加热炉设计导则

目 次1总则1.1 适用范围2 引用标准3 蒸馏炉设计要点3.1 炉型选择3.2 主要工艺参数的选择3.3 炉管材质的选择及壁厚计算4 热载体炉设计要点4.1 简介4.2 炉型选择4.3 主要工艺参数的选择4.4 炉管材质的选择和壁厚计算5 延迟焦化炉、减粘加热炉及沥青加热炉设计要点5.1 简介5.2 炉型选择5.3 主要工艺参数的选择5.4 炉管材质的选择和壁厚计算6 加氢炉设计要点6.1 加氢炉分类6.2 炉型选择6.3 主要工艺参数的选择6.4 炉管材质的选择及壁厚计算6.5 辐射管架的热膨胀问题6.5 炉管表面热电偶的设置7 重整炉设计要点7.1 炉型选择7.2 主要工艺参数的选择7.3 炉管材质的选择及壁厚计算7.4 结构设计注意事项8 润滑油精制炉设计要点8.1 炉型选择8.2 主要工艺参数的选择8.3 炉管材质的选择及壁厚计算9 气体加热炉设计要点9.1 炉型选择9.2 主要工艺参数的选择9.3 炉管材质的选择及壁厚计算10 制氢炉设计要点10.1 转化管内的化学反应简介10.2 工艺计算主要工艺参数及技术性能指标10.3 炉型选择10.4 转化管管系设计1 总则1.1 适用范围石油化工管式炉的设计应按照相关标准进行。这些标准对管式炉设计的各个方面均有详细规定，为避免重复，本导则仅对各类管式炉的设计要点进行阐述，以指导设计者正确进行设计。本导则适用于新建石油化工管式炉的设计，改扩建的石油化工管式炉设计也可参照执行。 2 引用标准 使用本导则时，尚应符合以下有关标准的规定：a) SHJ36 石油化工管式炉设计规范b) SHJ37 石油化工管式炉炉管壁厚计算方法c) SH3070 石油化工管式炉钢结构设计规范d) BA9-2-1 管式炉炉型选择及工艺参数的确定e) BA9-1-2 石油化工管式炉工艺计算f) BA9-4-3 管式炉炉管系统的设计g) BA9-4-1 管式炉燃烧器选用原则h) BA9-4-2 管式炉零部件的选用和设置i) BA9-1-3 管式炉炉衬设计j) BA9-1-5 管式炉钢结构设计荷载确定k) BA9-1-6 立式（箱式）管式炉钢结构设计l) BA9-1-7 圆筒形管式炉钢结构设计m) BA9-1-4 管式炉钢制平台 、梯子和栏杆n) BA9-5-1 管式炉余热回收方案的选用o) BA9-5-2 管式炉余热回收烟风道系统3 蒸馏炉设计要点 蒸馏炉包括原油蒸馏装置的常压炉、减压炉以及二次加工装置的常压和减压分馏塔进料加热炉。3.1 炉型选择 一般蒸馏炉，当热负荷不大于30MW时，优先选用辐射-对流型圆筒炉；当热负荷大于30MW时，通常选用立管立式炉或立管双室箱式炉。 立管炉的炉管与火焰平行，每一根炉管都要通过高温区。卧管炉的炉管与火焰垂直，只有部分炉管处在高温区。两者比较起来，前者支撑炉管的高合金管架少，投资省，但其局部过热而造成被加热油品裂解的倾向要比后者大得多。因此，生产润滑油的润滑油型减压炉应选用卧管炉。一些二次加工装置的产品品质要求较高，如重油加氢装置的常、减压分馏塔进料加热炉，也要求采用卧管炉。3.2 主要工艺参数的选择主要工艺参数包括辐射管外表面平均设计热强度（简称辐射管平均热强度，下同）和管内介质流速。一般蒸馏炉的主要工艺参数见表3.2。表3.2 蒸馏炉的主要工艺参数炉名辐射管平均热强度 W/m2质量流速立管炉卧管炉Kg/m2.s常压蒸馏炉3000037000360004400010001500减压蒸馏炉2400031000290003700010001500润滑油型减压蒸馏炉2100027000 表3.2中的质量流速是所谓”经济流速”，在此范围内，炉管内的总压降一般在0.50.7MPa。国外一些工程公司则认为应采用“品质流速”，即高流速，一般是经济流速的二至三倍，管内总压降高达1.22MPa。在高流速下，油品局部过热裂解的倾向小，最终油品的品质好。如设计采用“品质流速”，应取得工艺专业的认可，以便工艺专业考虑到高压降后选择泵的扬程。3.3 炉管材质的选择及壁厚计算 常压蒸馏炉，当被加热介质的硫含量小于0.5%（重）时，选用碳钢炉管。当硫含量不小于0.5%（重）时，对流室选用碳钢炉管，辐射室及遮蔽管选用Cr5Mo炉管，或全部选用Cr5Mo炉管。 减压蒸馏炉一般全部选用Cr5Mo炉管。当被加热介质含环烷酸、且酸值不小于0.5mg KOH/g油时，汽化段选用16Cr-12Ni-2Mo（美国钢号TP316L）。蒸馏炉的操作压力一般都低于2.5MPa，因此，炉管壁厚一般不用计算，而根据结构需要和工程经验选取;见表3.3。