某分子筛吸附脱水工艺设计-加热器设计计算资料

1、重庆科技学院油气集输工程课程设计报告学 院:石油与天然气工程学院 专业班级: 油气储运12-03 学生姓名: 罗 学 号: 设计地点（单位） K804 设计题目: 某分子筛吸附脱水工艺设计 加热器设计计算 完成日期： 2015 年 6 月 26日 指导教师评语: 成绩（五级记分制）: 指导教师（签字）: 重庆科技学院本科课程设计 摘要分子筛是一种人工合成的无机吸附剂，同时也是一种高效、高选择性的固体吸附剂。它能按照物质的分子大小进行选择吸附，在低水汽分压、高温、高气体线速度等苛刻的条件下仍能保持较高的湿容量。因此，它特别适用于气体及液体的深度脱水。在分子筛吸附脱水工艺里主要由吸附操作和再生操作

2、组成。而本文主要设计计算了再生操作里的加热器，且加热器选的是水套炉来进行设计。水套炉是火筒式间接加热炉里的一种，是指加热介质在壳体内的盘管中流动，由中间载热介质加热盘管中的介质，而中间载热介质由火筒直接加热的火筒式加热炉。中间载热介质为水时，简称水套炉。在水套炉的工艺计算里，我们首先根据水套炉的技术参数确定出水套炉所需的热负荷、燃料用量，在对其火管、盘管、烟囱等进行了设计计算。关键字：分子筛 吸附脱水工艺 加热器 水套炉1目录1 绪论42 加热炉设计依据52.1依据原则：52.2遵循的主要标准、规范：53 加热炉的选用63.1选用原则63.2炉型的选择依据63.3炉型的确定64 水套加热炉的工

3、作原理75 水套加热炉基本结构形式86 水套管的技术参数106.1 火筒受热面热流密度106.2 烟管受热面热流密度106.3 盘管的传热面积106.4 热效率116.5热负荷116.6排烟温度117 水套加热炉的设计计算127.1基本参数值127.2计算热负荷127.2.1再生气用量计算127.2.2 再生加热气加热炉热负荷计算137.3 火管（辐射段）的设计147.3.1辐射段的热负荷QR147.3.2火筒烟管直径的确定147.3.3 火管所需加热面积147.4盘管的设计157.4.1对数平均温差的计算157.4.2盘管的传热面积157.4.3 盘管的设计要求157.5烟囱设计167.5.

4、1 烟囱直径计算168 提高加热炉热效率的途径178.1影响加热炉效率的因素178.2提高加热炉热效率的措施178.2.1在设计方面178.2.2 运行方面189 水套加热炉腐蚀的防护1910 水套炉结构的优化2011 结论22参考文献231 绪论加热炉是将燃料燃烧产生的热量传给被加热介质而使其温度升高的一种加热设备，它广泛应用于油气集输系统，将原油、天然气及油井采出液加热至工艺所要求的温度，以便进行油气分离、脱水、初加工和输送等。火筒式间接加热炉是指加热介质在壳体内的盘管中流动，由中间载热介质加热盘管中的介质，而中间载热介质由火筒直接加热的火筒式加热炉。中间载热介质为水时，简称水套炉。国内各

5、油田在用的水套炉约20000多台，是油气生产和运输中的主要耗能设备。通过优化加热炉的结构，应用先进的燃烧技术和传热技术等，国内已研制出结构合理、技术先进和性能优越的多种形式的油田加热炉，部分加热炉的设计热效率能到达85%90%，但是实际运行热效率一般为80%左右，而且设备的金属耗量仍然很高，平均为以上。目前国内油、气生产和输送中使用的加热炉，整体技术装备水平相对不高，与国际先进水平相比还存在很大的差距，主要表现在： （1）国内油田加热炉的单台热负荷较小，热负荷为1250KW以下的小型加热炉约占加热炉总数的90%。（2）国内油田加热炉的平均运行热效率约为，加热炉效率很低；而国外有关加热炉的运行热

