100 Mt/a催化裂化裝置外取熱器計算及設(shè)計

劉硯

（淮南石油化工機械廠)

100 Mt/a催化裂化裝置外取熱器計算及設(shè)計

劉硯*

（淮南石油化工機械廠)

外取熱器是催化裂化裝置中保持反應(yīng)器、再生器熱平衡的主要設(shè)備。通過工藝計算確定了外取熱器直徑、取熱管面積，并對其結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和材料選取。

外取熱器工藝計算結(jié)構(gòu)設(shè)計材料選取換熱器

我廠為某煉油廠100 Mt/a催化裂化裝置設(shè)計制造一臺外取熱器。該套裝置采用同軸式再生反應(yīng)器。根據(jù)要求，外取熱器采取下流式，催化劑進出口采用單動滑閥控制。上部進口滑閥控制外取熱器內(nèi)催化劑料位，加之調(diào)節(jié)適宜的流化風量（0.2～0.5 m/s）,可達到較高的傳熱系數(shù)；下部出口滑閥通過控制催化劑的循環(huán)量，改變外取熱器內(nèi)催化劑溫度，并調(diào)節(jié)取熱負荷。取熱管束單根采用套管結(jié)構(gòu)，冷水（冷質(zhì)）從每根單元取熱管的內(nèi)管進水至底部，經(jīng)外部蒸發(fā)管逆流而上，與蒸發(fā)管外下降的熱催化劑（熱質(zhì)）充分進行熱交換，產(chǎn)生過熱水蒸氣，使熱水強制循環(huán)。下流式外取熱器和單元取熱管如圖1所示。

圖1 下流式外取熱器和單元取熱管

1 取熱器直徑及取熱管面積計算

1.1 確定外取熱器直徑

用戶提供的設(shè)備工藝參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)備工藝參數(shù)

催化劑循環(huán)量G為：

式中Δt為熱流體溫差。催化劑循環(huán)量實取300 t/h。

取熱器截面積A為：

其中，催化劑質(zhì)量流速取M=120 t/（m2·h）。

取熱器殼體內(nèi)徑Di為：

考慮到殼體內(nèi)襯隔熱耐磨層的厚度為100 mm，因此該取熱器殼體內(nèi)徑Di圓整后取Di=2.2 m。

1.2 確定取熱管換熱面積及根數(shù)

蒸發(fā)管束的熱交換段長度為10 m，蒸發(fā)管外徑為219 mm。每根蒸發(fā)管的換熱面積a為：

根據(jù)國內(nèi)同類裝置的設(shè)計經(jīng)驗，一般傳熱系數(shù)K在1 200～1 915.2 kJ/（m2·h·K）之間，故取K=1 550 kJ/（m2·h·K）。

傳熱介質(zhì)對數(shù)平均溫差Δtm為：

根據(jù)傳熱方程（忽略流化風帶走的熱損失）：

單元取熱管根數(shù)n為：

實際取20根。取熱管按同心圓分三層布置，中心1根，中間6根，外層13根。

1.3 核算催化劑質(zhì)量流速

催化劑實際的質(zhì)量流速M1為：

符合催化劑流速在100～140 t/（m2·h）的適宜范圍。式中A1為取熱器有效流通截面積。

1.4 蒸汽產(chǎn)量估算

水蒸氣溫度為250℃時，汽化潛熱值為q=1 708.6 kJ/kg。由Q=Mzq得蒸汽產(chǎn)量Mz：

2 設(shè)備主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計及選材

2.1 筒體

由于筒體內(nèi)介質(zhì)為從再生器密相床引入的熱催化劑及煙氣，其溫度高，壓力較低（僅為0.22 MPa），只需滿足筒體承受整體設(shè)備載荷所需的剛性要求即可。鑒于筒體內(nèi)部需進行隔熱耐磨襯里，所以選取筒體材質(zhì)為Q245R，經(jīng)核算筒體壁厚取20 mm滿足要求。

2.2 管束

管束內(nèi)部進口通250℃（4 MPa）飽和水，出口為250℃飽和蒸汽。管束是設(shè)備維護的關(guān)鍵，為便于管束的檢修、更換、安裝，封頭與筒體采用法蘭連接。封頭作為管束的管板，每根換熱單元（取熱管）與封頭進行焊接，使管束形成為整體。管束段設(shè)置兩個導(dǎo)向支持架，將管束固定，便于管束整體安裝，且在使用工況下不會在筒體內(nèi)部自由晃動。

取熱管采用內(nèi)外套管結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為進水管，外部為蒸發(fā)管，兩者在管底部相通（見圖1）。根據(jù)工藝參數(shù)以及考慮管外部熱催化劑顆粒的沖刷，選取蒸發(fā)管材質(zhì)為15CrMo，規(guī)格為?219 mm×12 mm，且管外部焊有翅片（材質(zhì)15CrMo）。進水管材質(zhì)為20鋼，規(guī)格為?133 mm×6 mm。這種翅片式取熱管增加了熱催化劑與翅片的碰撞幾率，大大強化了傳熱效率，同時也提高了外取熱器的操作彈性。

2.3 支座

為減弱裝置中風機振動的影響，外取熱器懸掛支座安裝在彈簧座上，并與平臺固定在一起。

3 結(jié)語

本設(shè)備采取了下流式結(jié)構(gòu)設(shè)計，催化劑進出口分別采用單動滑閥控制。其結(jié)構(gòu)特點是傳熱系數(shù)高、耗風量小、操作彈性大。尤其是在蒸發(fā)管外部焊有翅片，強化了傳熱效率，避免了原集水箱多管結(jié)構(gòu)中焊縫較多、應(yīng)力集中、易爆裂的弊端。由于每根單元取熱管是相對獨立的，出現(xiàn)個別單元泄漏時可直接將其關(guān)停，不影響外取熱器整體使用。在整個催化裂化裝置不停車情況下，關(guān)閉外取熱器催化劑出入口的滑閥，即可對外取熱器進行檢修或更換，非常方便。同時，由于使用單動滑閥控制，熱水強制循環(huán)，增加了設(shè)備的制作成本。

Calculation and Design of External Cooler in 100 Mt/a Catalytic Cracking Unit

Liu Yan

External cooler is main equipment for keeping thermal balance of reactor and regenerator in catalytic cracking unit.This article determines the diameter of external cooler and area of heat removing tube by process calculations,and describes structure design and material selection of external cooler.

External cooler;Process calculation;Structure design;Material selection;Heat exchanger

TQ 051.5

*劉硯，男，1963年生，工程師。淮南市，232033。

2011-11-15）