表3.3 炉管壁厚选用 外径，mm选择壁厚，mm 外径114, 114168 219 273壁厚选6mm壁厚选8mm壁厚选10mm壁厚选12mm3.4 炉管扩径3.4.1 减压蒸馏炉的汽化段炉管，一般要逐级扩径，以使其被加热介质接近于等温汽化。同时要求炉-塔之间的转油线为低速、低压降转油线。这种设计可以在较低的炉出口温度下，达到较高的汽化率（显热转化为潜热），保证减压分馏塔有较高的轻油收率，并能保证在整个汽化段内不至于超温，尽可能的减少油品裂解，从而保证最终产品有较好的品质。 逐级扩径应进行比较精确的分段计算，以保证整个扩径过程中均具有良好的流型- 雾状流或环雾流，避免可能出现水击的液节流。 每次扩径后的管段始端，一般容易出现不理想的流型，末端则容易出现超温，因此，计算过程中应适当调整各管径的管段长度，以保证理想的流型，且保证温度波动在3以内。典型的扩径方案有：152 219 273。3.4.2 减压炉至减压塔之间采用低速、低压降的转油线后，转油线的直径将变得很大，其自身的热膨胀难以得到补偿。如果让各支路转油线作成L型和型补偿器结构，则会使支路转油线的压降大大增加，炉出口处的压降升高。为此应减小支路转油线的长度，转油线的大部分热膨胀由炉出口管的预拉和退让来补偿。应该注意的是，从转油线、支路转油线到炉出口管之间的位移和应力必须统一进行严格的计算。再者，炉出口管和炉墙之间的密封问题也应采用密封套管来解决，使其既能密封良好，又不防碍炉出口管的自由位移。3.4.3 一般常压蒸馏炉是不扩径的。当常压蒸馏处理极轻的原油时，为避免过大的压降，也有将常压炉汽化段扩径的（如泽普炼油厂常压炉），但这要由计算来决定。4 热载体炉设计要点4.1 简介 当加热要求均匀缓和，严格控制和调节加热温度时,一般采用间接热源加热的方法。这种方法的加热设备和用热设备是分开的，中间由一种热载体的循环来传递热量。加热热载体的加热炉叫热载体炉。 石油化工常用的热载体有联苯类和热油类，联苯类主要是二苯混合物。它是联苯和联苯醚组成的低共熔共沸混合物，亦称道生油（DOWTHERM），其加热炉也称“联苯炉”或“道生炉”。热油类主要是石油产品或副产品经加工制得的，导热油是用沸程合适的石油馏分加工制成的，其加热炉亦称“热油炉” 热载体炉的最大特点是流量大、温升小。塔底重沸炉也具有这一特点，并且某些塔底重沸炉如芳烃联合装置中的二甲苯塔底重沸炉，其被加热介质还兼作热载体，因此，将这类管式炉也并入热载体炉一类。4.2 炉型选择二苯混合物具有水的某些特性，因此早期的联苯炉都类似于锅炉，如火管式联苯炉、水管式联苯炉。但石化行业用的联苯炉基本上还是管式炉。如圆筒炉、立管或卧管立式炉和箱式炉。十多年前出现了一种结构型式较为特殊的多层螺旋盘管式联苯炉，一般盘管层数为二至四层，多为三层，其管心距接近于炉管外径，彼 紧密相联、分层放置。其中最内一层一半管面受辐射传热，另一半管面受对流传热，其余各层均受对流传热。这种炉子微正压操作，结构紧凑，体积小，耗用金属材料及占地面积亦少。这种炉子一般都要采用“燃烧器管理系统”这样高水平的自动化控制系统。石油化工用热载体炉的炉型选择原则与蒸馏炉一样，不小于30MW一般选用辐射-对流型圆筒炉,大于30MW则选用立管或卧管的立式炉和箱式炉。4.3 主要工艺参数的选择 石油化工常用的热载体，无论是二苯混合物，还是导热油，在高温下都会分解，因此设计时应特别注意两点：a) 辐射管平均热强度不宜过高，且应核算其最大峰值时的油膜温度不应超过表4.3.1所列的最高使用温度。表4.3.1热载体二苯混合物YD300YD325YD340最高使用温度385300325340注：YD是燕山石化研究院生产的导热油代号。b) 采用较高的流速，以减少局部过热，液相流速1.53m/s，汽-液混相流速，1520m/s。 推荐的辐射管平均热强度和管内流速列于表4.3.2。 应该说明的是:二甲苯塔底重沸炉出口汽化率一般在5075%(重)之间,因此,一般在汽化前选用较小的管径,汽化后选较大的管径。表4.3.2炉名管内介质辐射管平均热强度w/m2质量流速Kg/m2.s状态线速m/s立管卧管入口出口入口出口烷基苯装置再沸器油炉二苯混合物315003600015002500150025001.53芳烃装置二甲苯塔底重沸炉C8315001200240080010001.531525芳烃装置热载体炉常三线油315001500250080010001.5315254.3.3 热载体炉的流量大，温升小，因此管路数较多，大型炉有的管路数多达12路。为了保证各路流量均匀，除在炉入口前必须采用流量控制外，盘管结构设计和燃烧器布置等均应保证各流路在水力学和热力学方面均衡。