催化外取热器换热分析*

王春峰，万德斌，王 宁，孙惠山

催化外取热器换热分析*

王春峰1，万德斌1，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266071；2.中国石油天然气第七建设工司，山东青岛266300）

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。

外取热器；催化裂化；换热计算；余热回收

随着催化裂化技术的快速发展，取热器作为催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热器和外取热器两种形式，内取热是直接在再生器内部设置垂直或水平管道在再生器内直接取热。外取热器是将催化剂引至再生器外部的取热形式[1]。内取热器投资少，结构简单，不需要催化剂循环调节系统，不需要增压风系统。不足之处是热负荷不能调节，启动和停用困难。外取热器结构复杂，投资大，占地多，但因为其维修方便，操作调节比例大，因而应用的范围很广，已经逐渐的取代了内取热器。内取热一般只应用在过热防焦蒸汽上面。

1 外取热器分类介绍

外取热器有多种分类方法，按催化剂的流动方式分为，上流式、下流式、气控式（内循环、外循环）、返混式、串联式等多种形式[2]。按热介质分为蒸发取热和过热取热或两者兼有[1]。按水力循环方式分为自然循环取热和强制循环取热。

下流式外取热器：催化剂自再生器密相床引出，经热催化剂斜管、单动滑阀进入外取热器。在外取热器下部送入流化风，外取热器床层以鼓泡床形式流化。催化剂与取热单元进行热量交换。流化风自顶部引出返回再生器，冷催化剂从外取热器底部引出经单动滑阀、冷催化剂斜管返回再生器[2]。

下流式外取热器换热过程主要发生在催化剂密相区，传热系数高，同时需要流化风的速度小，同时热负荷的调节范围较大，适于大型装置的应用[3]。

2 计算分析

外取热器计算从设计角度分为设计型计算和校核型计算。设计型计算按照工程取热量的要求，选取取热管的形式、传热面积、管道长度、管道的排列方式、取热器外径、从而完成设计计算。校核型计算是验证设计的模型是否能满足当前工程的需要，从而对模型进行修改，以完成设计任务。实际计算的过程中两者往往相互穿插，先设计后校核。从过程机理的角度分为水力计算，热力计算和磨损计算。水力计算又分为自然循环和强制循环计算两种形式。

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，属于流化床换热过程。过程的控制方程为能量平衡方程和传热方程。

外取热器换热过程分析如下。

2.1 能量平衡方程式中：t1—催化剂入口的温度，℃；

t2—催化剂出口的温度，℃；

t3—流化风入口的温度，℃；

c1—对应t1的催化剂比热容，kJ/（kg·K）；

c2—对应t2的催化剂比热容，kJ/（kg·K）；

c—流化风的比热容，kJ/（kg·K）；

M—催化剂的质量流量，kg/s；

M1—产生蒸汽的质量流量，kg/s；

M2—流化风的质量流量，kg/s；

γ—汽化潜热，kJ/kg。

2.2 传热方程

式中：Q—总取热量，kJ/h;

K—总传热系数，W/（m2·℃）；

F—传热面积，m2；

△T—传热介质的对数平均温差，℃。

2.3 对数温差方程

式中：△T1—催化剂入口温度和饱和蒸汽温度差，℃；

△T2—催化剂出口温度和饱和蒸汽温度差，℃。

2.4 传热系数式中：K—总传热系数，W/（m2·℃）；

h1，h2—管内外膜传热系数，W/（m2·℃）；

R1，R2—管内外积垢热阻，W/（m2·℃）；

A1，A2—管内外表面积，m2；

供应是生鲜农产品供应链的上游环节，营销是生鲜农产品供应链中的下游环节。每日优鲜处于其供应链核心位置，是上游供应与下游营销的连接桥梁。每日优鲜的供应链结构如图所示：

δ—管壁厚度，m；

λ—管壁导热系数，W/（m·℃）。

2.5 管内传热系数

对于中压汽、水混合物蒸发管采用锅炉热力计算采用的传热公式。

2.6 管外传热系数

式中：dp—催化剂平均粒径，m；

λg—气体导热系数，W/（m·K）；

Nu—奴赛尔数；

ε—取热床层空隙；

μf—取热床层表观线速，m/s；

εmf—μf时取热床层空隙；

ρg—气体密度，kg/m3；

n—传热管在非轴线位置的校正系数，≤1；RT—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，根据差异值，调节出口温度值，最终达到计算的平衡。人工手算得工作量非常大，宜适用程序循环迭代计算。通过一些算例，发现各个参量之间的关系。

