（化学工程专业论文）管式加热炉工艺计算通用软件的开发.pdf

摘要 论文完成了管式加热炉工艺计算通用软件的设计开发，包括燃烧、辐射室、对流室、 余热回收及通风系统等计算模块，得到辐射室炉膛温度、炉管表面热强度、对流室介质 出口温度、排烟温度、炉膛负压等关键工艺参数，适用于常减压、重整、焦化等不同用 途，圆筒炉、四合一炉、双室立式炉、双面辐射立式炉等不同结构加热炉的工艺计算。 辐射室包括了辐射管多级扩径、多辐射单元、不同辐射方式的计算；对流室运用“三 级定位 的处理方式，实现了对流室物流任意组合、对流室任意布管；遮蔽管分段计算， 提出了遮蔽段计算的新方法，得到单排遮蔽管吸热量及热强度；自然通风时，烟囱计算 得到烟气通过加热炉压降、烟囱抽力及炉膛负压，强制通风时得到烟气通过烟道压降及 引风机风压，可对引风机初步选型；通风系统阻力计算，得到风道系统压降及通风机压 头，可对通风机初步选型；可计算热油式、钢管式、热管式空气预热器阻力损失。 利用现场不同用途、不同类型管式炉的结构及操作数据，考察了软件的通用性及准 确性，分析了关键工艺参数对软件计算结果的影响，结果表明：炉膛温度计算准确性良 好，对流室介质出口温度及排烟温度计算精度较低，需进一步改进。 论文同时完成了管壳式换热器工艺计算通用软件的设计开发，得到单台或多台 串联换热器热负荷、介质出换热器温度、总传热系数k 及压降等重要工艺参数，适用于 多种换热介质，光管、波纹管等不同型式的换热器工艺计算。 关键词：管式加热炉，对流室三级定位，遮蔽管分段，通风系统阻力，预热器阻力损失， 换热器，通用软件 g e n e r a ls o f t w a r ed e v e l o p m e n tf o rt u b u l a r - f u r n a c e p r o c e s sc a l c u l a t i o n m ad a n n i ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x i a oj i a z h i a s s o c i a t ep r o f w a n gl a n j u a n a b s t r a c t g e n e r a ls o t t w a r e d e v e l o p m e n t f o rt u b u l a r - f u r n a c e p r o c e s s c a l c u l a t i o nh a sb e e n c o m p l e t e di nt h et h e s i s ，i n c l u d i n gt h ec o m p u t a t i o nm o d u l e ss u c h a st h ec o m b u s t i o n c a l c u l a t i o n , t h er a d i a t i o nc h a m b e rc a l c u l a t i o n ，t h ec o n v e c t i o nc h a m b e rc a l c u l a t i o n ，t h e c a l c u l a t i o no ft h ew a s t eh e a tr e c o v e r ys y s t e ma n dt h ev e n t i l a t i o ns y s t e mc a l c u l a t i o n t h e s o f t w a r ec o u l dg e tt h ek e yp r o c e s sp a r a m e t e r s ，s u c ha st h ef u r n a c et e m p e r a t u r eo ft h e r a d i a t i o nc h a m b e r , t h et u b e a v e r a g eh e a ti n t e n s i t y , t h et e m p e r a t u r eo fs t r e a m sl e a v i n g c o n v e c t i o nc h a m b e r , t h ef u m ed i s c h a r g et e m p e r a t u r e ，t h en e g a t i v ep r e s s u r eo ft h ef u r n a c e t a n k ，e t c i tc o u l db ea p p l i e dt od i f f e r e n tu n i te n v i r o n m e n t s ，s u c ha st h ea t m o s p h e r i ca n d v a c u u md i s t i l l a t i o nu n i t ，t h er e f o r m i n gu n i t ，t h ed e l a y e dc o k i n gu n i t , e t c i tc o u l db eu s e df o r t