4.4 炉管材质的选择和壁厚计算 由于联苯类和热油类热载体对金属的腐蚀性极微。其加热温度一般都低于300，最高的也超不过380，其管壁温度都低于450，因此应选用碳钢炉管。 热载体炉的操作压力一般都小于2.5MPa，因此其壁厚可与蒸馏炉管壁厚一样根据结构需要和经验选取，同3.3。5 延迟焦化炉、减粘加热炉及沥青加热炉设计要点5.1 简介延迟焦化炉、减粘加热炉及沥青加热炉均属于加热重质油品的加热炉，其特点为管内油品比重大（一般均在0.9以上）、粘度高、管内壁容易结焦，为保证加热炉能长周期运行，一般均在辐射管内注入蒸汽以提高管内流速。5.2 炉型选择由于延迟焦化炉操作条件较为苛刻，应选择水平管箱式炉，而减粘炉和沥青加热炉由于操作温度相对较低，可优先选择圆筒炉。5.3 主要工艺参数的选择5.3.1 管程数、管径及管内油品质量流速由于管内油品重、粘度大，易结焦等特点，炉管管径既不宜过大也不宜过小。管径过大则造成管内传热系数减小，内膜温度升高；管径过小时结焦易造成管内堵塞，因此一般均在60127之内选择。为了避免介质偏流造成炉管局部过热而产生结焦现象，在满足管内流速及压降限制的前提下应使管程数最少。由于延迟焦化炉对油品在管内的停留时间有一定的限制（一般油品温度大于426后在管内的停留时间不宜超过45秒），而管程数越少则意味油品在管内的停留时间越长，因此延迟焦化炉管程数受到以上两方面的限制。对于延迟焦化炉，一般每管程处理量不宜超过30万吨/年（按照延迟焦化装置处理量计算）。三种加热炉管内油品的质量流速范围分别如下：延迟焦化炉：12001800 kg/m2.s减粘加热炉：14002000 kg/m2.s沥青加热炉：12001500 kg/m2.s5.3.2 辐射管平均热强度由于延迟焦化炉出口温度在500左右，已大大超过油品的临界反应温度，所以应尽量缩短油品在管内的停留时间，以使得生焦反应延迟到焦碳塔中进行。在管程数、管径一定的情况下，辐射管平均热强度越大，单程炉管总长度越小，则停留时间越短。辐射管平均热强度过大则会导致管壁温度增加，对减轻管内结焦不利，因此对于延迟焦化加热炉辐射管平均热强度既不能太低也不能过高。由于减粘加热炉和沥青加热炉出口温度较低（一般在420以下），未达到油品的临界反应温度，因此油品在管内的停留时间对这两种加热炉管内结焦影响不大，影响管内结焦的主要因素为管内油品的最高油膜温度，因此降低辐射管平均热强度对减少管内结焦是有利的，然而过低的辐射管平均热强度则会导致投资增加。对于焦化炉采用单排管双面辐射可减少停留时间，综合各种因素，建议三种加热炉的辐射管平均热强度在如下范围内选取：延迟焦化炉单面辐射：2900032000 W/m2延迟焦化炉双面辐射：4250048000 W/m2减粘加热炉：2300031000 W/m2沥青加热炉：1600020000 W/m25.4 炉管材质的选择和壁厚计算由于延迟焦化炉出口温度较高，一般最高管壁温度均在650左右，而在操作末期最高管壁温度有可能达到700。由于Cr5Mo炉管的最高使用温度为650，因此一些选用Cr5Mo材质炉管的焦化炉，其炉管更换较为频繁。根据国外焦化炉的设计及操作经验，延迟焦化炉选用Cr9Mo材质炉管是比较合适的。由于延迟焦化炉操作压力不是很高，一般是根据结构需要和经验选取炉管壁厚。减粘加热炉出口温度约为420，其最高管壁温度在550左右，因此选择Cr5Mo材质炉管是较为合适的。沥青加热炉出口温度一般不超过300，由于辐射管平均热强度较低，其最高管壁温度一般在400以下，因此炉管材质选择主要是受到油品中硫及其他腐蚀性介质含量的制约，根据具体情况可选择碳钢和铬钼钢材质炉管。减粘加热炉和沥青加热炉炉管壁厚一般也是凭经验选取，具体可参照蒸馏炉数据。6 加氢炉设计要点6.1 加氢炉分类 按操作压力分类，加氢炉可分为高压加氢炉和中、低压加氢炉两大类。按被加热的原料油分类，加氢炉又可分为燃料油型加氢炉和润滑油型加氢炉两大类。 操作压力在10MPa以上的一般称为高压加氢炉，如减压渣油加氢（VRDS）炉、常压重油加氢（ARDS）炉、减压瓦斯油加氢炉、加氢裂化炉、加氢改质炉等燃料油型高压加氢炉，也包括如润滑油异构化加氢脱蜡炉、润滑油加氢精制炉、润滑油加氢降凝炉等润滑油型高压加氢炉。 操作压力在10MPa以下的一般叫做中、低压加氢炉，如石脑油、汽油预加氢炉，柴油临氢降凝炉，煤油、柴油加氢精制炉等燃料油型加氢炉；也有润滑油临氢降凝炉和润滑油加氢精制炉等润滑油型加氢炉。 