6、效率在左右。（3）国内油田加热炉的燃烧过剩空气系数较高，一般在1.3以上，有的甚至高达2.0以上；而国外有关加热炉的燃烧过剩空气系数可控制在1.1以下。（4）国内油田加热炉的钢耗量相对较高，火筒式间接加热炉的单位钢耗量一般达左右，而国外有关加热炉单位钢耗量的领先水平小于，国内水套炉的单位钢耗量与国外领先水平相比，存在较大差距。（5）国内大部分油田加热炉按标准配备了安全保护装置，但加热炉的运行操作，特别是负荷调节和燃烧调节主要为手工操作。国外有关加热炉的安全保护和运行控制均实现了自动化，可实现加热炉运行无人值守。2 加热炉设计依据2.1依据原则：（1）贯彻国家建设基本方针政策，遵循国家和行业的各

7、项技术标准、规范。（2）贯彻“安全、可靠”的指导思想，紧密结合上、下游工程，以保证中央处理厂安全、稳定地运行。（3）根据高效节能、安全生产的原则，采用先进实用的技术和自控手段，实行现代化的管理模式，实现工艺、技术成熟可靠、节省投资、方便生产。（4）充分考虑环境保护，节约能源。2.2遵循的主要标准、规范：SY/T 0076-2003天然气脱水设计规范SY/T 0524-2008导热油加热炉系统规范GB 50251-2003输气管道工程设计规范GB 50350-2005油气集输设计规范GB 8770-1988分子筛动态水吸附测定方法3 加热炉的选用3.1选用原则所选用的加热炉热负荷能满足工艺要求，

8、能将一定量的被加热介质加热至工艺要求的温度。加热炉高效节能.安全可靠，使用寿命长，造价低。便于操作和维修。尽量选用系列定型的炉型。3.2炉型的选择依据下列条件下宜选用管式加热炉：（1）热负荷大于1600KW时。（2）介质出口温度要求大于100。（3）介质物性较好（如粘度小，不含砂、盐等）。（4）介质流量，压力波动较小。（5）大口径输油管道加热炉。下列条件下宜选用水套炉：（1）热负荷小于800KW。（2）被加热介质为气体。（3）被加热介质操作压力大于6.4Mpa。（4）被加热介质流量、压力波动较大。（5）一般井口、计量站、接转战宜采用水套炉加热。（6）不适合用管式加热炉、火筒炉的场所。火筒炉适用

9、于操作压力低于0.6Mpa，被加热介质物性较好或采用（合一）设备的场所3.3炉型的确定根据基础数据和初步计算得知，本次天然气分子筛脱水工艺设计中的加热炉热负荷为388.7KW，小于800KW，被加热介质为干气，且介质出口温度大于100不能选用管式加热炉，各方面均符合水套炉选用原则，故本次设计选用水套炉。4 水套加热炉的工作原理火筒式水套加热炉的水套是一个密闭的圆筒状钢筒。正常运行时，水套内的水占水套容器的1/22/3，在水套内的下部平卧着U型火管，油盘管浸入水中，水套的侧壁上下设有水循环的进出口，水套底部还有排污口。火管一端安装燃烧器，另一端和烟囱相连。燃料在火筒中燃烧后，产生的能量以辐射、对

10、流等传热形式将热量传给水套中的水，使水的温度升高。并部分汽化，水及其蒸汽再将热量传递给油盘管中的原油，使油获得热量，温度升高，加热后的原油从水套的侧上部出口流出，输送至处理站，冷油（或介质）从水套下部的进口进入水套内被重新加热，这样如此循环往复实现加温的目的。现将水套炉的工作原理示意图介绍如下：图4.1 工作原理示意图5 水套加热炉基本结构形式水套加热炉属于火筒式间接加热炉类型，简称水套炉。水套炉的基本结构是卧式内燃两回程的火筒烟管结构形式，火筒布置在壳体的下部空间，烟管布置在火筒的另一侧，火筒与烟管形成U形结构；加热盘管布置在壳体的上部空间；燃烧器和烟囱一般布置在水套炉的前部。火筒式水套加热