h ep r o c e s sc a l c u l a t i o no fd i f f e r e n ts t r u c t u r a lf u r n a c e ，s u c ha s t h ec y l i n d r i c a lf u r n a c e ， f o u r - i n - o n ef u r n a c e ，t w o - r o o mv e r t i c a lf u r n a c e ，t w o - s i d e - r a d i a t i o nv e r t i c a lf u r n a c e t h er a d i a t i o nc h a m b e rc a l c u l a t i o ni n c l u d e dd i f f e r e n tc a l c u l a t i o n s ，s u c ha st h em u l t i s t a g e e x p a n d e dd i a m e t e rt u b e ，m o r et h a no n er a d i a t i o nu n i t s ，d i f f e r e n tm e t h o d so fr a d i a t i o n t h e c o n v e c t i o nc h a m b e rc a l c u l a t i o nu s e dt h e ”t h r e e - p o s i t i o n ”a p p r o a c h ，i m p l e m e n t i n gt h er a n d o m c o m b i n a t i o no fs t r e a m sa n dp i p e - l a y i n go ft h ec o n v e c t i o nc h a m b e r n e wm e t h o dh a sb e e n b r o u g h tu pi nt h ec a l c u l a t i o no fs h i e l dt u b e ss e g m e n t a t i o n i tc o u l dg e tt h eh e a ta b s o r p t i o n c a p a c i t ya n dc a l o r i f i ci n t e n s i t yo fs i n g l er o w s h i e l dt u b e s w h e ni tw a sn a t u r a lv e n t i l a t i o n ，t h e c h i m n e yc a l c u l a t i o nc o u l dg e tt h ep r e s sd r o po ff l u eg a sp a s s i n ga c r o s st h ef u r n a c e ，c h i m n e y d r a f ta n dt h en e g a t i v ep r e s s u r eo ff u r n a c et a n k w h e ni tw a sf o r c e dv e n t i l a t i o n ，i tc o u l dg e t t h ep r e s s u r ed r o po ff l u eg a sp a s s i n gt h ef u n n e la n dt h ep r e s s u r eo ft h ei n d u c e dd r a f tf a n i t c o u l db eu s e df o rp r e l i m i n a r ys e l e c t i o no ft h ei n d u c e dd r a f tf a n t h ev e n t i l a t i o ns y s t e md r a g c a l c u l a t i o nc o u l dg e tt h ep r e s s u r ed r o po fa i rp a s s a g es y s t e m i tc o u l db eu s e df o rp r e l i m i n a r y s e l e c t i o no ft h eb l a s tf a n t h es o f t w a r ea l s oc o u l db eu s e df o rt h ec a l c u l a t i o no ft h er e s i s t a n c e l o s so fd i f f e r e n tt y p ea i rp r e h e a t e r s ，s u c ha sh o to i lt y p e ，t u b u l a rt y p ea n dh o tt u b u l a rt y p e t h ea c c u r a c ya n dv e r s a t i l i t yw a sr