催化外取热器换热分析

第39卷第5期当代化工vol.39,N.52010年10月Contemporary Chemical IndustryOctober, 2010催化外取热器换热分析王春峰',万德斌’,王宁2,孙惠山1(1中国石油华东勘察设计研究院,山东青岛26071;2中国石油天然气第七建设工司,山东青岛266300)要:外取热器是催化裂化装置主要的冷却和余热回收设备随着催化裂化技术的发展外取热器的形式也在不断的改进。外取热器的换热是催化剂流化床和床内埋管之间的传热传热的机理也比较的复杂。过去对外取热器计算方法的探讨涉及很少,在借鉴了一些设计经验和工程资料数据的基础上笔者对外取热器的计算进行初步的探讨关键词:外取热器;催化裂化;换热计算;余热回收中图分类号:TE965文献标识码:A文章编号:1671-0460(2010)05-0611-03随着催化裂化技术的快速发展取热器作为催2计算分析化剂冷却和能量回收的重要设备,已经广泛的应用于催化裂化装置中。取热器按照布置方式分为内取外取热器计算从设计角度分为设计型计算和校热器和外取热器两种形式内取热是直接在再生器核型计算。设计型计算按照工程取热量的要求,选取内部设置垂直或水平管道在再生器内直接取热。取热管的形式、传热面积、管道长度、管道的排列方取热器是将催化剂引至再生器外部的取热形式叫式取热器外径从而完成设计计算。校核型计算是内取热器投资少,结构简单,不需要催化剂循环调验证设计的模型是否能满足当前工程的需要,从而节系统,不需要增压风系统。不足之处是热负荷不对模型进行修改,以完成设计任务。实际计算的过能调节,启动和停用困难。外取热器结构复杂投资程中两者往往相互穿插先设计后校核。从过程机大,占地多,但因为其维修方便操作调节比例大理的角度分为水力计算,热力计算和磨损计算。水因而应用的范围很广,已经逐渐的取代了内取热力计算又分为自然循环和强制循环计算两种形式器。内取热一般只应用在过热防焦蒸汽上面。本文就下流式外取热器的热力计算进行探讨。取热管为光管,管内热介质为饱和汽、水两相流。外1外取热器分类介绍取热的传热过程实际上是管外流化风携带催化剂与管内的饱和汽、水进行换热,属于流化床换热过外取热器有多种分类方法按催化剂的流动方程。过程的控制方程为能量平衡方程和传热方程式分为,上流式、下流式、气控式(内循环、外循环)外取热器换热过程分析如下。返混式、串联式等多种形式。按热介质分为蒸发取21能量平衡方程热和过热取热或两者兼有叫。按水力循环方式分为c MtI-C2Mt=My +cM2(trt,)(1)自然循环取热和强制循环取热。式中:催化剂入口的温度,℃下流式外取热器:催化剂自再生器密相床引2催化剂出口的温度,℃;出,经热催化剂斜管、单动滑阀进入外取热器。在外t-流化风入口的温度,℃取热器下部送入流化风,外取热器床层以鼓泡床形c对应的催化剂比热容,k(kgK);式流化。催化剂与取热单元进行热量交换。流化风cx-对应t的催化剂比热容kJ(kgKe-流化风的比热容k(kg·K);自顶部引出返回再生器冷催化剂从外取热器底部M催化剂的质量流量kgs;引出经单动滑阀冷催化剂斜管返回再生器M一产生蒸汽的质量流量,kgs;下流式外取热器换热过程主要发生在催化剂M流化风的质量流量kgs;密相区,传热系数高,同时需要流化风的速度小,同2.2中国煤化工时热负荷的调节范围较大,适于大型装置的应用。CNMHG(2)·收稿日期:201005-18作者简介:王春峰(1979-),男,工程师,硕士,河北省沧州市,200年毕业河北工业大学,热能工程:炼油设计工作E-mail:wangchunfeng2010@126.coma612当代化工第39卷第5期Q=KF△T(3)变化关系如图1。式中:Q一总取热量,kJh;K一总传热系数,w(m2℃);F传热面积7传热介质的对数平均温差,℃E28523对数温差方程△T=(△Tr-△T2n(△T/△T2)(4)式中:△T催化剂入口温度和饱和蒸汽温度差,℃;7催化剂出口温度和饱和蒸汽温度差,℃。20024传热系数255K=/{(1h1)+R1+8/](AA1)+R+1/h23……(5)$的乎小求。小°°式中K—总传热系数,w(m℃);催化剂流量(t·hh,h管内外膜传热系数,W(m2℃);图1催化剂循环量和传热系数的关系R1,R管内外积垢热阻,w(m2·℃)Fig 1 Relationship of the catalyst circulation rate and heatA1,A?