2005-06焦炭塔的保温设计.pdf

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1、静设备 石油 化工设 备技术 , 于 焦炭塔的保温设计 崔其山 中国石油 大学 华东 , 山东东营 摘要介绍了某炼油厂延迟焦化装里焦炭塔保温结构在设计上 的特点 , 提出了综合导热系数的概念 , 推导出了在各种情况下的计算公式 , 并利用综合导热系数的概念和计算会式对 实际保温 效果进行了校核 , 还 指出 , 在对保温 支持圈和保温打布里密度大的保温结构进行计算时 , 时这些构件的导热作用不能忽略 。 关键词焦炭塔保温结构综合导热系数保温计算及复核 中图分类号文献标识码文章编号 一一一 前言 某炼油 厂 延 迟 焦 化 装 置 处 理能力为 , 分 两 期 进 行 建 设 , 一期 建设延迟

2、 焦化装 置 , 循 环比为 , 生焦周期 为 , 设计 连 续 生产时间为年 。 一 期 设 有 焦 炭 塔 两 座 , 塔内径为 , 直筒段高度 , 设 备总高为 , 壁 厚 在 不同部位分别 为 、 、 , 主体材质 为 , 裙 座材 质为碳钢 。 焦炭塔采用新型保温结构 。 新型保温结构 的特点 焦炭塔 的保温结构 设计采 用 专利技术 , 从 内至外分 别为内背 带结 构 、 硅 酸铝 针刺毯 、 复合 硅 酸盐板材 、 外背带结 构 、 镀 锌 瓦楞钢 板 , 如 图 所示 。 内外背 带 的悬挂点设置在 钻焦口处 , 底部 为 自由端 。 这样 , 整个保温结构就可以随着温度 变

3、化自由地伸缩 。 腔 , 有助于锥体的整体保温效果 。 如图所示 。 三三三三三 浮浮浮浮 食石石石 弓弓弓弓弓 一一一 七七己 二二二二 图焦炭塔锥体段保温结构示意 硅酸铝针刺毯 内背带 塔筒体 复合硅酸盐板材 保温结构的计算 焦炭塔正常的操作温度 为顶部 , 底部 。 计算时 , 为简化计算并留出富裕量 , 设定 操作温度为 , 环境温度取为 , 保温层外 表面温度设为 。 当地的气温数据见表 。 表当地气温数据 外背带 保温钉 镀锌瓦楞钢板 保温支持圈 台留留 乡乡乡乡乡兹兹兹 止止止止止 戮戮戮 罗罗罗 丫丫丫丫丫丫丫 年年平均均 最最热月平均均 最最冷月平均均 极极端最高高 极极端最

4、低低 图焦炭塔筒体段保温结构示意 锥段保 温结构与筒体保温结构 基本类似 , 最 上端延伸到裙座 内侧底部的保温 支持圈 , 在裙座 内侧保温连接板上方形成一个封闭的保温热盒空 收稿日期 一一 。 作者简介崔其山 一 , 山东高唐县 人 。 年毕业于 石油大学石油加工专业 , 工程师 , 多年从事炼油工艺设计工 作 , 在油品精制 、工 艺优化组合方面有独到研究和见解 , 已发 表论文篇 , 现从事某国外项目的设计管理工作 。 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. h

5、ttp:/ 第卷第期崔其山焦炭塔的保温设计 壳体 李李李 、 李李李 一 丫 几 , 二二二 、 一一一、一 二二二 二二二 一 图不同材料组成单层平壁稳定热传导示意 传热速率方程的一般形式图为 从 ,、 一 改 书 二 一一 立二兰一 竺二一答 一 一 久 式中 卜一热流量 , 平面壁厚度 , 平壁 两侧温度差 , 即导热推动力 , 传热面积 , 导热热阻 , 一奴 ,。 对于由不 同材料 组合成 的保温层 , 假定保 温 钉与硅酸盐保温材料之间不存在传热 , 则 保温层 保温钉 一 鲁 , 一 , 一 赞 , 一 、 式式得 几 十 从 久, ,。 久 雌 久久 了、 焦炭塔热膨胀,的计算