e v i e w e db yt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r ea n do p e r a t i n gd a t a o fd i f f e r e n tf u n c t i o nf u r n a c e sa n dd i f f e r e n tt y p et u b u l a rf u r n a c e s t h ea n a l y s i so ft h ei n f e c t i o n o ft h ek e yp r o c e s sp a r a m e t e r st ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h es o f t w a r ew a sa l s od o n e t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h ea c c u r a c yo ft h ef u r n a c et e m p e r 各 t u r ec a l c u l a t i o nw a sw e l l ，b u tt h e a c c u r a c y o fc o n v e c t i o nm e d i u ml e a v i n gt e m p e 磁 m r ea n ds m o k ed i s c h a r g et e m p e r a t u r e c a l c u l a t i o nw a sn o ts og o o d nn e e d e di m p r o v e m e n t g e n e r a ls o f t w a r ed e v e l o p m e n tf o r t h es h e l la n dt u b et y p eh e a te x c h a n g e rp r o c e s s c a l c u l a t i n gw a sc o m p l e t e di nt h et h e s i sa tt h es a m et i m e t h ek e yp r o c e s sp a r a m e t e r so fo n e o rm u l t i s t a t i o ns e r i e sc o n n e c t i o ne x c h a n g e r sc o u l db eg o t ，s u c ha st h e r m a ll o a d ，t h em e d i u m l e a v i n gt e m p e r a t u r e ，o v e r a l lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tk ，t h ed r o p p i n gp r e s s u r e ，e t c i tc o u l db e u s e df o rt h ep r o c e s sc a l c u l a t i o no fd i f f e r e n te x c h a n g e r sw i t hm u l t ih e a tt r a n s f e rm e d i u ma n d d i f f e r e n ts t r u c t u r e ，s u c ha sl i g h tp i p e ，b e l l o w s ，e t c k e yw o r d s ：t u b u l a r - f u r n a c e ，”t h r e e p o s i t i o n ”a p p r o a c ho fc o n v e c t i o nc h a m b e r , s h i e l dt u b e s s e g m e n t a t i o n ，t h ev e n t i l a t i o ns y s t e md r a g ，t h er e s i s t a n c el o s so fp r e h e a t e r s ， e x c h a n g e r , g e n e r a ls o f t w a r e 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：蛐 日期：为四年 石月5e t 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：曼盗 指导教师签名：乌鳖适 日期：硼年 日期：寸宁 石月芗日 月，日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 管式加热炉概述 1 1 i 管式加热炉的一般结构 第一章前言 管式加热炉一般由辐射室、对流室、余热回收系统、燃烧器以及通风系统五部分组 成，如图1 1 所示。 