上述分类见表6.1 表6.1 加氢炉分类及主要工艺参数操作压力辐射管平均热强度 W/m2质量流速状态线速类型炉名炉型MPa单面辐射双面辐射kg/m2.sm/S润滑油型燃料油型中低压加氢 （10MPa）(减压渣油)(常压重油)燃料油型重油 加氢炉单排卧管双面辐射181936000150020001520减压瓦斯油加氢炉单排卧管双面辐射181947000150020001520加氢裂化炉(氢气炉)单排卧(立)管双面辐射1819350004700010001500(200250)1520(1525)柴油加氢改质炉单排卧管双面辐射1214360005200080015001520润滑油型润滑油异构化加氢脱蜡炉单排卧管双面辐射141647000120024001520润滑油加氢精制炉单排卧管双面辐射18194000050000100015001020润滑油加氢降凝炉单排卧管双面辐射181940000500001000150010206.2 炉型选择 加氢炉一般为炉前混氢，炉管内为气-液两相流。因此，选用单排卧管双面辐射炉型。只有加氢裂化采用炉后混油的流程，炉管内仅走氢气时，才选用单排立管双面辐射炉型。 采用单排管双面辐射的主要理由，是因为它的吸收因素是单排管单面辐射的1.5倍，这可以提高昂贵的18-8型炉管的利用率，降低加氢炉的投资；同时还缩短了炉管的水力长度、减少管内压降。 加氢炉一般设计成纯辐射型的，烟气送入分馏炉的对流室或将分馏炉的进料一部分引入加氢炉对流室，以回收烟气余热，或者同分馏炉的烟气合并进入余热锅炉。当加氢装置没有分馏炉，又无别的冷源时，加氢炉也设置对流室，采用翅片管，以提高炉子效率，但这种设计并不十分经济。同时管内压降也较大。 对于操作压力较低的重整预加氢炉，因其被加热介质中H2S含量较低，而采用铬-钼钢炉管时，一般采用圆筒炉。6.3 主要工艺参数的选择 辐射管平均热强度主要取决于被加热介质允许的最高油膜温度、辐射传热的均匀性及炉管材质。推荐的辐射管平均热强度列于表6.1。一般加氢炉的设计工况均有23个，当按最高热负荷计算时，其热强度可取高值，并应核算考虑了辐射传热的各种不均匀系数后的热强度最大峰值时的油膜温度，如果其值接近或超过允许的最高油膜温度时，应增加辐射管传热面积，降低其平均热强度。如果热强度最大峰值时的管壁温度超过管材允许的最高使用温度时，也应降低其设计的平均热强度。这种情况在加氢裂化的氢气加热炉上容易出现，解决的办法有二：一是在压降允许的情况下，提高管内流速，从而提高内膜传热系数，降低管壁温度；二是增加排管面积，降低平均热强度。当然，加氢炉管的材质一般都较好，管壁温度超过最高使用温度的情况比较少。 加氢炉管内一般都是气-液两相流，由于受氢-油比的影响，质量流速很不直观，因此常用线速度来控制。推荐的流速范围列于表6.1。对油品进行加氢处理的目的是为了获得优良品质的产品，因此，在压降允许的情况下，加氢炉的管内流速一般都取较高值，甚至超过表6.1所列的上限，以便尽可能的减少油品局部过热。决定流速上限的是允许压降，而决定流速下限的是管内的流型，这一点计算时应特别注意，应保持管内总是处在雾状流和环雾流这样的良好流型。6.4 炉管材质的选择及壁厚计算 加氢炉炉管材质主要根据管内介质的氢分压，硫化氢含量、操作压力和管壁温度来选择。 中、低压加氢炉、当管内介质硫化氢的克分子浓度不大于0.1%时，可采用Cr5Mo，Cr9Mo等材质，大于0.1%时，应选用经固溶和稳定化处理的18Cr-10Ni-Ti（即TP321）。 高压加氢炉管，一般选用经固溶和稳定化处理的18Cr-10Ni-Nb（即TP347）。这是因为TP347的高温许用应力要比TP321的高得多，采用TP347可用较薄的壁厚。这一点可从表6.4明显看出来。另外，TP347抗连多硫酸腐蚀能力要高于TP321。表6.4下列温度（）下的许用应力 MPa钢种500550600650700TP321105103734528.5TP3471251251156740TP347/TP321*1.191.211.581.481.4注：*两种材质的许用应力的比值。 加氢炉的炉管由于其工作压力和温度均较高，且使用材质昂贵，因此其壁厚必须严格按照SHJ37石油化工管式炉炉管壁厚计算方法进行计算，不能凭经验选取。6.5 辐射管架的热膨胀问题 加氢炉采用单排卧管双面辐射炉型时，辐射管架处在高温的辐射室内干烧，其金属温度一般在800左右，而用作辐射管架的ZG35Cr25Ni20的线膨胀系数又比一般钢材大，这将造成炉出入口管很大的位移。当辐射管架为下支撑时，位于下部的出口管向上位移1530mm, 位于上部的入口管向上位移80100mm。当辐射管为上吊式时，情况则相反，位于下部的出口管一般向下位移80100mm，而位于上部的入口管，一般向下位移1530mm。