加热炉设计导则.docx
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加热炉设计导则
目次
1总则
适用范围
2引用标准
3蒸馏炉设计要点
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
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
简介
炉型选择
主要工艺参数的选择
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
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
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
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
炉管材质的选择及壁厚计算
10制氢炉设计要点
转化管内的化学反应简介
工艺计算主要工艺参数及技术性能指标
炉型选择
转化管管系设计
1总则
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。
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。
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。
表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/
常压蒸馏炉
30000~37000
36000~44000
1000~1500
减压蒸馏炉
24000~31000
29000~37000
1000~1500
润滑油型减压蒸馏炉
21000~27000
表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~。
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~2MPa。
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。
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%（重）时，选用碳钢炉管。
当硫含量不小于%（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，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。
表炉管壁厚选用
外径φ，mm
选择壁厚，mm
外径φ114,
>φ114～φ168
φ219
φ273
壁厚选6mm
壁厚选8mm
壁厚选10mm
壁厚选12mm
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：
φ152φ219φ273。
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Π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
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。
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。
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
YD300
YD325
YD340
最高使用温度℃
385
300
325
340
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~3m/s，汽-液混相流速，15~20m/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50~75%（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/
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
31500
36000
1500~2500
1500~2500
~3
芳烃装置二甲苯塔底重沸炉
C8
31500
1200~2400
800~1000
~3
15~25
芳烃装置热载体炉
常三线油
31500
1500~2500
800~1000
~3
15~25
4.3.3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。
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，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。
5延迟焦化炉、减粘加热炉及沥青加热炉设计要点
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。
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。
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φ60～φ127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：
1200～1800kg/
减粘加热炉：
1400～2000kg/
沥青加热炉：
1200～1500kg/
5.3.2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：
29000～32000W/m2
延迟焦化炉双面辐射：
42500～48000W/m2
减粘加热炉：
23000～31000W/m2
沥青加热炉：
16000～20000W/m2
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
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
表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/
m/S
石脑油、汽油预加氢炉
圆筒炉
2~3
24000~35000
250~500
10~20
柴油临氢降凝炉
单排卧管双面辐射
2~5
36000~52000
500~1000
10~20
煤油、柴油加氢精制炉
单排卧管双面辐射
8~9
36000~52000
500~1000
10~20
润滑油临氢降凝炉
单排卧管双面辐射
3~5
30000~45000
450~900
10~20
润滑油加氢精制
单排卧管双面辐射
8~9
30000~45000
450~900
10~20
燃
料
油
型
重油加氢炉
单排卧管双面辐射
18~19
36000
1500~2000
15~20
减压瓦斯油加氢炉
单排卧管双面辐射
18~19
47000
1500~2000
15~20
加氢裂化炉（氢气炉）
单排卧（立）管双面辐射
18~19
35000~47000
1000~1500
（200~250）
15~20
（15~25）
柴油加氢改质炉
单排卧管双面辐射
12~14
36000~52000
800~1500
15~20
润
滑
油
型
润滑油异构化加氢脱蜡炉
单排卧管双面辐射
14~16
47000
1200~2400
15~20
润滑油加氢精制炉
单排卧管双面辐射
18~19
40000~50000
1000~1500
10~20
润滑油加氢降凝炉
单排卧管双面辐射
18~19
40000~50000
1000~1500
10~20
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。
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。
一般加氢炉的设计工况均有2~3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。
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。
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%时，可采用Cr5Mo，Cr9Mo等材质，大于%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。
这一点可从表明显看出来。
另外，TP347抗连多硫酸腐蚀能力要高于TP321。
表
下列温度（℃）下的许用应力MPa
钢种
500
550
600
650
700
TP321
105
103
73
45
TP347
125
125
115
67
40
TP347/TP321*
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。
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15~30mm,位于上部的入口管向上位移80~100mm。
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80~100mm，而位于上部的入口管，一般向下位移15~30mm。
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40~50mm。
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。
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，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～，炉出口温度约500℃。
连续重整的操作压力为～，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～，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C7～C8加氢气，操作压力3MPa（歧化）和（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。
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φ127。
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
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