管内外表面积ansfer coefficient管壁厚度,m裂化催化剂属于典型的A类颗粒,工程运行A管壁导热系数,W(m·℃)。25管内传热系数时随着流化风的通入,催化剂固体颗粒逐渐的脱离对于中压汽、水混合物蒸发管采用锅炉热力计接触气体携带催化剂在外取热器内成鼓泡床或湍算采用的传热公式。动床运行。鼓泡床的操作条件下,鼓泡床与邻近区域进行传热分为3个部分,颗粒对流传热,相间气=Nu=0075(1-)(CP24"R(6)体对流传热,和辐射放热,在催化裂化催化剂颗粒直径范围内颗粒对流传热占主要的份额。当催化剂2.6管外传热系数R781-d4门,ppy2,[RR(7)的流量增加时候取热床层空隙会变小,从而增加式中:d催化剂平均粒径m;颗粒对流传热的几率,对传热系数的增加有正面的λ气体导热系数W(mK);作用。Nu一奴赛尔数;32催化剂流量的增加对传热量的影响一取热床层空隙如图2由于增加催化剂的流量能够使催化剂P催化剂颗粒和取热器壁面的传热系数增大,在换热面积和对数H取热床层表观线速,m/s;μ时取热床层空隙平均温差不变的情况下,取热量自然要增加。增加趋势接近于传热系数的增加趋势。n传热管在非轴线位置的校正系数,≤1;R流化床半径,m。以光管套管的取热管为例,在换热过程中催化剂放出的热量要等于流化风焓升的能量和水汽化185的能量之和。工程中可以调节催化剂的流量控制外取热器负荷的变化,一般催化剂的入口温度是知道的,催化剂的出口温度则根据外取热器设计形式的不同而不同而在计算之初,要假定催化剂的出口温度,然后计算能量方程和传热方程,看是否都满足,根据催化剂流量/(th")差异值,调节出口温度值,最终达到计算的平衡。人图2催化剂循环量和传热量的关系工手算得工作量非常大,宜适用程序循环迭代计Fig 2 Relationship of the catalyst circulation rate and heat算。通过一些算例,发现各个参量之间的关系3催化剂流量的增加对催化剂出口温度的影响3数据分析及结论随着催化剂流量的增加催化剂出口温度是增大的中国煤化工仅增大了传热系3.1催化剂流量的增加对传热系数的影响数,同CNMHG流量的增大而增以光管套管取热器为例,当催化剂流量增加大,及收的能量小寸催化剂带入的能量多时,催化剂和外管壁的换热系数增大,由式(6)可余的能量自然要从催化剂带出,因而出口温度较知,整个系统的传热系数都要相应的增加,具体的高。010年10月王春峰,等:催化外取热器换热分析61334催化剂流量的增加肋片管类效率的影响性能有了很大的提好,传热系数几乎大了一倍,可从图3可以看出肋片的效率是随着催化剂流以节约大量的换热面积。量的增加而降低的。500.00片雷光管10000094139715141554156615708689721031106310791088109催化剂流量/(t·h")催化剂流量/(t·h2)图4光管和肋片管与传热系数的关系图3催化剂循环量和肋效率的关系Fig 4 Relationship of the Fluorescent tubes, finned tube andFig 3 Relationship of the catalyst circulation rate andheat transfer coefficient但同时肋片和钉头与外管的联结处焊接的焊主要原始是因为:对于等截面直肋其效率v缝联结处理较困难。由于热应力的影响失常开裂,thmh);对于直肋埋下了安全的隐患。用光管安全性高些,但传热系数相对较低,相同的传热量需要更大的换热面积式中:m肋效率如果减小管径,增加换热管道的数量可以在取热器h-肋高,m;外径不变得情况下增大换热面积。综合考虑,小管k管表面对流换热系数,wm2℃);λ管壁导热系数,w(m2℃);径光管要优于肋片管。δ—管壁厚度,参考文献催化剂流量增大时候m值也变大,然而双曲正切函数t(x)在作用域内是单调增加的,数值在陈礼佩浅论渣油催化裂化装置外取热器:CU外取热器和氽y=1和y=-1之间,当x趋近于无穷大的时候,函数2刘英聚,张韩催化裂化装置操作指南M北京中国石化出版值趋近于1。在其作用于内<1,所以随着流量的增社大,传热系数增大,从而导致mh增大,双曲正切函]王化秋柴中良,郑亭陆催化裂化装置气控式外取热浅析几炼数的增加率