上述位移应书面提供给配管专业，以作为管系应力计算的原始数据。同时，出入口炉管穿过炉墙处应设置密封套管，既保证炉膛密封，又保证出入口炉管能自由位移。 当采用单排卧管双面辐射炉型的加氢炉设有一段对流室时，对流室至辐射室的转油线应特别注意辐射管架的热膨胀问题。辐射管为下支撑时，应将最上部辐射管在转油线组焊时向上预拉4050mm。且将对流管板上的对应管孔开成长圆孔。让对流管作为辐射管架的补偿.辐射管架采用上吊式时，这个问题则不突出，只需考虑辐射室入口管少量的向下位移。因此，在有对流室时，宜采用上吊式辐射管架。 6.6 炉管表面热电偶的设置为了监测运行过程中的炉管金属温度，应在高压加氢炉，特别是重油和润滑油高压加氢炉炉管上设置适当数量的炉管表面热电偶。通过炉管表面温度的变化，可考察管内介质裂解、结焦情况。炉管表面热电偶的位置应设在有代表性的炉管的向火面60范围内的弧面上。并在炉管表面热电偶上设置屏蔽罩，遮去火焰和烟气的直接辐射，以真实地反映管壁温度。屏蔽罩的材质一般为Cr25Ni20不锈钢。润滑油型的中、低压加氢炉炉管上，也应适当设置炉管表面热电偶。7. 重整炉设计要点重整炉的主要特点是被加热介质为轻质的石脑油加氢气，操作压力低、温度高、体积流量大，允许压降少。早期的半再生铂重整操作压力约3.5MPa，炉出口温度约450。上述特点还不算明显。这种老式的铂重整装置早已不再新建，本导则也不再详述。现在用的比较多的是低压半再生式催化重整和连续重整。一般都是四台重整炉，对应四台重整反应器串连操作，因此其操作压力也随之递减。半再生式催化重整炉的操作压力为1.91.5MPa，炉出口温度约500。连续重整的操作压力为0.50.3MPa，炉出口温度550。上述特点在半再生重整炉上已比较明显，而在连续重整炉上则更充分的表现出来。烷基苯厂的烷基化一脱氢装置的煤油脱氢炉，被加热介质为煤油加氢气，操作压力0.17Mpa，炉出口温度500，上述重整炉的特点也显得很充分，因此也列入重整炉一类。芳烃装置中的歧化和异构化加热炉，被加热介质为C7C8加氢气，操作压力3MPa(歧化)和0.83MPa(异构化)，炉出口温度482(歧化)和370(异构化)，上述重整炉的特点也比较明显，因此也列入重整炉一类。7.1 炉型选择15万吨/年半再生催化重整炉一般选用四台纯辐射圆炉，分别作为第一、二、三、四重整炉，烟气集中排入余热锅炉，炉管流路一般为六路127。20万吨/年以上的半再生催化重整炉一般采用四合一箱式炉，辐射室作四台重整炉，各台炉之间用火墙隔开，对流室作余热锅炉。辐射室的重整炉管排形式可以是竖琴式Y型、U型和冂型。连续重整的重整炉有两种：一种是UOP技术，采用四合一箱式炉，辐射室作四台重整炉，各台炉之间用火墙隔开，对流室作余热锅炉，辐射管排采用U型或竖琴式；另一种是IFP技术、四台重整炉为独立的四台箱式炉、对流室联合为一体作余热锅炉，辐射管排为冂型。煤油脱氢炉一般为单室箱式炉，辐射管排采用冂型或竖琴式。对流室作余热锅炉。歧化和异构化炉一般选用单室箱式炉，采用冂型管排，对流室排另一种介质，如汽提塔底油或脱庚烷塔底油。竖琴式、Y型、U型及冂型的流路数不受限制，因此被大型重整炉广泛采用。竖琴式管排的进口集合管设置在炉底，出口集合管设置在炉顶，用恒力弹簧吊架支吊，承受整个管排重量。竖琴式管排适用于较小的热负荷，双面辐射，燃烧器可以底烧也可以端墙对烧，可烧气，也可烧油。Y型管排的进出口集合管均在炉顶用恒力弹簧支吊、进口炉管和出口炉管之间在炉底用急弯弯管连接。Y型管排也适用于较小的热负荷，双面辐射、燃烧器底烧、既可烧油，也可烧气。U型管排的进、出口集合管设置在炉顶用恒力弹簧支吊。可单面辐射也可双面辐射燃烧器布置在端墙上对烧，一般只烧气，但在双面辐射U型管外的燃烧器可烧油。冂型管排的进、出口集合管设置在炉底滚动支座上。当管排高径比太大时，炉顶设置恒力弹簧牵引管排，以保证其稳定性。可单面辐射，也可双面辐射。燃烧器设置在炉底，向上烧火、既可烧油，又可烧气。Y型和U型管排的最大缺点是管线系统吹扫时炉管容易被机械杂质堵塞，这一点在新装置开工时应特别注意。7.2 主要工艺参数的选择重整炉和煤油脱氢炉的主要工艺参数列于表7.2。为了便于设计者参考，将近期设计的典型实例，包括UOP和IFP技术的重整炉，半再生重整炉和煤油脱氢炉数据也列入表7.2 。单排管单面辐射的辐射管平均热强度UOP推荐的范围是3156741037W/m2，但从12套UOP的规格书来看均未达到它的下限。因此认为规定的值2500032000W/m2比较好，以此列入本导则。单排管双面辐射的值是按单面辐射乘1.5得出的。