11、炉主要由壳体、加热盘管、火筒、烟囱、燃烧器及其他附件（如安全阀、压力表、液位计、防爆门等）组成。现将水套炉的结构示意图和主要组成部分介绍如下：图5.1 水套炉的结构示意图1燃料总阀；2 二级合风；3一级合风；4燃料器；5耐火燃料道；6鞍式支座；7火管；8火管烟管；9加热盘管；10壳体；11排污阀；12人孔；13出液阀；14连通阀；15进液阀；16温度计；17压力表；18加水阀；19放空阀；20温度变送器；21安全阀；22烟道挡板；23烟囱；24烟箱；25防爆门；26燃料阀（1）火管（辐射段）：是燃料燃烧的地方，是U形结构的第一回程，由于火管中的火焰主要以辐射方式把热量传递给筒壁，所以把水套加热

12、炉的火管也称为水套加热炉的辐射段。（2）烟管（对流段）：燃烧在火筒内燃烧后的烟气，经过连接段进入烟管（U形结构的第二回程），由于烟管中的烟气主要以对流方式把热量传递给烟管壁，所以U形结构的第二回程也称为对流段。辐射段与对流段连接处的炉膛温度一般为500-600。（3）壳体（水套）：是由钢材制成的加热炉外壳，壳内装有火筒、加热盘管和加热媒介物（水）。（4）加热盘管：一般置于加热炉壳体内上部分，盘管内流动被加热介质，加热炉火筒及对流烟管把热量传递给水，水再把热量传递给盘管内的被加热介质。（5）烟囱：是其通风和排烟作用。烟囱一般用钢制成，烟囱内有一定高度的耐火砖衬里以防止烧坏烟囱。烟囱的高度根据炉子

13、的热负荷而确定。6 水套管的技术参数6.1 火筒受热面热流密度燃烧在火筒内燃烧放出热量，火筒（辐射段）受热面单位面积 通过的热流量叫火筒受热面热流密度。用表示,单位为。 (6.1)式中： 火筒受热面热流密度，； 计算燃料消耗量，或； 按热平衡方程计算的烟气放热量，或； 火筒受热面积，。6.2 烟管受热面热流密度烟气在烟管中放出热量，烟管（对流段）受热面单位面积通过的热流量叫烟管受热面热流密度。用表示，单位为。 (6.2)式中： 烟管受热面热流密度，； 计算燃料消耗量，或； 按热平衡方程计算的烟管传热量，或； 烟管受热面积，。6.3 盘管的传热面积即盘管与被加热介质之间的总换热面积。 (6.3)

14、 式中： 盘管的传热面积， 额定热功率，； 盘管总传热系数，； 盘管的传热温差，。6.4 热效率热效率是判断加热炉经济效益的一项重要指标，是设备有效利用的热量占供给设备全部热量的百分比，其计算公式为： （6.4） 式中： 加热炉热效率，%； 每小时加热炉有效利用热量，kw; 每小时供给加热炉的热量，kw; 每小时加热炉损失的热量,kw.6.5热负荷加热炉的热负荷是所有被加热的介质（原油、水、天然气）通过加热炉吸收的热量之和。 (6.5)式中： 加热炉的热负荷，kw; 加热原油的热负荷，kw; 加热天然气的热负荷，kw; 加热水的热负荷，kw.6.6排烟温度排烟温度是指烟气离开加热炉最后一组对流