圈1 - 1 管式加热炉的一般结构 f i g l - ig e n e r a ls t r u c t u r eo f t u b u l a r - f u r n a c e 1 辐射室 辐射室是通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。这个部分直接受到火焰冲刷， 温度最高，是热交换的主要场所，是全炉最重要的部位。可以说，一个炉子的优劣主要 看它的辐射室性能如何。 2 。对流室 对流室是靠由辐射室出来的烟气进行对流换热的部分，但实际上它也有一部分辐射 热交换，而且有时辐射换热还占有颇大的比例。所谓对流室不过是指“对流传热起支配 作用 的部位。 。 对流室内密布多排炉管，烟气以较大速度冲刷这些管子，进行有效的对流换热。对 流室一般担负全炉热负荷的2 0 3 0 。对流室吸收热量的比例越大，全炉的热效率越高， 第一章前言 但究竟占多少比例合适应根据管内流体同烟气的温度差和烟气通过对流管排的压力损 失等，选择最经济合理的比值。对流室一般都布置在辐射室之上，与辐射室分开，单独 放在地面上也可以。为了尽量提高传热效果，多数炉子在对流室采用了钉头管和翅片管。 3 余热回收系统 余熟回收系统是从离开对流室的烟气中进一步回收余热的部分。回收方法分两类。 一类是靠预热燃烧用空气来回收热量，这些热量再次返回炉中。另一类是采用同炉子完 全无关的其他流体回收热量。前者称为搿空气预热方式 ，后者因为常常使用水回收， 被称为“废热锅炉方式”。空气预热方式又有直接安在对流室上面的固定管式空气预热 器和单独放在地上的回转式空气预热器等种类。固定管式空气预热器由于低温腐蚀和积 灰，不能指望长期保持太高的热效率，它的优点是同炉体结合成一体，设计和制造比较 简单，适合于热回收量不大时选用。 4 燃烧器 燃烧器产生热量，是炉子的重要组成部分。如前所述，管式加热炉只烧燃料气和燃 料油，所以不需要烧煤那样复杂的辅助系统，火嘴结构也比较简单。 由于燃烧火焰猛烈，必须特别重视火焰与炉管的间距以及燃烧器间的间隔，尽可能 使炉膛受热均匀，使火焰不冲刷炉管并实现低氧完全燃烧。为此，要合理选择燃烧器的 型号，仔细布置燃烧器。 5 通风系统 通风系统的任务是将燃烧用空气导入燃烧器，并将废烟气引出炉子，它分为自然通 风方式和强制通风方式两种。前者依靠烟囱本身的抽力，不消耗机械功。后者要使用风 机，消耗机械功。 过去，绝大多数炉子因为炉内烟气侧阻力不大，都采用自然通风方式，烟囱通常安 在炉顶，烟囱高度只要足以克服炉内烟气侧阻力就可以了。但是，近年来由于公害问题， 石油化工厂已开始安设独立于炉群的超高型集合烟囱，这一烟囱通过烟道把若干台炉子 的烟气收集起来，从1 0 0 米左右的高处排放，以降低地面上污染气体的浓度。 强制通风方式只在炉子结构复杂，炉内烟气侧阻力很大，或者设有前述余热回收系 统时才采用，它必须使用风机。 1 1 2 管式加热炉的主要类型 管式炉的类型很多。根据炉型结构不同，可分为箱式炉、立式炉和圆筒炉等。按炉 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 内进行传热主要方式分类，管式炉有纯对流式、辐射对流式和辐射式。按燃烧方式分 类则有火炬式和无焰燃烧式。按用途分有纯加热炉和加热反应炉。前者如常压炉、减 压炉，原料在炉内只起到加热( 包括汽化) 的作用；后者如裂解炉、焦化炉，原料在炉 内不仅被加热，还应保证有一定的停留时间进行裂解或焦化反应。下面简单介绍一下炼 油装置中的管式炉【1 1 。 1 蒸馏炉 蒸馏炉包括原油蒸馏装置的常压炉、减压炉以及后续加工装置的常压和减压分馏塔 进料加热炉。一般蒸馏炉，当热负荷不大于3 0 m w 时，优先选用辐射对流型圆筒炉； 当热负荷大于3 0 m w 时，通常选用立管立式炉或立管双室箱式炉。 圈1 - 2 立管立式炉 f i g l - 2 v e r t i c a lt u b ef u r n a c e 2 残渣油加热炉 圈1 - 3 立管双室箱式炉 f i g l - 3 v e r t i c a l - t u b e - t w o - r o o mf u r n a c e 这类加热炉包括延迟焦化炉、减粘加热炉及沥青加热炉等，均属于加热重质油料的 管式炉。其特点为炉管内油料相对密度大( 一般均在o 5 以上) 、粘度高、易裂解、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水或蒸汽以提高管内 流速。 由于延迟焦化炉和沥青炉操作条件较为苛刻，应选择水平管立式炉或单排卧管双面 辐射立式炉，而减粘炉由于操作温度相对较低，可选用圆筒炉。当采用单排卧管双面辐 射炉时，不仅能改善传热的均匀性，还能缩短油料在炉内的停留时间，因此新设计的焦 化炉大都采用这种炉型。 3 第一章前言 圈1 4 水平管立式炉 f i g l - 4 h o r i z o n t a lt u b ef u r n a c e 氛 翱 圈1 - 5 单捧卧管双面辐射炉 f i g l - 5 d o u b l e - s i d e dr a d i a t i o nf u r n a c ew i t h $ i n g j e - r o wh o r i z o n t a lp i p e 惠州炼油焦化加热炉采用f w 公司专有的双面辐射斜面阶梯炉，每台加热炉由6 个辐射室、1 个对流室组成，每个辐射管程设置单独的一个炉膛。