刘砚

（淮南石油化工机械厂)

100 Mt/a催化裂化装置外取热器计算及设计

刘砚*

（淮南石油化工机械厂)

外取热器是催化裂化装置中保持反应器、再生器热平衡的主要设备。通过工艺计算确定了外取热器直径、取热管面积，并对其结构进行设计和材料选取。

外取热器工艺计算结构设计材料选取换热器

我厂为某炼油厂100 Mt/a催化裂化装置设计制造一台外取热器。该套装置采用同轴式再生反应器。根据要求，外取热器采取下流式，催化剂进出口采用单动滑阀控制。上部进口滑阀控制外取热器内催化剂料位，加之调节适宜的流化风量（0.2～0.5 m/s）,可达到较高的传热系数；下部出口滑阀通过控制催化剂的循环量，改变外取热器内催化剂温度，并调节取热负荷。取热管束单根采用套管结构，冷水（冷质）从每根单元取热管的内管进水至底部，经外部蒸发管逆流而上，与蒸发管外下降的热催化剂（热质）充分进行热交换，产生过热水蒸气，使热水强制循环。下流式外取热器和单元取热管如图1所示。

图1 下流式外取热器和单元取热管

1 取热器直径及取热管面积计算

1.1 确定外取热器直径

用户提供的设备工艺参数如表1所示。

表1 设备工艺参数

催化剂循环量G为：

式中Δt为热流体温差。催化剂循环量实取300 t/h。

取热器截面积A为：

其中，催化剂质量流速取M=120 t/（m2·h）。

取热器壳体内径Di为：

考虑到壳体内衬隔热耐磨层的厚度为100 mm，因此该取热器壳体内径Di圆整后取Di=2.2 m。

1.2 确定取热管换热面积及根数

蒸发管束的热交换段长度为10 m，蒸发管外径为219 mm。每根蒸发管的换热面积a为：

根据国内同类装置的设计经验，一般传热系数K在1 200～1 915.2 kJ/（m2·h·K）之间，故取K=1 550 kJ/（m2·h·K）。

传热介质对数平均温差Δtm为：

根据传热方程（忽略流化风带走的热损失）：

单元取热管根数n为：

实际取20根。取热管按同心圆分三层布置，中心1根，中间6根，外层13根。

1.3 核算催化剂质量流速

催化剂实际的质量流速M1为：

符合催化剂流速在100～140 t/（m2·h）的适宜范围。式中A1为取热器有效流通截面积。

1.4 蒸汽产量估算

水蒸气温度为250℃时，汽化潜热值为q=1 708.6 kJ/kg。由Q=Mzq得蒸汽产量Mz：

2 设备主要部件结构设计及选材

2.1 筒体

由于筒体内介质为从再生器密相床引入的热催化剂及烟气，其温度高，压力较低（仅为0.22 MPa），只需满足筒体承受整体设备载荷所需的刚性要求即可。鉴于筒体内部需进行隔热耐磨衬里，所以选取筒体材质为Q245R，经核算筒体壁厚取20 mm满足要求。

2.2 管束

管束内部进口通250℃（4 MPa）饱和水，出口为250℃饱和蒸汽。管束是设备维护的关键，为便于管束的检修、更换、安装，封头与筒体采用法兰连接。封头作为管束的管板，每根换热单元（取热管）与封头进行焊接，使管束形成为整体。管束段设置两个导向支持架，将管束固定，便于管束整体安装，且在使用工况下不会在筒体内部自由晃动。

取热管采用内外套管结构，内部为进水管，外部为蒸发管，两者在管底部相通（见图1）。根据工艺参数以及考虑管外部热催化剂颗粒的冲刷，选取蒸发管材质为15CrMo，规格为Ø219 mm×12 mm，且管外部焊有翅片（材质15CrMo）。进水管材质为20钢，规格为Ø133 mm×6 mm。这种翅片式取热管增加了热催化剂与翅片的碰撞几率，大大强化了传热效率，同时也提高了外取热器的操作弹性。

2.3 支座

为减弱装置中风机振动的影响，外取热器悬挂支座安装在弹簧座上，并与平台固定在一起。

3 结语

本设备采取了下流式结构设计，催化剂进出口分别采用单动滑阀控制。其结构特点是传热系数高、耗风量小、操作弹性大。尤其是在蒸发管外部焊有翅片，强化了传热效率，避免了原集水箱多管结构中焊缝较多、应力集中、易爆裂的弊端。由于每根单元取热管是相对独立的，出现个别单元泄漏时可直接将其关停，不影响外取热器整体使用。在整个催化裂化装置不停车情况下，关闭外取热器催化剂出入口的滑阀，即可对外取热器进行检修或更换，非常方便。同时，由于使用单动滑阀控制，热水强制循环，增加了设备的制作成本。

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

*刘砚，男，1963年生，工程师。淮南市，232033。

2011-11-15）