催化外取熱器換熱分析*

王春峰，萬德斌，王 寧，孫惠山

催化外取熱器換熱分析*

王春峰1，萬德斌1，王 寧2，孫惠山1

（1.中國(guó)石油華東勘察設(shè)計(jì)研究院，山東青島266071；2.中國(guó)石油天然氣第七建設(shè)工司，山東青島266300）

外取熱器是催化裂化裝置主要的冷卻和余熱回收設(shè)備;隨著催化裂化技術(shù)的發(fā)展，外取熱器的形式也在不斷的改進(jìn)。外取熱器的換熱是催化劑流化床和床內(nèi)埋管之間的傳熱，傳熱的機(jī)理也比較的復(fù)雜。過去對(duì)外取熱器計(jì)算方法的探討涉及很少，在借鑒了一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和工程資料數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，筆者對(duì)外取熱器的計(jì)算進(jìn)行初步的探討。

外取熱器；催化裂化；換熱計(jì)算；余熱回收

隨著催化裂化技術(shù)的快速發(fā)展，取熱器作為催化劑冷卻和能量回收的重要設(shè)備，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于催化裂化裝置中。取熱器按照布置方式分為內(nèi)取熱器和外取熱器兩種形式，內(nèi)取熱是直接在再生器內(nèi)部設(shè)置垂直或水平管道在再生器內(nèi)直接取熱。外取熱器是將催化劑引至再生器外部的取熱形式[1]。內(nèi)取熱器投資少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要催化劑循環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，不需要增壓風(fēng)系統(tǒng)。不足之處是熱負(fù)荷不能調(diào)節(jié)，啟動(dòng)和停用困難。外取熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資大，占地多，但因?yàn)槠渚S修方便，操作調(diào)節(jié)比例大，因而應(yīng)用的范圍很廣，已經(jīng)逐漸的取代了內(nèi)取熱器。內(nèi)取熱一般只應(yīng)用在過熱防焦蒸汽上面。

1 外取熱器分類介紹

外取熱器有多種分類方法，按催化劑的流動(dòng)方式分為，上流式、下流式、氣控式（內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)）、返混式、串聯(lián)式等多種形式[2]。按熱介質(zhì)分為蒸發(fā)取熱和過熱取熱或兩者兼有[1]。按水力循環(huán)方式分為自然循環(huán)取熱和強(qiáng)制循環(huán)取熱。

下流式外取熱器：催化劑自再生器密相床引出，經(jīng)熱催化劑斜管、單動(dòng)滑閥進(jìn)入外取熱器。在外取熱器下部送入流化風(fēng)，外取熱器床層以鼓泡床形式流化。催化劑與取熱單元進(jìn)行熱量交換。流化風(fēng)自頂部引出返回再生器，冷催化劑從外取熱器底部引出經(jīng)單動(dòng)滑閥、冷催化劑斜管返回再生器[2]。

下流式外取熱器換熱過程主要發(fā)生在催化劑密相區(qū)，傳熱系數(shù)高，同時(shí)需要流化風(fēng)的速度小，同時(shí)熱負(fù)荷的調(diào)節(jié)范圍較大，適于大型裝置的應(yīng)用[3]。

2 計(jì)算分析

外取熱器計(jì)算從設(shè)計(jì)角度分為設(shè)計(jì)型計(jì)算和校核型計(jì)算。設(shè)計(jì)型計(jì)算按照工程取熱量的要求，選取取熱管的形式、傳熱面積、管道長(zhǎng)度、管道的排列方式、取熱器外徑、從而完成設(shè)計(jì)計(jì)算。校核型計(jì)算是驗(yàn)證設(shè)計(jì)的模型是否能滿足當(dāng)前工程的需要，從而對(duì)模型進(jìn)行修改，以完成設(shè)計(jì)任務(wù)。實(shí)際計(jì)算的過程中兩者往往相互穿插，先設(shè)計(jì)后校核。從過程機(jī)理的角度分為水力計(jì)算，熱力計(jì)算和磨損計(jì)算。水力計(jì)算又分為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)計(jì)算兩種形式。

本文就下流式外取熱器的熱力計(jì)算進(jìn)行探討。取熱管為光管，管內(nèi)熱介質(zhì)為飽和汽、水兩相流。外取熱的傳熱過程實(shí)際上是管外流化風(fēng)攜帶催化劑與管內(nèi)的飽和汽、水進(jìn)行換熱，屬于流化床換熱過程。過程的控制方程為能量平衡方程和傳熱方程。