1 个对流室安装在辐 射室上，用于原料预热和蒸汽过热。这种结构形式能够根据操作灵活性，独立控制每一 个单元，能够实现在线清焦和停车机械清焦、蒸汽空气烧焦。燃烧器采用进口焦化专用 n o x 燃烧器，可以有效的实现环保排放。该加热炉的主要特点：( 1 ) 辐射室倾斜布置， 辐射管双面辐射，有效利用了炉膛的升温梯度，实现了热量辐射的合理有效利用，降低 了炉管表面最大热强度，提高了平均热强度，既延缓了炉管结焦周期，又降低了炉管长 度，节省了投资。( 2 ) 实现了不停车在线清焦与停车机械清焦 2 1 。 3 加氢炉 加氢装置反应器进料加热炉，一般简称为加氢反应炉或加氢炉。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。操作压力在1 0 m p a 以上的一般叫 做高压加氢炉，如减压榨油加氢炉、常压重油加氢炉、加氢裂化炉、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。操作压力在1 0 m p a 对于一些中、 低压加氢炉，当采用炉后混氢工艺时，其炉管材质一般选用价格不高的铬钼钢或碳钢， 因此大都选用对流一辐射型圆筒炉。对于高压加氢反应炉，由于其操作条件十分苛刻， 因此早期的加氢反应炉都设计成纯对流炉，避免盘管受火焰直接加热。随着技术的不断 发展，自7 0 年代以来，高压加氢反应炉逐渐改用辐射对流型或纯辐射型炉型。 理想的炉型是单排卧管双面辐射炉型( 图1 5 ) 。它可以在最高热强度不超限的情况 下，得到较高的平均热强度，缩短炉管总长度和减少弯头数量，从而得到最小的压降。 这一点对高压加氢炉具有很重要的意义：为了保证管内流行符合要求，高压加氢加热炉 的管内流速就不能低，单位水力长度上的压降自然很大。这样一来，缩短炉管总长度和 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 减少弯头数量，将成为大幅减少压降的主要手段，这与一般流速较低的炉子是不一样的。 卧管可以使管内介质在较宽范围内获得良好流型，双面辐射可以保证管内介质受热均 匀，这些可有效地避免炉管内结焦，保证长周期安全运行，也可延长价格昂贵的高合金 炉管的使用寿命。再者，由于其炉管表面被充分利用来传热，因而也是最经济的。 4 重整炉 “重整 是使烃类分子重新排列成新分子结构的工艺过程：在催化剂的作用下，环 烷烃和烷烃转化成芳烃和异构烷烃，同时副产部分氢气。 早期的处理量1 5 3 0 万吨年半再生重整装置中常常采用纯辐射型圆筒炉。随着催化 重整工艺的进步，重整加热炉的规模也发生了重大变化。降低整体系统压力已成为现代 催化重整的方向，低压重整能更好的发挥催化剂的效能，产品的辛烷值和芳烃产率会更 高。所以重整炉的突出特点就是要求管内流体的压降要小。大型化的重整炉管内介质体 积流量大，出炉温度高。加热炉的炉管多设计为几十路炉管并联。圆筒炉在结构上已不 能满足大型化的要求，新炉型应运而生。新炉型的典型设计是将三台或四台加热炉合并 为一台大型的门式加热炉( 图1 6 ) ，中间用火墙隔出三间或四间辐射室，以避免温度相 图l - 6 连续重整炉 f i g l - 6 c c rf u r n a c e 互干扰。每问的炉管为多路并联，一般设计2 0 4 5 路支管。各支管的出入口与炉外的大 5 第一章前言 型集合管相连。辐射室的高温烟气进入一个公用的对流室，在对流室发生装置所需的中 压蒸汽。这种炉型适用于大处理量( 4 0 1 2 0 x 1 0 4 t a ) 的重整装置。这种大型化的重整炉 也有设计成三个或四个独立的辐射室共用一个对流室结构的。 5 润滑油加工炉 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，他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。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( 图1 7 ) 。 一一 ， _ _ _ 鼍乎 二y 奄乡 j 岁 d 二= 三墨安 刀舔 il -l 圈1 - 7 螺旋臂式圆筒炉 f i g - 7s p i r a l - t y p ec y l i n d r i c a lf u r n a c e 6 气体加热炉 气体加热炉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 过热蒸汽管。气体加热炉的炉型主要按其热负荷来选择，2 0 m w 以下的一般选用圆筒炉。 热负荷更大时，一般选用箱式炉。 1 1 3 管式炉主要工艺指标 各种不同类型的管式炉都有其本身的特性，但就炉内的传热过程而言，又有其共性。 