导热油加热炉内导热油流速的设定及其影响
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导热油加热炉管内导热油流速的设定及其影响 上海石化股份有限公司涤纶二厂 俞德昌
在管式加热炉中,炉管内导热油流速的选择和设定不但与导热油加热炉的设计有极为重 要的联系,而且对导热油加热炉的使用也有举足轻重影响。 管式加热炉管内油品的流速已有不少文献进行过叙述和讨论.表l就是在一般情况下的 推荐值。 表1管内流体重量流速经验数据(1)
序 装 置 管内流体重量流速 压力降 序 管内流体重量流速 压力降 号 Gf.公斤 来 ·秽 公斤 厘米0 日 装 置 j G r,公 ,米2·秒 公斤 厘米
I 常压炉 980~I500 7~l5 7 富油加热炉 l200~l700 2~4 2 减压炉 980~l500 3—6 8 轻馏分重沸炉 l200~1 70o 3~4 3 减粘炉 1200~l500 l8—25 9 沥青加热炉 1200——1500 4 催化重整气体予热炉 170~240 l0 润滑油再蒸馏予热炉 l200~1500 5 催{匕重整粗汽油予热炉 490——980 1l 脱蜡溶剂加热炉 l200~l500 6 催化气体及粗汽油予热炉 200——490 12 粗柴油加热炉 1200~1500
般而言,当压力降不是限制因素时,在节能要求的许可范围内,加热炉的设计者和使 用者可以考虑适当提高油品的流速。但是、由于导热油在被加热时普遍具有一定的结焦倾向、 因此,研讨导热油加热炉管内导热油流速的低限,更加具有重要的现实意义。 1993年8月19日化工部“化生发(1993)587号文,颁发《有机载热体加热炉安全技术 规程》, 简称“技术规程”。 1993年l2月28日劳动部“劳部发{l993)356号文,颁发《有机载热体炉安全技术监 察规程》, 简称“监察规程”。 监察规程指出:“为了防止液相炉中有机载热体过热分解与积炭,必须保证受热面管中有 机热载体的流速,辐射受热面不低于2m/s,对流受热面不低于1 5m/s‘ 。 技术规程指出:“为避免导热油局部过热,掖相炉中的导热油,在炉管内的流速辐射段为 2~4mls,对流段为1.5--2.5rn/s。 这里二个规程都要求导热油加热炉管内导热油的流速,辐射段不低于2m/s,对流段不低 于1.5m/s。 某厂聚酯装置的导热油加热炉曾连续发生了三次炉管爆管事件及一次炉管堵焦事件,对 其进行探讨无疑将有助于剖析本文所涉及的研究课题。 某厂聚酯装置导热油加热炉的结构尺寸见图l。导热油为日本开发的s一700导热油。导 热油加热炉原型号为HCP--350ES,是四流并联卧式盘管型加热炉。需加热的导热油由屏蔽泵 增压后输入导热油加热炉进口联箱.然后分四流并联进入四组炉管,加热后的导热油并联汇 集到导热油加热炉的出口联箱,最后被送往装置的导热油系统中去。 导热油的第一流和第二流进入导热油加热炉的内层盘管,节园直径为2000毫米,内层盘 管系双头盘管.共38圈,每流19圈。导热油的第三流进入中层盘管,节园直径2323毫米,
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维普资讯 http://www.cqvip.com 共33圈。导热油的第四流进入外层盘管.节园直径2624毫米,共38圈。炉管材料为日本钢 号STB--35E,国产代材为20g。 该导热油加热炉采用对流一辐射型结构,内层盘管的内半侧接受辐射传热;内层盘管的 外半侧、中层盘管内外二半侧、外层盘管的内半侧接受对流传热。 在导热油加热炉的出口方向,中层盘管较内层盘管后缩了大约3d的距离,外层盘管内 较内层盘管前伸了约2d的距离,外层盘管较中层盘管前伸了约5d的位置,导热油加热炉的 结构简图见图l和图2。 导热油加热炉炉管这样的结构布置,使外层盘管邻近出口的第37圈和第38圈处于高温 烟气由辐射传热折向对流传热的“遮蔽管”的位置,外层盘管的这二圈炉管的向焰侧既受强 烈的辐射传热,又受高温烟气的强大的对流传热,炉管表面的传热强度位于最高级别;但是 外层盘管的外半侧贴近炉壳既不受辐射传热,也不受对流传热,于是,外层盘管第37圈和第 38圈炉管的周向传热极不均匀,极容易造成局部过热现象;而且邻近出口的二圈盘管内的导 热油已接近导热油需加热的温度,几乎已处于导热油加热炉的导热油出口温度。总而言之, 外层盘管的第37圈和第38圈炉管内导热油温度撮高,炉管周向传热极不均匀,它的向焰侧 表面却又处于最高的传热表面热强度下,因此这二圈炉管很容易造成损坏,国内外有不少加 热炉受损的案侧,其中遮蔽管因受热不均匀.过度受热而招致损坏为数实在不少。 附带需说明下,内层盘管和中层盘管的最后一圈盘管也有类似的遮蔽管效应,只是情 况稍缓和些。 导热油加热炉的设计数据: 导热油总流量G=300m h 导热油进口温度‘ =286.5 ̄C 导热油出口温度 =316uC 导热油加热炉压力降AP=1.86kg/cm 导热油加热炉有效热负荷Q有数=244.46×10 kcal/h 导热油加热炉辐射传热表面热强度q辐 q辐 4.2495×10 kcal/m2·h 导热油加热炉对流传热表面热强度q q 0.8352 x 104kca]/m2·h 导热油加热炉的生产操作数据: 导热油总流量G=330m3/h 导热油进口温度‘ =296。C 导热油出口温度t H{=310。C 导热油进口压力P =8kg/cm2 导热油出口压力p H{=5.5kg/ cm2 导热油加热炉每流炉管管内导热油流速可以根据“并联管路”及“管路阻力”进行试 差计算。(2] 某一流炉管(包括盘管和联结管)中导热油的压力降为△P-。