从表7.2的实例来看，大部分采用的是下限或低于下限的值。关于质量流速的数据SHJ36-91是500-1000kg/m2s，显然太大，不能使用，而UOP数据97.6342 kg/m2s的上限也不适用，因此本导则定为90150 kg/m2s，而煤油脱氢炉由于其操作压力仅为0.17MPa，因此其质量流速更低，限制在4090 Kg/m2s，总的说来，由于氢油比的影响和操作压力低，温度高，其质量流速不能取高，同加氢炉一样，其线速度倒比较直观，只要压降许可，线速度高一点好，从近期的设计来看，控制在100m/s以下是可行的。表7.2 主要工艺参数装置名称炉名称炉型温度 压力 MPa辐射管平均热强度W/m2流速入口出口入口出口单面辐射双面辐射Kg/m2sm/s半再生重整重整炉圆炉，四合一4805002.01.32.01.325000320003700048000903501050连续重整重整炉四合一5205500.530.350.530.3525000320003700048000901502080脱氢烷基化煤油脱氢炉箱式炉5000.1725000320003700048000409040100华北油田炼厂20万吨/年催化重整F-201F-202F-203F-204四合一Y型管排396.8401.8433.4477.14874875025021.9031.831.7091.6061.91.81.71.632718309583410931060107.3107.3129.3128.812.913.631.233天津芳烃60万吨/年连续重整(UOP技术)F-201F-202F-203F-204四合一U型管排四个辐射室用火墙隔开4613974564855495495495490.5010.4570.4170.372168020990197203615010710710710733.648.260.472.5续上表装置名炉名炉型温度 压力MPa辐射管平均热强度W/m2流速入口出口入口出口单面辐射双面辐射Kg/m2sm/s齐鲁石化60万吨/年连续重整(IFP技术)F-201F-202F-203F-204四合一冂型管排四个辐射室为独立炉子4544204664875455455455450.50.4550.410.3750.4750.430.390.3525329238943372039446118.6102.8102.8103.835.633.160.666.4南京烷基苯厂煤油脱氢炉箱式炉竖琴式管排3825000.17(高负荷):(低负荷):40103383066239.69459.4天津芳烃歧化炉F-501冂型单面辐射4344823.0383.0032617820922天津芳烃异构化炉F-701冂型单面辐射3153690.8250.7972419316740.47.3 炉管材质的选择及壁厚计算重整炉的炉管壁温已接近Cr5Mo材质的使用温度上限，为安全计，设计壁温采用计算峰值加25。一般而言,半再生重整炉管采用Cr5Mo，连续重整炉管采用Cr9Mo。集合管的直径均较大，一般在500800mm范围内，从强度设计观点看，用2 1/4Cr-1Mo（P22）比较合适，见表7.3，但目前多采用强度与Cr5Mo相当的1 1/4Cr-0.5Mo（P11）。表7.3材质许用应力 MPa公称化学成份ASTM5005506001 1/4Cr-0.5MoP117837162 1/4Cr-1MoP229252295Cr-0.5MoP57441.2239Cr-1MoP9755426重整炉炉管内的操作压力虽然较低，但其管壁温度都很高，已接近材质的最高使用温度，因此其炉管的壁温和壁厚均应严格计算，不可按经验确定。集合管由于其直径较大，壁厚也应严格计算，其设计壁温可按炉出口温度加25计。应该注意的是，当计算壁厚太小时，应按最小壁厚取值。7.4 结构设计注意事项在结构设计时，应注意下列几个方面的问题：a) 为了补偿集合管及其相连的粗大的工艺配管的热膨胀，应将整个管排设计成可自由移动的，炉管穿过炉壁处应设计成可滑动的密封板结构。b) 恒力弹簧较长，因此设置恒力弹簧吊架的地方，结构设计应留出足够的空间。c) 集合管的流通截面积一般应等于或略大于各支管流通截面积的总和，也有人认为集合管流通截面积应略小于各支管流通面积之总和。其理由是，介质进入集合管后，流量很快就递减（或递增）。d) 四合一炉的各炉热负荷并不相等，为了结构设计合理，应将各炉管排长度设计成大致相同，为此可采用下列措施。1) 调整热强度，大负荷的炉子取热强度高值，小负荷的取低值，甚至将最大负荷的炉子（如第二重整炉）的管排设计成双面辐射式。