3 数据分析及结论

3.1 催化剂流量的增加对传热系数的影响

以光管套管取热器为例，当催化剂流量增加时，催化剂和外管壁的换热系数增大，由式（6）可知，整个系统的传热系数都要相应的增加，具体的变化关系如图1。

图1 催化剂循环量和传热系数的关系Fig.1 Relationship of the catalyst circulation rate and heat transfer coefficient

裂化催化剂属于典型的A类颗粒[5]，工程运行时随着流化风的通入，催化剂固体颗粒逐渐的脱离接触，气体携带催化剂在外取热器内成鼓泡床或湍动床运行。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。当催化剂的流量增加时候，取热床层空隙会变小，从而增加颗粒对流传热的几率，对传热系数的增加有正面的作用。

3.2 催化剂流量的增加对传热量的影响

如图2由于增加催化剂的流量能够使催化剂和取热器壁面的传热系数增大，在换热面积和对数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。

图2 催化剂循环量和传热量的关系Fig.2 Relationship of the catalyst circulation rate and heat transfer

3.3 催化剂流量的增加对催化剂出口温度的影响

随着催化剂流量的增加，催化剂出口温度是增大的，这主要是因为流量增加不仅增大了传热系数，同时催化剂带入的能量也随着流量的增大而增大，取热器吸收的能量小于催化剂带入的能量，多余的能量自然要从催化剂带出，因而出口温度较高。

3.4 催化剂流量的增加肋片管类效率的影响

从图3可以看出肋片的效率是随着催化剂流量的增加而降低的。

图3 催化剂循环量和肋效率的关系Fig.3 Relationship of the catalyst circulation rate and finefficiency

式中：η—肋效率；

h—肋高，m；

k—管表面对流换热系数，W/（m2·℃）；

λ—管壁导热系数，W/（m2·℃）；

δ—管壁厚度，m。

催化剂流量增大时候mh值也变大，然而双曲正切函数th（x）在作用域内是单调增加的，数值在y=1和y=-1之间，当x趋近于无穷大的时候，函数值趋近于1。在其作用于内<1，所以随着流量的增大，传热系数增大，从而导致mh增大，双曲正切函数的增加率＜mh变量的增加率，故效率越来越低。

3.5 光管和肋片的实用性分析

如图4光管加肋片后增大了传热面积，传热的性能有了很大的提好，传热系数几乎大了一倍，可以节约大量的换热面积。

图4 光管和肋片管与传热系数的关系Fig.4 Relationship of the Fluorescent tubes，finned tube and heat transfer coefficient

但同时肋片和钉头与外管的联结处焊接的焊缝联结处理较困难。由于热应力的影响，失常开裂，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。如果减小管径，增加换热管道的数量可以在取热器外径不变得情况下增大换热面积。综合考虑，小管径光管要优于肋片管。

[1]陈礼佩.浅论渣油催化裂化装置外取热器：FCCU外取热器和余热锅炉现场经验交流会文集[C].1999.

[2]刘英聚，张韩.催化裂化装置操作指南[M].北京：中国石化出版社，2005.

[3]王化秋，柴中良，郑亭陆.催化裂化装置气控式外取热浅析[J].炼油技术与工程，2003（11）：30-33.

[4]曹汉昌，郝希仁，张韩.催化裂化工艺计算于技术分析[M].北京：中国石化出版社，2000.

[5]陈俊武.催化裂化工艺与工程[M].北京：中国石化出版社，2003.

Heat Transfer Analysis of External Catalyst Cooler in FCC

WAMG Chun-feng1，WAN De-bin1，WANG Ning2，SUN Hui-shan1
（1.CNPC EastChina Design Institute，Shandong Qingdao 266071，China；2.China Petroleum 7th construction company，Shandong Qingdao 266300，China）

Catalyst cooler is a main cooling and heat recovery equipment in catalytic cracking unit.With development of catalytic technology，the type of external Catalyst cooler is continuously improved.External Catalyst cooler heat exchanger can carry out heat exchange between buried pipes in the fluidized bed and the catalyst fluidized bed，its heat transfer mechanism is more complex.Research on calculation method of superheater was very little in the past.In this paper，through referencing some design experiences and engineering data，calculation of superheater was discussed.

Catalyst cooler；FCC；Check calculation；Heat recovery

TE 965

A

1671-0460（2010）05-0611-03

2010-05-18

王春峰（1979-），男，工程师，硕士，河北省沧州市，2006年毕业河北工业大学，热能工程：炼油设计工作。E-mail：wangchunfeng2010@126.com。