯裂解炉技术还比较落后。因此,深入研究裂解炉内传递与反应过程细节对于裂解炉运行分析和优化设计具有十分重要的意义。本文在研究国内外乙烯工业的历史、现状、发展趋势的基础上,全面系统的对乙烯裂解炉膛内燃料燃烧、烟气流动传热和反应管内的裂解原料的流动、传热及裂解反应等过程及其各个过程之间的耦合关系进行分析,采用扩散燃烧PDF模型,离散坐标辐射传热模型、25分子反应动力学并结合湍流k-ε模型,建立了能够描述裂解炉内燃烧与裂解反应等众多复杂传递反应过程及其耦合作用的综合数学模型。利用新建的乙烯裂解炉内的数学模型对齐鲁石化的北方裂解炉进行模拟计算,模拟计算结果与工业数据吻合良好,验证了建立的数学模型的准确性。并对乙烯裂解炉膛和反应管内的速度、温度、压力、热通量分布及组分浓度分布进行了进一步的分析,揭示了乙烯裂解炉内流动、传热、传质、燃料燃烧与裂解反应等过程的基本特征,以及这些过程之间强烈的耦合关系,为乙烯裂解炉的改造和设计提供全方位、多层次的化学工程参数。利用已经建立的乙烯裂解炉数学模型,对反应管内不同的操作参数(裂解原料质量流率、热通量和水蒸汽稀释比)和结构参数进行数值模拟,得到了不同工况下的温度及组分浓度分布。通过对模拟结果进行比较,定量掌握了各个操作参数和结构参数对裂解炉内燃烧与反应过程的影响,为裂解炉的设计和优化操作提供理论指导。通过对乙烯裂解炉分离迭代算法优缺点的分析,提出能真正体现炉膛与反应管之间的热量耦合关系的乙烯裂解炉耦合模拟计算的新方法,并对缩小简化的工业裂解炉进行模拟计算。计算结果表明:燃料与裂解原料分别在炉膛与反应管内各自的空间内进行一系列的流动、传热与传质过程,炉膛与反应管之间的热通量分布随空间的不同而不同,验证新方法的合理性。