所以，反映各种管式炉传热性能的主要工艺指标也基本相同，一般主要有一下几项p 】： 1 热负荷指炉子单位时间内传给被加热物料的总热量，单位为k j h 或w 。此值 越大，炉子的生成能力也越大。 管内介质所吸收的热量用于升温、汽化或化学反应，全部是有效利用热。对简单管 式加热炉( 管内介质入炉状态为纯液相，出炉状态为汽、液混相) ，其热负荷的计算公式 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 为： q = w f 【e i v + ( 1 - e ) i l - i i 1 0 。+ q ” ( 1 1 ) 式中q ，_ 加热炉计算总热负荷，m w ； w 广管内介质流量，k g s , 卜管内介质在炉出口的汽化率，； 斜出口温度下介质气相热焓，k j k g ： i l - 炉出口温度下介质液相热焓，k j k g ； i t - 炉入口温度下介质液相热焓，k j k g ： q ”其他热负荷，m w 。 2 炉膛热强度指单位时间单位炉膛体积所传递的热量，单位为k j ( m 3 h ) 或w m 3 。 炉膛大小对燃料燃烧的稳定性有影响，如果炉膛体积过小，则燃烧空间不够，火焰容易 舔到炉管和管架上，炉膛温度也高，不利于长周期安全运行，因此炉膛体积发热强度不 允许过大，一般控制在燃油时小于1 2 5 k w m 3 ，燃气时小于1 6 5k w m 3 。 3 炉管表面热强度指单位时间内单位炉管表面积( 一般按炉管外径计算表面积) 所传递的热量，单位为k j ( m 2 h ) 或w m 2 。此值越高，完成相同热任务所需的传热面越 小。 表面热强度是管式加热炉的一个重要工艺参数。根据传热方式的不同，具体分为辐 射表面热强度( q r ) 和对流表面热强度( q c ) 。q r 表示辐射室炉管传热强度的大小，应注意它 一般指全辐射室所有炉管的平均值，由于辐射室内各部位受热不一样，不同的炉管以及 同一根炉管上的不同位置，实际上局部热强度很不相同。q c 表示对流表面热强度，对流 室为了提高对流传热，对流管外侧大量使用了顶头管和翅片管。 4 全炉热效率指炉子供给被加热物料的有效热量与燃料燃烧放出的总热量加热 炉的效率只有6 0 7 0 ，目前已达到8 5 8 8 ，最新的技术水平已接近9 2 左右。随着 节能工作的深入，今后热效率将不断提高。根据中国石油化工集团公司标准石油化工 管式炉设计规范( s h j 3 6 - 9 1 ) 第2 0 4 条的规定 4 1 ：按长年连续运转设计的管式炉，当 燃料中的含硫量等于或小于o 1 时，管式炉的热效率值不低于表1 1 的指标。当燃料中 的含硫量大于o 1 ，且在设计参数、结构或选材上缺乏有效的防止露点腐蚀的具体措 施时，应按炉子尾部换热面最低金属壁温大于烟气酸露点温度来确定炉子效率。 5 炉膛温度指烟气离开辐射室进入对流室时的温度，它表征炉膛内烟气温度的高 低，是炉子操作中重要的控制指标。火墙温度高，说明辐射室传热强度大。但火墙温度 7 第一章前言 过高，则意味着火焰太猛烈，容易烧坏炉管、管板等。从保证长周期安全运转考虑，一 般炉子把这个温度控制在约8 5 0 以下( 但烃蒸汽转化炉、乙烯裂解炉等例外) 。 6 管内流速流体在炉管内的流速越低，则边界层约厚，传热系数越小，管壁温度 越高，介质在炉内的停留时间也越长。其结果，介质越容易结焦，炉管越容易损坏。但 流速过高又增加管内压力降，增加了管路系统的动力消耗。设计炉子时，应在经济合理 的范围内力求提高流速。各类用途管式加热炉的管内流速推荐值见表1 2 。 表l - l 燃料基本不舍硫的管式炉热效率指标 t a b l e l - it u b u l a r - f u r n a c et h e r m a le f f i c i e n c yi n d i c a t o r sw i t hf e ws u l f u rc o n t e n ti nf u e l 表l - 2 辐射炉管表面热强度和管内质量流速的经验数据 t a b l e l - 2 e m p i r i c a ld a t ao ft h e r m a li n t e n s i t yo ft u b es u r f a c ea n dm a s sf l o w 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表1 2 辐射炉管表面热强度和管内质量流速的经验数据( 续) 用途 管内质量流，g f 管内压力降m p a 辐射炉管表面爹强度 f l ( 耿m s ) 】q r ( w m 2 ) 乙烯裂解炉 1 1 0 1 8 04 7 0 0 0 8 0 0 0 0 烃蒸汽转化炉 用于制氢4700080000 均为横管立式炉。 指用于多金属重整( 如铂铼重整) 。 单排管双面辐射加热妒，无焰气体燃烧器( 如l u m m u s 型裂解炉) 。 单排管双面辐射加热炉。用于制造氢气时指t o p o s e 型转化炉( 采用无焰气体燃烧器) ：用于合成 氨时指k e l l o g g 型转化炉( 采用烧气大火嘴) 。 