15、管进入烟囱时的温度。降低排烟温度可以减少加热炉热损失，提高热效率，从而节约燃料，降低运行成本。但排烟温度又不宜选择太低，否则会使受热面金属耗量增大，甚至产生烟气低温腐蚀，影响加热炉使用寿命。7 水套加热炉的设计计算7.1基本参数值再生气进吸附塔温度：260再生气出吸附器温度：200热再生气进出口平均温度：0.5（260+200）=230进料温度：26床层吸附终了温度：45分子筛有效吸附容量：8%天然气处理量：12万方/天进料压力：5Mpa吸附器筒体及附件等钢材的质量：13200kg铺垫瓷球的质量：1678kg分子筛的定压比热：0.96吸附器筒体及附件等钢材的定压比热：0.5铺垫瓷球的定压比热：

16、0.88要求脱水到1ppm以下。7.2计算热负荷7.2.1再生气用量计算再生加热所需的热量为, 则： （7.1） 式中：加热分子筛的热量，kJ; 加热吸附器本身（钢材）的热量,kJ: 脱附吸附水的热量，kJ; 加热铺垫的瓷球的热量，kJ. 设吸附后床层温度是，热再生气进出口平均温度为， 4186.8kJ/kg是水的脱附热则： Q1=m1cp1t2-t1=8h15104962g1000m30.08241000.96230-26117748.8KJQ2=m2cp2t2-t1=132000.5230-26=1254000kJ Q3=m34186.8=151048962g1000m3100024 20

17、1385.08KJ Q4=m4cp4t2-t1=16780.88230-26=301234.56KJ; ; 式中: 分子筛的质量,m; 吸附器筒体及附件等钢材的质量,m; 吸附水的质量,m; 铺垫瓷球的质量,m; 分子筛的定压比热 吸附器筒体及附件等钢材的定压比热 铺垫瓷球的定压比热则Q=1874368.44KJ；出后，加10%的热损失，则是Q1.1=2061805.284KJ；再生加热周期取4小时，每小时加热量是2061805.284/4=515451.321kJ/h;又因为再生气在230时的平均比热3.14 kJ/(kg*),再生温降是：t=260-12200+26=147每千克再生气给出

18、热量：qH=Cpt=3.14147=461.58KJ；需再生气量G=515451.32/461.58=1116.71Kg/h=1.12t/h;7.2.2 再生加热气加热炉热负荷计算进加热炉的干气温度为26，出加热炉气体温度比进吸附器温度再高15，即275。 故加热炉热负荷为：设是再生加热结束时气体出口温度，为再生气进吸附器时的温度.再生气降温为；总共需再生气量（kg）: 加热再生气的加热炉热负荷：一般取再生气出加热炉的温度比高1020，加热炉热负荷Q：Q=GCpmt3+15-ta=1.163.14275-26=907KW 式中： 再生加热气量，t/h 平均比热，KJ/(Kg) 再生气进加热炉的

19、温度，。7.3 火管（辐射段）的设计7.3.1辐射段的热负荷QR辐射段的热负荷通常取为。 7.3.2火筒烟管直径的确定火筒直径应根据燃烧器型式、通风方式、热负荷、壳体直径等因素予以综合考虑，且当580kW时，=8085%。 故取80%。按以下公式计算： 火管直径应圆整至系列值，故取450mm.式中: D火管直径，m; 热负荷，kW; 火管截面热强度, ;自然通风时取=6800； 热效率，%；当580kW时，=8085%。这里按80%取值。7.3.3 火管所需加热面积圆整至系列值，取为35。 式中： 火管所需加热面积，； 平均表面热流密度，；一般取q=17.5kw/m2左右。7.4盘管的设计7.

20、4.1对数平均温差的计算Tm=tb-t1-t2-tblntb-t1t2-tb=233.8-26-275-233.8ln233.8-26275-233.8=102.9式中： 壳体内水与盘管内被加热介质的对数平均温差，。 壳体内水的饱和温度，。查资料得233.8。 被加热介质入口温度，。取26。 被加热介质出口温度，。 取275。7.4.2盘管的传热面积 盘管的传热面积按下式计算：43.2式中： 盘管传热面积，； 额定热功率，kW； K盘管的传热系数kW/m2;K值与介质流态，物性等因素有关，被加热介质粘度小，流速高，热阻小K值大，反之K值小，一般加热原油取K=0.14-0.23kW/m2;取0.