外取熱器換熱過程分析如下。

2.1 能量平衡方程式中：t1—催化劑入口的溫度，℃；

t2—催化劑出口的溫度，℃；

t3—流化風(fēng)入口的溫度，℃；

c1—對(duì)應(yīng)t1的催化劑比熱容，kJ/（kg·K）；

c2—對(duì)應(yīng)t2的催化劑比熱容，kJ/（kg·K）；

c—流化風(fēng)的比熱容，kJ/（kg·K）；

M—催化劑的質(zhì)量流量，kg/s；

M1—產(chǎn)生蒸汽的質(zhì)量流量，kg/s；

M2—流化風(fēng)的質(zhì)量流量，kg/s；

γ—汽化潛熱，kJ/kg。

2.2 傳熱方程

式中：Q—總?cè)崃浚琸J/h;

K—總傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

F—傳熱面積，m2；

△T—傳熱介質(zhì)的對(duì)數(shù)平均溫差，℃。

2.3 對(duì)數(shù)溫差方程

式中：△T1—催化劑入口溫度和飽和蒸汽溫度差，℃；

△T2—催化劑出口溫度和飽和蒸汽溫度差，℃。

2.4 傳熱系數(shù)式中：K—總傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

h1，h2—管內(nèi)外膜傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

R1，R2—管內(nèi)外積垢熱阻，W/（m2·℃）；

A1，A2—管內(nèi)外表面積，m2；

供應(yīng)是生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的上游環(huán)節(jié)，營(yíng)銷是生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的下游環(huán)節(jié)。每日優(yōu)鮮處于其供應(yīng)鏈核心位置，是上游供應(yīng)與下游營(yíng)銷的連接橋梁。每日優(yōu)鮮的供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)如圖所示：

δ—管壁厚度，m；

λ—管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。

2.5 管內(nèi)傳熱系數(shù)

對(duì)于中壓汽、水混合物蒸發(fā)管采用鍋爐熱力計(jì)算采用的傳熱公式。

2.6 管外傳熱系數(shù)

式中：dp—催化劑平均粒徑，m；

λg—?dú)怏w導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

Nu—奴賽爾數(shù)；

ε—取熱床層空隙；

μf—取熱床層表觀線速，m/s；

εmf—μf時(shí)取熱床層空隙；

ρg—?dú)怏w密度，kg/m3；

n—傳熱管在非軸線位置的校正系數(shù)，≤1；RT—流化床半徑，m。

以光管套管的取熱管為例，在換熱過程中催化劑放出的熱量要等于流化風(fēng)焓升的能量和水汽化的能量之和。工程中可以調(diào)節(jié)催化劑的流量控制外取熱器負(fù)荷的變化，一般催化劑的入口溫度是知道的，催化劑的出口溫度則根據(jù)外取熱器設(shè)計(jì)形式的不同而不同。

而在計(jì)算之初，要假定催化劑的出口溫度，然后計(jì)算能量方程和傳熱方程，看是否都滿足，根據(jù)差異值，調(diào)節(jié)出口溫度值，最終達(dá)到計(jì)算的平衡。人工手算得工作量非常大，宜適用程序循環(huán)迭代計(jì)算。通過一些算例，發(fā)現(xiàn)各個(gè)參量之間的關(guān)系。

3 數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

3.1 催化劑流量的增加對(duì)傳熱系數(shù)的影響

以光管套管取熱器為例，當(dāng)催化劑流量增加時(shí)，催化劑和外管壁的換熱系數(shù)增大，由式（6）可知，整個(gè)系統(tǒng)的傳熱系數(shù)都要相應(yīng)的增加，具體的變化關(guān)系如圖1。

圖1 催化劑循環(huán)量和傳熱系數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship of the catalyst circulation rate and heat transfer coefficient

裂化催化劑屬于典型的A類顆粒[5]，工程運(yùn)行時(shí)隨著流化風(fēng)的通入，催化劑固體顆粒逐漸的脫離接觸，氣體攜帶催化劑在外取熱器內(nèi)成鼓泡床或湍動(dòng)床運(yùn)行。鼓泡床的操作條件下，鼓泡床與鄰近區(qū)域進(jìn)行傳熱分為3個(gè)部分，顆粒對(duì)流傳熱，相間氣體對(duì)流傳熱，和輻射放熱，在催化裂化催化劑顆粒直徑范圍內(nèi)顆粒對(duì)流傳熱占主要的份額。當(dāng)催化劑的流量增加時(shí)候，取熱床層空隙會(huì)變小，從而增加顆粒對(duì)流傳熱的幾率，對(duì)傳熱系數(shù)的增加有正面的作用。