2) 调整管心距，热负荷较小者采用较大的管心距。3) 采用不同的管排形式，如一、二、三重整炉采用U型、四重整炉采用竖琴式。4) 调整管径。5) 调整炉膛高度，如将小负荷的四重整炉的炉底抬高。8. 润滑油精制炉设计要点 润滑油加工的老三套装置是酮苯脱蜡、糠醛（或酚）精制、白土精制。在这些装置使用的加热炉统一称为润滑油加工炉，它们的共同特点是要求低热强度，以避免油品裂解，确保润滑油具有优良的品质。另外各装置的加热炉还有自身的特点，如糠醛很容易结焦，因此糠醛炉的盘管应是逐级扩径的，以便将显热及时转变成潜热。保证任意点处被加热介质的温度值不超过糠醛的分解温度（230）。又如白土炉的管内油品中含有相当数量的固体白土，为避免白土沉淀堵塞管路，除管内流速不能低于1m/s以外，还应将盘管设计成没有急拐弯的螺旋管。另一方面白土炉的流速也不宜太快，太快了白土固体颗粒对炉管的磨损就会加剧。8.1 炉型选择润滑油加工炉一般选用圆筒炉。白土炉一般选用螺旋管圆筒炉。8.2 主要工艺参数的选择润滑油加工炉的主要工艺参数列于表8.2。表8.2 主要工艺参数炉名单面辐射炉管表面平均热强度 W/m2质量流速 kg/m2s脱蜡油炉200002800012001500酚加工炉170002300012001500糠醛加工炉170002300012001500白土加工炉1700023000120015008.3 炉管材质的选择及壁厚计算润滑油精制炉的操作温度和压力均不高，一般也没有腐蚀，因此一般选碳钢炉管。壁厚一般也不用计算，可按经验选择见3.3条。9 气体加热炉设计要点气体加热炉的主要特点是炉管内的被加热介质不是油品，而是气体，如氮气、空气和过热蒸汽等。这些气体的内膜传热系数很小，见图9。在同样的热强度下，管壁温度要高得多。反之，如果管材相同，则其允许的热强度要低得多。 图9.09.1 炉型选择气体加热炉的炉型主要按其热负荷来选择，20MW以下的一般选用圆筒炉。热负荷大于20MW时，一般选用箱式炉。9.2 主要工艺参数的选择气体加热炉的主要工艺参数为炉管表面热强度和管内流速，他们都受其气体内膜传热系数的控制。一般而言，要求采用较高的流速，如100200m/s，以便将其内膜传热系数提高到200300W/m2.K，相应的辐射炉管表面平均热强度可达到1500025000W/m2。9.3 炉管材质的选择及壁厚计算由于气体的内膜传热系数小，管壁温度与被加热的气体温度之差较大，炉管材质主要根据其管壁温度来选择。应该指出的是，在被加热介质出口温度相同的情况下，气体加热炉的管壁温度比油品加热炉的高，炉管材质一般也要升级，有的甚至用到HK-40或HP-40 Nb，例如苯乙烯的蒸汽过热炉，炉出口温度约800，其炉管材质就是HK-40或HP-40Nb。气体加热炉炉管一般在管材使用温度上限环境下使用，因此，其壁厚应严格进行计算，不宜单凭经验选取。10. 制氢炉设计要点制氢炉是以烃类为原料，用蒸汽转化法生产氢气的炉子。实质上制氢炉是一个多管并流的外热式反应器。与一般加热炉比，其最大的不同之处，在于其每一根炉管就是一个直接火焰加热的转化反应器，因此其炉管一般也称为转化管，管内装填有催化剂。工艺介质（烃+水蒸汽）一边吸热，一边进行着复杂的化学反应，因此工艺计算比一般加热炉复杂得多。另一个特点是其操作温度特别高，原料气入口温度一般为450550，转化气出炉温度高达760850，甚至高达900。因此，其炉管系统的选材、焊接及其热膨胀的补偿等均成为设计中的关键问题，应予以充分的重视。10.1 转化管内的化学反应简介转化管内的化学反应非常复杂，其主反应是烃类（天然气、炼厂气或石脑油）蒸汽转化反应，其次是水煤气变换反应，另外还有析炭和消炭反应等。下面以甲烷蒸汽转化为例予以说明。 a) 甲烷蒸汽转化反应 CH4+H2O CO+3H2 -206150 KJ/kmol CH4+2H2O CO2+4H2 -164988 KJ/kmolCH4+CO22CO+2H2 -247312 KJ/kmol b) 水煤气变换反应 CO+H2O CO2+H2 +41162 KJ/kmol c) 析炭和消炭反应 CH4 C+2H2 -74848 KJ/kmol 2CO C+CO2 +172464 KJ/kmol CO+H2 C+H2O +131302 KJ/kmol上述反应均为可逆反应，影响平衡的因素有温度；压力、水碳比（H2O/C）、氢碳比（H/C）等。有关这些影响因素的分析将在下一节主要工艺参数中一并叙述。在工业生产系统中，化学反应是不可能达到平衡的，这就需要从化学动力学的各因素进行研究。