21、2kW/m2. 壳体内水与盘管内被加热介质的对数平均温差，。盘管传热面积应圆整至系列值，故取45m2；7.4.3 盘管的设计要求水套炉宜采用蛇形盘管，其直径不宜大于DN100。根据工艺要求，水套炉设计可采用单组或多组盘管，宜设计成可抽出式结构。盘管可采用单程管或多程管，在多管程盘管设计中应使各管程的压力降相等。汇管截面积与各管程截面积和之比，当管内介质为液体时应为；当管内介质为气体时不应小于1。7.5烟囱设计设计烟囱时，烟囱的高度需要满足两方面的要求：一是烟囱及对流室的有效抽力足以克服烟气管道中的各部分阻力；二是从烟囱内排出的烟气对周围环境的污染不超过规定值。采用强制通风方式时，烟囱高度应符合

22、有关安全及卫生标准的规定，且比烟囱周围半径200m距离内的最高建筑物高出3m以上。采用自然通风方式时，烟囱高度应能同时满足有关安全及卫生标准和自生通风压头的要求，并取其较高值。烟囱的设计计算参见的是管式加热炉烟囱设计内容。由于在油田中，燃料一般为天然气，含硫较少，所以一般都是按第一个要求来确定烟囱尺寸，其计算步骤如下。7.5.1 烟囱直径计算Ds=0.60.7Wg=0.62.5=0.95m式中： 烟囱直径, ； 烟囱内烟气的质量流速，一般为2.53.5kg/m2 s。8 提高加热炉热效率的途径8.1影响加热炉效率的因素（1）容量。大容量加热炉热效率高，小容量加热炉热效率低。（2）负荷。负荷变化

23、对加热炉热效率有影响，热负荷在50%额定负荷以下区域，为非经济运行区；在50%-75%额定负荷区，为一般经济运行区；在75%-100%额定负荷区，为经济运行区。（3）排烟温度。排烟温度高，热效率低；排烟温度过高的加热炉，宜采用烟气余热回收技术。（4）过量空气系数。过量空气系数高，排烟热损失大，热效率地；过量空气系数低，气体不完全燃烧损失大，影响热效率；因此，过量空气系数要控制合理范围。（5）结垢积灰。加热炉结垢积灰会导致加热炉受热面导热系数大大降低，影响传热效果，导致排烟温度升高，降低加热炉热效率。8.2提高加热炉热效率的措施8.2.1在设计方面（1）首先要对油田加热炉负荷率逐年递减、热功率多

24、为中、小级，以及野外操作条件差的特点，确定这样的设计原则：对负荷的变化要有较好的适应性，适当采用强化传热技术，尾部受热面宜简单可靠，墙体保温尽量采用新材料新工艺。（2）采用新型燃烧器。作为加热炉重要的附件，燃烧器性能的优劣直接影响着加热炉的运行效率。目前国内、外高效加热炉大都使用预混式微正压燃烧器，空气与燃料预混，风机鼓风，炉内微正压燃烧，火焰长度可调，能有效的控制过量空气系数，燃料燃烧充分。（3）对于辐射段及辐射对流过渡段，拟将传统的大火筒受热面，改为（小）火筒火管受热面，以提高炉内单位（水）容积的受热面积，缩小加热炉体积。对于1500kW以上的大型加热炉，还可以考虑采用“水冷壁+上锅筒”结

25、构，以强化辐射传热、提高炉膛容积热强度。（4）对流段的强化换热，可以采用螺纹管元件。再合适部位，也可考虑采用热管技术。但对于燃油特别是燃稠油、渣油的加热炉，除非有有效的清烟垢技术，才可以考虑采用热管强化传热。（5）采用烟气余热回收技术。为使炉内受热面布置紧凑，对流段出口设计烟温以200左右为宜。对于含硫很低的气体燃料，设计烟温150-160是可取的。采用常规的管式或热管空气预热器，可以有效地回收烟气余热，无需大的代价，即可取得提高运行效率2-3个百分点的良好效果。（6）为确保负荷率在较大范围变化时空气系数仍保持合理值，建议采用以烟气中氧量为配风调节的源信号，实施风量的随机调节，如此可以在负荷率