3.2 催化劑流量的增加對(duì)傳熱量的影響

如圖2由于增加催化劑的流量能夠使催化劑和取熱器壁面的傳熱系數(shù)增大，在換熱面積和對(duì)數(shù)平均溫差不變的情況下，取熱量自然要增加。增加趨勢(shì)接近于傳熱系數(shù)的增加趨勢(shì)。

圖2 催化劑循環(huán)量和傳熱量的關(guān)系Fig.2 Relationship of the catalyst circulation rate and heat transfer

3.3 催化劑流量的增加對(duì)催化劑出口溫度的影響

隨著催化劑流量的增加，催化劑出口溫度是增大的，這主要是因?yàn)榱髁吭黾硬粌H增大了傳熱系數(shù)，同時(shí)催化劑帶入的能量也隨著流量的增大而增大，取熱器吸收的能量小于催化劑帶入的能量，多余的能量自然要從催化劑帶出，因而出口溫度較高。

3.4 催化劑流量的增加肋片管類效率的影響

從圖3可以看出肋片的效率是隨著催化劑流量的增加而降低的。

圖3 催化劑循環(huán)量和肋效率的關(guān)系Fig.3 Relationship of the catalyst circulation rate and finefficiency

式中：η—肋效率；

h—肋高，m；

k—管表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

λ—管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

δ—管壁厚度，m。

催化劑流量增大時(shí)候mh值也變大，然而雙曲正切函數(shù)th（x）在作用域內(nèi)是單調(diào)增加的，數(shù)值在y=1和y=-1之間，當(dāng)x趨近于無窮大的時(shí)候，函數(shù)值趨近于1。在其作用于內(nèi)<1，所以隨著流量的增大，傳熱系數(shù)增大，從而導(dǎo)致mh增大，雙曲正切函數(shù)的增加率＜mh變量的增加率，故效率越來越低。

3.5 光管和肋片的實(shí)用性分析

如圖4光管加肋片后增大了傳熱面積，傳熱的性能有了很大的提好，傳熱系數(shù)幾乎大了一倍，可以節(jié)約大量的換熱面積。

圖4 光管和肋片管與傳熱系數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship of the Fluorescent tubes，finned tube and heat transfer coefficient

但同時(shí)肋片和釘頭與外管的聯(lián)結(jié)處焊接的焊縫聯(lián)結(jié)處理較困難。由于熱應(yīng)力的影響，失常開裂，埋下了安全的隱患。用光管安全性高些，但傳熱系數(shù)相對(duì)較低，相同的傳熱量需要更大的換熱面積。如果減小管徑，增加換熱管道的數(shù)量可以在取熱器外徑不變得情況下增大換熱面積。綜合考慮，小管徑光管要優(yōu)于肋片管。

[1]陳禮佩.淺論渣油催化裂化裝置外取熱器：FCCU外取熱器和余熱鍋爐現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)文集[C].1999.

[2]劉英聚，張韓.催化裂化裝置操作指南[M].北京：中國(guó)石化出版社，2005.

[3]王化秋，柴中良，鄭亭陸.催化裂化裝置氣控式外取熱淺析[J].煉油技術(shù)與工程，2003（11）：30-33.

[4]曹漢昌，郝希仁，張韓.催化裂化工藝計(jì)算于技術(shù)分析[M].北京：中國(guó)石化出版社，2000.

[5]陳俊武.催化裂化工藝與工程[M].北京：中國(guó)石化出版社，2003.

Heat Transfer Analysis of External Catalyst Cooler in FCC

WAMG Chun-feng1，WAN De-bin1，WANG Ning2，SUN Hui-shan1
（1.CNPC EastChina Design Institute，Shandong Qingdao 266071，China；2.China Petroleum 7th construction company，Shandong Qingdao 266300，China）

Catalyst cooler is a main cooling and heat recovery equipment in catalytic cracking unit.With development of catalytic technology，the type of external Catalyst cooler is continuously improved.External Catalyst cooler heat exchanger can carry out heat exchange between buried pipes in the fluidized bed and the catalyst fluidized bed，its heat transfer mechanism is more complex.Research on calculation method of superheater was very little in the past.In this paper，through referencing some design experiences and engineering data，calculation of superheater was discussed.

Catalyst cooler；FCC；Check calculation；Heat recovery

TE 965

A

1671-0460（2010）05-0611-03

2010-05-18

王春峰（1979-），男，工程師，碩士，河北省滄州市，2006年畢業(yè)河北工業(yè)大學(xué)，熱能工程：煉油設(shè)計(jì)工作。E-mail：wangchunfeng2010@126.com。