100 Mt/a催化裂化裝置外取熱器計算及設計

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器、再生器熱平衡的主要設備。通過工藝計算確定了外取熱器直徑、取熱管面積，并對其結構進行設計和材料選取。

外取熱器工藝計算結構設計材料選取換熱器

我廠為某煉油廠100 Mt/a催化裂化裝置設計制造一臺外取熱器。該套裝置采用同軸式再生反應器。根據要求，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催化劑料位，加之調節適宜的流化風量（0.2～0.5 m/s）,可達到較高的傳熱系數；下部出口滑閥通過控制催化劑的循環量，改變外取熱器內催化劑溫度，并調節取熱負荷。取熱管束單根采用套管結構，冷水（冷質）從每根單元取熱管的內管進水至底部，經外部蒸發管逆流而上，與蒸發管外下降的熱催化劑（熱質）充分進行熱交換，產生過熱水蒸氣，使熱水強制循環。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

用戶提供的設備工藝參數如表1所示。

表1 設備工藝參數

催化劑循環量G為：

式中Δt為熱流體溫差。催化劑循環量實取300 t/h。

取熱器截面積A為：

其中，催化劑質量流速取M=120 t/（m2·h）。

取熱器殼體內徑Di為：

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

1.2 確定取熱管換熱面積及根數

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

根據國內同類裝置的設計經驗，一般傳熱系數K在1 200～1 915.2 kJ/（m2·h·K）之間，故取K=1 550 kJ/（m2·h·K）。

傳熱介質對數平均溫差Δtm為：

根據傳熱方程（忽略流化風帶走的熱損失）：

單元取熱管根數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 核算催化劑質量流速

催化劑實際的質量流速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得蒸汽產量Mz：

2 設備主要部件結構設計及選材

2.1 筒體

由于筒體內介質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備載荷所需的剛性要求即可。鑒于筒體內部需進行隔熱耐磨襯里，所以選取筒體材質為Q245R，經核算筒體壁厚取20 mm滿足要求。

2.2 管束

管束內部進口通250℃（4 MPa）飽和水，出口為250℃飽和蒸汽。管束是設備維護的關鍵，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。管束段設置兩個導向支持架，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部自由晃動。

取熱管采用內外套管結構，內部為進水管，外部為蒸發管，兩者在管底部相通（見圖1）。根據工藝參數以及考慮管外部熱催化劑顆粒的沖刷，選取蒸發管材質為15CrMo，規格為?219 mm×12 mm，且管外部焊有翅片（材質15CrMo）。進水管材質為20鋼，規格為?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 結語

本設備采取了下流式結構設計，催化劑進出口分別采用單動滑閥控制。其結構特點是傳熱系數高、耗風量小、操作彈性大。尤其是在蒸發管外部焊有翅片，強化了傳熱效率，避免了原集水箱多管結構中焊縫較多、應力集中、易爆裂的弊端。由于每根單元取熱管是相對獨立的，出現個別單元泄漏時可直接將其關停，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，增加了設備的制作成本。

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?；茨鲜校?32033。

2011-11-15）