26、30%-100%范围内，过量空气系数仍可接近合理值。8.2.2 运行方面（1）操作人员要努力稳定运行工况，及时调整参数，注意观察检查，不断总结操作经验。（2）采用烟气氧含量自动监测仪，司炉人员根据烟气中氧含量的大小，合理调节配风量，进行低氧燃烧。（3）定期排污除垢，严格使用软化水，以减缓管壁结垢。（4）定期进行热平衡试验，以便发现存在问题，及时加以解决。（5）加热炉在管理操作上要建立健全必要的热工测量和控制仪表，实行加热炉控制运行，制定出司炉工操作规程。加强操作人员的技术培训，提高操作工技术水平，加强维护保养。9 水套加热炉腐蚀的防护（1）在加热炉炉套中，附着物主要为氧化铁垢、碳酸盐垢，因此采

27、用酸洗和络合清洗最为适宜，选用WXT-336清洗液做为清洗加热炉的主要清洗剂。缓蚀剂的选择要考虑清洗剂的种类、浓度、PH值、酸洗温度、流动情况，介质中氧化性离子的浓度、化学物质的性质及其对环境的污染，以及金属材质和金属表面状态等诸多因素。用WXT-336清洗剂时，选用WXT-806缓蚀剂效果良好，具有很好的抗氧化性离子腐蚀的能力。对加热炉清洗和缓蚀后，利用WXT-508做为加热炉钝化液，利用其在不同PH值条件下的特性，用液氨调节pH值一次完成漂洗及钝化处理。（2）除了在加热炉中加入缓蚀剂外，可以采用炉水处理，即在加热炉中加经过处理的水后，减少水中的矿物质含量，能起到有效防止加热炉腐蚀的作用。（

28、3）对于烟管和封箱的腐蚀，应严格控制加热炉的运行参数，保证加热炉的排烟温度在酸露点以上。另外，在加热炉运行中，要严格控制燃料中的含水量；实行低氧燃烧，选用高效燃烧器；提高加热炉自动化操作水平，有效控制燃烧器的配风，提高加热炉炉体的密封性。（4）对于火管损坏及盘管腐蚀，应采取有效措施防止火管壁结垢，或采用定期清洗方法，防止火管壁局部高温，减小其应力损伤；加热炉盘管除采用（1）和（2）方法防护外，在设计上应进行合理设计，使盘管易于安装拆卸，定期检测，及时更新，以防腐蚀造成不必要的损失。10 水套炉结构的优化近年来，水套炉以其可靠的安全性能在油田地面工程中得到了广泛应用，特别是在油田井口、中转站、联

29、合站内逐渐替代直接火筒加热炉和管式加热炉，在简化供热流程、方便操作管理、提高安全可靠性等方面显示很大优势。投入运行的水套炉虽然总体性能不错，但同当前国外水套炉的技术发展要求还有一定距离，为了使产品保持优势，进一步提高综合技术性能，仍然需要对水套炉的结构进行改进和优化，以进一步提高加热炉的效率，降低金属耗量。主要从以下几个方面改进：（1） 烟气对流受热面。燃油（燃气）水套炉的排烟温度一般在300左右，由于尾部对流受热面烟气的温度和流速较低，传热温差小，烟气众向冲刷烟管的对流换热系数也很低，进一步降低排烟温度很困难，而且势必增大设备的结构和造价；也有采用炉胆加烟管的三回程或多回程加热结构来设计水套炉的，主要是以增大尾部对流换热面、牺牲水套炉的钢材耗量和造价为