在工业催化剂上，甲烷蒸汽转化反应为内扩散控制，因此，在处理工业催化剂上的反应动力学时，一般结合实践经验进行处理，得出宏观动力学经验式，以表达各反应的速度与反应频率因子、活化能床层温度、各组分分压和反应平衡常数等的关系。具体使用这些动力学方程式时，还应根据催化剂类型、颗粒度，中毒情况、使用年龄、操作压力、转化深度等的校正因子进行校正。析炭和消炭问题也应从热力学和动力学两个方面进行研究，以避免操作时催化剂积炭，这里就不详述。10.2 工艺计算主要工艺参数及技术性能指标制氢炉辐射段的工艺计算比一般加热炉复杂得多，它需建立包括管外和管内的完整数学模型。管外数学模型是非线性方程组，管内数学模型是微分方程组，两者难以联立求解，因此，一般以管外壁温度分布为解剖点，将管内、外数学模型分开，然后迭代求解。管内数学模型主要是化学反应及其微分动力学方程组，另外还包括管壁导热、污垢导热和床层传热三部分的传热方程，以及管内热平衡计算和床层压降计算等。管外数学模型主要是按区域法，分区进行辐射传热，对流传热、热平衡及烟气进、出计算区的焓差等计算，并包括燃料燃烧模型和烟气流动模型的建立。现行的制氢炉工艺计算软件REFORM-3基本上是按上述模型编制的，应用此软件不但能计算管内的组分、压力、温度及传热量随管长的分布，也能计算出管外烟气的温度、管外壁温度、墙内表面温度等随管长的分布。图10.2-1、10.2-2、10.2-3是一个设计案例应用该软件计算的结果，列出此图的目的是让设计人员对制氢炉工艺计算的复杂性有所了解，同时也能对制氢炉各工艺参数的变化有个初步认识。 图10.2-1 图10.2-2 图10.2-3REFORM-3是核算程序。一般是按工艺专业根据烃类蒸汽转化反应的要求，提出转化管规格、数量、其它工艺参数及技术性能指标，规划一个初步的制氢炉尺寸，用该程序进行核算，如不能满足要求，则应与工艺专业协商，进行调整后再进行计算，直至满足要求为止。下面对主要工艺参数及技术性能指标进行简要介绍。a) 残余甲烷 残余甲烷指的是转化管出口处转化气中扣除水蒸气后的干基甲烷的含量。它是衡量转化反应深度的重要指标。合成氨厂由于有二段转化炉，一段转化炉残余甲烷一般只要求8 mol%12mol%。而制氢炉的残余甲烷一般要求3 mol%7mol%。 b) 温度因为烃类蒸汽转化反应是吸热反应，因此，不论从化学反应的平衡，还是从化学反应的速度来讲，升高温度对转化反应都是有利的。温度升高的限制主要在于炉管材质的耐热性能。转化气的出炉温度一般是800850。国外转化气出炉温度有高达900左右的，这与所选用的炉管材质有关。提高原料气预热温度可降低辐射的热负荷，提高高温炉管的利用率。预热温度的提高要受烃类热裂解的限制，以天然气和炼厂气为原料时，预热温度为500550，以石脑油为原料时，预热温度为450左右。c) 压力提高操作压力，对反应的平衡不利，残余甲烷会增加，但是在可能的条件下，还是尽量提高操作压力，因为这样会有一系列的优点：随着压力的提高，变换气中水蒸汽的露点温度提高有利于余热回收；提高压力，可使设备紧凑，强化生产，有利于后续工序的变换和脱碳；提高压力还可以减少管内压降，可以采用较高的空速。制氢炉的入口压力一般是23MPa。 d) 水碳比水碳比的定义为：水碳比=式中H2O-水蒸汽流量，kmol/h CnHm-烃流量，kmol/h n-烃分子中的碳原子数，例如CH4，C2H6，C3H8的n值分别为1，2， 3，。从化学平衡来讲，提高水碳比有利于甲烷转化。从化学反应速度来讲，则有两种完全相反的观点，一种认为水蒸汽在催化剂的镍表面吸附抑制活性的发挥，另一种认为水蒸汽增加，推动力增加，有利于甲烷的转化反应，同时对抑制析碳也是有利的。但是水碳比增加，意味着水蒸汽消耗指标增加，而多余的水蒸汽也要加热到转化气出口温度，热负荷也就增加。因此，在满足转化反应的前提下，应力求降低水碳比。制氢炉的水碳比在三致四范围内。e) 空速空速表示方法很多，有原料气空速、碳空速、理论氢空速、液空速等，常用的是原料气空速和碳空速，其定义如下：原料气空速= （h-1）碳空速= （h-1）空速的选择必须从化学反应和传热两方面综合考虑。空速的增加，意味着生产强度的提高，因此在条件许可时，应采用高空速，但是，在床层高度不变的情况下，空速增加，介质在管内的停留时间减少，残余甲烷含量会增加。如果采用提高操作温度或增加水碳比来弥补空速的提高，则不论是显热和化学反应热都将增加，因此，提高空速必须与增加传热相适应,这意味着管壁温度要增加。制氢的碳空速一般取6501000（h-1）。10.3 炉型选择烃类蒸汽转化过程是伴有传热、传质、动量传递和复杂化学反应