1 2 管式炉工艺计算概况 1 2 1 辐射传热模型 管式炉工艺计算的重点和难点主要集中的辐射传热方面，目前也有多种辐射传热模 型被提出。常用的零维模型有：罗伯一依万斯( l o b t - - e v a n s ) 法、别洛康法、巴赫希 特法和佐野司朗法；著名的三维模型主要有：蒙特卡罗( m 咖“h b ) 法、热通量法0 - 切t f l u x m 酏d c d 、区域法( z o n em m o d ) 、离散传播法( d i s 魄t t m s f 酉m c f l l o d ) 、球形谐波法( p 1m d h 呻 及扩散近似法假麟e i a n d g k x i ) 。 罗伯- 伊万斯法的基本假设是：烟气在辐射室内搅动良好，故只有一个温度，并使 离开辐射室烟气温度等于辐射室内烟气温度。罗伯伊万斯认为，辐射室内高温火焰与 烟气的热量是以辐射方式传给炉管的，包括直接辐射传递的热量及火焰和烟气辐射传给 炉壁( 反射墙) ，再有炉壁反射给炉管的间接传热。罗伯伊万斯用霍特尔( h o t t e l ) 对 一个气体区( 烟气) 、一个反射面( 炉壁) 、一个受热面( 炉管) 的简化模型( 称为零维 模型) 所推出的公式可用于计算火焰和高温烟气对受热面的传热速率，从而得到炉管面 积等设计参数。1 9 7 4 年罗伯提出了温度梯度炉的算法1 6 1 ，将炉膛沿轴向分为若干区域， 每个区域都认为是符合搅动良好的条件，因此每个区域都可以用罗伯伊万斯法计算， 从而使零维模型演化为一维模型。罗伯伊万斯法经过多年改进，可适应于常规炉型的 辐射传热计算。 在工程实际计算中大多采用了零维模型，这主要是因为这些计算方法相对简单，比 较容易掌握，同时也能满足一定的工程精度，尤其在长期应用的基础上这些经验模型也 9 能够很好的完成计算任务，论文选择罗伯- 伊万斯零维模型。 1 2 2 管式炉工艺计算现状 国内在9 0 年代开发了管式炉工艺设计与校核软件( 简称t d c h t h ) 闭。该软件 是采用f o r t r a n 语言编写，只能在d o s 环境下运行，界面不够友好，在软件技术高 速发展的时代，难免会显得有些落伍。 目前，国外已有许多商业化的加热炉计算软件，但因管式加热炉种类繁多，形式各 样，要开发使用于所有炉型，尤其是加热反应炉的专业软件还不太现实。因此，目前 的商业软件大多是针对于某一种和几种炉型的计算而开发的。如：中石化北京工程建设 公司引进美国p f r 勘酏曙岵公司的琢n b 5 软件，由于对炉型和原料性质的限制太多 而没能被广泛推广。另外，国外也有关于纯加热型管式炉工艺校核的软件报道阱。 图1 - 8 是f r n c - 5 软件输入界面，国1 - 9 是f r n c 一5 软件结果以叫文档输出的界面， 由于纯英文操作，输入数据项目繁多且造价高昂，在国内中小型设计院及炼厂中并没有 广泛使用。对于烟囱通风系统，目前f r n c - 5 软件只能计算炉膛负压，并不能详细计算 烟道及风道系统的压降。 新开发软件必须解决计算方式的灵活性、界面友好、简单实用、性价比高等实际问 题，能够利用现场较易得到的基础数据，快速准确的计算出关键的工艺参数，并添加烟 道及风道阻力损失计算。 h c ，li ”- c 时t t 掣i s t i c 静：品贯嚣 船譬：嚣岛兰怂i i 广 sf i z a 皑：r i z * 41 吐rf i x * dl 丑l t 挚d e l t t 两币一k 一 h td u t y 百一_ 襄：妻箸? 面矿一一兰型 靛i 镕i 帮助 圈1 f r n c - $ 蓑作入界面 f i g l - 】g f r n c - 5s o f t w a 他i n p u t i n t e d a c e c 口i lc o i lf u 拜n 抒e a t s e c ts e c t l o es e c t d u t y i p t y p e i d 哪 2 2c o h u c t 2 1c o h u c t 。 2 c o h u c t 1 dr a p i a 町 1 1r a p i n h t 2 - 2 2 1 1 - p r e s s d r o p ( i r a ) t o t r l h e a d e r s 1 9 6 1 6 9 3 7 3 6 朝 3 2 1 b b 1 6 7 7 1 5 6 。7 a 7 2 7 8 1 2 s o s 1 1 3 1 5 ，- 1 2 6 7 9 8 t e r h i h n lc 口i t i n so fe r c h c o z ls e c t l o a s 4 h i w c o i lp o i 町 s e c ti h f 0 i d 日t p r o c f l o v s e q 2 2i e t1 2 2e x i t1 2 1e x i t2 2 e x l ta 1 e x i t 1 1e x i t5 p r e s s - t e 卅e r u r ea t u r e ( k p a a )【c ) 9 6 6 13 8 4 3 9 2 5 13 6 8 6 8 3 1 5 1 8 3 3 73 1 9 3 5 5 5 53 5 5 2 a 2 g3 6 9 5 1 3 换热器概述 f l u eg a st e 肾f l u eg a sp r e s s f l u eg a s 一c ) 一 i l e t e x i t e h t h a l p yu e i g h t f r a c t ( j i g u r p o r 6 8 7 1 一s 4 6 9 5 3 50 6 2 7 2 4 1 i 啊3 7 3 9 s 2口9 6 8 7 4 3 32 - 6 9 1 1 4 5 93 9 2 s 3 6 s 3 。