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维普资讯 http://www.cqvip.com △Pi=△Pr+△Pf ( +∑K1)×生+( +∑K2)
d 2g d 2g
( +∑K1+ +∑K2) =(——+∑1+— +∑ )×— d d 2g
U?r Mi×—— —一 2g
Mi×u2 x 2g △P1=△P2=A3=△P4 M1× =M2 xUe2=M3×u;=M4 xU:
3600×  ̄d2 v :v s: -u :u e:u :— : 又Vl+ +V3+v4 V总 因此,在数据处理时,我们可以将每一流炉管的管内导热油流速同导热油加热炉总的流 量相关联,也就是说我们可以将每个导热油加热炉流量数据进行试差计算,得到每一流炉管 导热油流速,以便进行进一步探讨。 在上述计算公式中: i:某一流序号,数据1—4。 △P:导热油压力降kgf/cm ̄。 APr:加热炉盘管部分压力降kgr/cm2。 △Pr:加热炉盘管联结管压力降kgf/cm2。 Lc:盘管计算长度,m。 Lc=n(H2+9.87D2c)O-5 fc盘管摩摩擦系数,它是Re及Dc/d的函数。 :盘管联结管摩擦系数,它是Re的函数 Lf:盘管联结管计算长度,m。 KI:盘管进出口阻力系数,当管件与盘管相切并且流体湍流时,取K1=0 1。 K2:盘管联接管局部阻力系数。 Dc:盘管节园直径,m。 H:盘管间距,m。 n:盘管圈数。 r:导热油重度,kgf/m3。 u:导热油管内流速,m/s。
维普资讯 http://www.cqvip.com v:导热油流量,m3/h。 重力加速度,m/s 2o 1995年2月7 Et,6#导热油加热炉中层盘管发生全线堵焦事件,它为导热油加热炉管 内导热油流速过分偏低将引发导热油严重结焦倾向提供了罕见的例证。 在当时的前不久,即1995年1月29日,6吐炉外层盘管发生炉管爆管事件,为维持生产 将外层盘管用盲板隔断后,只用内层盘管和中层盘管继续加热导热油,此时加热炉负荷减半, 即l65m3/h。投用后不几天就发现中层盘管的导热油出口温度上升到340。C,停炉检查后发 现中层盘管全线堵焦。使用超高压射流水{800—1O00kg/cm2 j从中层盘管进出口进行清焦 并不奏效,不得已在盘管每隔6—7圈开一个“窗口’ 全线进行射流水清焦才得以疏通全管。 从超高压射流水冲击下来的焦块实测,中层盘管管内积炭层厚度达35ram,可见结焦的 严重程度,全线还充满粘稠的沥青质,是导热油受过热但尚未碳化的重质油。这次事件幸喜 及时处理,所以没有再次爆管。 我们用前述计算公式和方法进行数据处理,得出“三流导热油流速表”及“导热油三流 流速与总流量关系图 列于表2及图3。从中可以看出加热炉总负荷165m0/h时,中层盘 管管内导热油的流速已低于1.5m/s。 据研究分析,由于临近出口的最后一圈也有类似“遮蔽管”的效应,这区域的]况条件 最苛刻,结焦首先在这部位形成,由于逐渐增多的积碳,造成流体阻力骤增,使并联管系流 量分配更趋恶化,反过来又加剧局部过热和促成结焦,从而使积碳的增加呈恶性循环,最终 形成全线堵焦。现场盘管“开口”全线用超高压射流水清焦情况见图4—5。 表2 6#炉三流导热油流速表
m/h 50 75 lO0 l25 150 l 1 75 200 l 225 250 275 300 325 u l m/ O.63 0.94 1.26 1.57 1.89I 2.20 2..51l 2.83 3.14 3.45 3.77 4.08 u 2 m/s 0.63 0.94 1.26 1.57 1.89l 2.20 2.51l 2.83 J 3.14 3.45 3.77 4.08 u 3 m/s 0.44 0.67 0.89 1.1l 1.33j 1.55 1.78 2.OO J 2.22 2 44 2.66 2.89 u 4 m/s 0 O O O 0 f 0 o 0 l 0 O O 0
根据现场进一步的调研分析,中层盘管管内导热油的流速在当时可能远小于1.5m/s,这 是因为加热炉在检修结束投用时没有把残留在管内的水份完全驱赶干净,这些水分遇到高温 导热油迅即汽化,体积极大膨胀,造成导热油流体阻力增加,这更加剧了前述“积碳增加” 的恶性循环。 导热油因为管内流速过小容易结焦造成积碳,即使不造成堵焦,也会因焦层过厚造成局 部过热,甚至引发爆管事件。 这些方面涉及其他课题,本文不再加以引仲。 总之,如果导热油加热炉管内导热油的流速过低,将会造成导热油的过热、积碳、进而 引发炉管的堵焦和爆管。因此,我们在设计和使用导热油加热炉时,必须遵循劳动部和化工 部的“二规程”的有关规定,保证生产能够安、稳,长、满、优地进行。
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