3 7 矗2 7 b 2 7 柚2 9 7 a 2 i 晒5 6 6 5 3 3 7 - 嵋2 7 均2 u e l o c i t y ( n s ) 5 一 6 0 7 7 2 1 5 1 _ h 2 0h n x i h u l lu e l i n e tg d r o p ( k g s e c l l l 2 ) - 1 1 8 9 9 - 1 2 2 一1 日6 o o o 8 弘 1 1 3 7 1 7 1 7 7 1 7 7 1 。7 7 1 7 7 1 1 7 6 i 哼 日日b 日 o a o o o c r i t i c a l s sh 0 啪b e h u e l a c i t yu e l o c i t vr e v h o l d s ( h s ) ( k g i s e c i h 2 ) n u h b e r 7 6 6 7 6 8 7 9 5 8 1 5 1 们7 1 1 8 1 2 5 9 嵋5 1 2 5 9 1 嵋s 1 2 5 9 1 嵋5 1 2 5 9 埔5 1 2 s 9 1 l b 5 9 9 9 3 6 3 图1 - 9f r _ n c - 5 软件输出结果 f i g l - 9 f r n c - 5s o f t w a r eo u t p u ti n t e r f a c e 1 5 1 2 3 2 8 1 6 3 8 6 s 1 1 9 9 1 6 3 6 2 2 1 6 b 皿7 卑2 皿3 6 3 8 辅5 8 s a 7 f l 0 b o i l i f i g r e g i i r e g i l b u b b l v b u d b l y b u b b l y b u b b l v n h h u l n 且 h i s t 咖c l e n t n u c l e a t e h u c l e a t e 哪c l e a t e 删c l e n t e - i u c l e n t e 在各种换热器中，由于管壳式换热器单位体积内能够提供较大的传热面积，传热效 果比较好、适应性强，在石油化工生产过程中应用广泛。 在换热器的设计软件方面，以h t 软件为代表的国外产品，在操作性、易学易用 性方面严重阻碍了软件的应用，且价格十分昂贵；在国内，换热器设计软件为数不多， 且计算方法各异，难以确保设计的标准性。换热器计算软件的开发，应以用简单实用、 操作灵活、易于推广为原则，努力做到易学易用、准确可靠。 1 4 选题目的和研究内容 炼油厂中加热型管式炉的数量最多，被加热的介质种类也多，炉型和操作条件各式 各样，所用燃料种类和组成也各不相同，编制一套软件来进行各式各样的加热型管式炉 工艺计算难度较大，又是十分必要的。 本课题研究的主要目的是利用可视化编程语言v i s u a lb a s i c6 0 ( 简称v b 6 o ) 和关 系数据库管理系统软件m i c r o s o f t a c c e s s ( 简称a c c e s s ) 开发一个方便灵活的软件系统， 对管式加热炉进行传热计算，判断管式炉是否处于正常工作状态，为现场操作提供参考。 本课题将采用管式炉计算中最常用的l o b o e v a n s 零维辐射模型，对辐射室进行计 算；对流室采用分段计算，实现对流室物流的任意组合、分段，以增强软件的通用性。 主要工作内容包括以下几部分： l l 第一章前言 1 加热炉工艺计算通用软件的开发。软件主要包括以下功能： 辐射室利用罗伯伊万斯传热模型，可对存在扩径、多辐射单元、不同辐射 方式的辐射室进行计算，得到炉膛温度、炉管表面热强度等重要工艺参数： 对流室计算模块，根据“三级定位”的处理方式，可实现对流室物流任意组 合、对流室任意布管，得到对流室热负荷、介质离开对流温度、烟气离开对 流温度等重要工艺参数； 分析遮蔽管运行工况，提出遮蔽段计算新方法，得到单排遮蔽管吸热量及热 强度； 烟囱计算，可计算烟囱抽力、烟气流过加热炉及烟道压降、引风机机压头等 工艺参数，实现对引风机机初步选型； 通风系统阻力计算，可计算风道系统压降，得到通风机压头，实现对通风机 初步选型； 可计算热油式、热管式、钢管式空气预热器的阻力损失。 2 考察软件准确性及通用性。利用现场收集的多种类型管式炉结构和操作数据，对软 件的关键计算结果( 如炉膛温度、排烟温度等) 进行考核，考察软件对不同装置的 适用程度以及关键工艺参数对主要计算结果的影响。 3 软件需实现界面友好，操作简便，对不同的计算目的均可提供多种灵活的计算方式， 以适应不同基础数