6、 假定焦炭塔沿轴向的温度 分布是线性 的 , 则 纵 向伸长 量可按 温 度 的综合平 均值计 算 。 经计 算 , 高度 纵 向伸长 量 为 , 圆 周 增 长 为 , 半径增大 。 由于内背带结构 紧贴塔壁 , 在保 温 良好 的情 况下 , 背带温度可视为与塔壁相 同 , 并且碳钢与低 合金钢 的膨胀 系数相 同 , 并且底部为 自由端 , 因此 内背带在高度上 的补偿可以不 用 考 虑 。 同样 , 保 温支持圈间的间距经计算变 化很 小 , 需 要弹簧补 偿的变形量也很小 。 外背带结构由于表面温度接 近环境温度 , 外背带在高度上的伸缩量可视为零 , 则连接外背带底部 与裙座挂钩

7、的弹簧必须能满足 纵 向伸长 的补偿量 。 保温层厚度 的计算 焦炭塔的保温结 构可视 为多层保温层结 构 。 对于直径大于的设备和管 道 , 原则上可 以按照平面结 构 进 行计算 。 由于内背 带紧贴塔 体 , 可假定保温材料内侧的温度等同于塔壁温度 , 塔壁温度等同于操作温度取 为 。 同时 因 为塔壁温度高于 , 根据设计统 一规 定 , 必须 采用憎水型复合硅 酸铝保温材料 。 采用表面温度 法经简化计算 , 得 到保温厚度为 , 圆整 为 。 由于考虑到大部分的厚度上 温 度 界面 小于 , 在实际施 工 时仅最里 面靠近塔 壁 的 材料选用憎水型复 合硅 酸铝 针 刺毯 , 外面

8、均采用 复合硅酸盐保温材料 , 其他结构如前所述 。 为此 , 必需校核在实际保温结构下的效果 。 由于在保温中必然采用保温支持圈 、 保温钉 以及捆扎结构 , 因此 在校 核 时如何 将这些因素综 合在一起 , 是保证 校 核 结果 正确的必 要 条件 。 在 此提 出单层综合导热系数和多层综合导热系数的 概念 。 单层综合导热 系数的计算 单层综合导热系数是指就某一单层保温结构 而言 , 由导热系数不 同的 两种或 多种材 料组和 而成 , 如图所 示 。 假 定存在 一 个厚度 、 面积 相 同 , 热通量也相同的保 温层 , 表 面 温度 记作 , 则 其导热系数与两种或多种 材料组成

9、的保温层 的 综合导热系数 几 必然相 同 。 假定这 两种材料之 间不存 在 热传递 , 则 入 、 与组 成 保 温结 构 的各 材料所占面积 , 、 、 温度 、 导热系数 以 , 、久 间的关系 , 可以推导如下 。 而 , 与假想保温层 标 准传热公 式 一 孕 口 对比 , 则可得 、, 口 、夕亡月 汇 、了、 几, , 久 几,几 吞 币 入 将式 、式 推广 到一 个种材料组 成 的 单层平壁 , 有 右 几八 、 七一 白 顶尸 习 、 、 , , 全 、滩 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing Hou

10、se. All rights reserved. http:/ 石油化工设备技术年 实 际上 , 两种 材料间的热传递最终是 由表面 的散热量体现 , 因此 假 定 两种材料间无传热对推 导 和实际应用影响很小 。 多层综合导热系数的计算 多层综合导热 系数是就保温结构 由多层不 同 导热系数的保温 材料 组 成 的复合保温结构而言 , 多层综合导 热 系数 与组成保温 结 构 的各材料厚 度 、 导热系数间的关系 , 其计算公式可由多层保温 结构的计算公 式 导 出 。 现以一 个层平壁为例 , 推导多层 平面壁 稳 定热传导综合导热系数的计 算 , 如图所示 。 份十份十份 几人几 一 二

11、二 二 一一一 一月 , , 、 二, 寸 二,尸 寸 二, 一 二, 、 凡,人人 一 一丁了一一一一一二,一一一一下 尹 , 丁万 十 丁 万 叶于份 入白人口人口 乙一成 一 , , 一 、 一 , 、 久 , , 勺 民想保温 居怀 摧 传 热公式议一寸八 对比 , 则可得 几乏 林林林林林林林林林林林林林林林林 一 二 一 、 一一一厅 厅 飞 一 、 一 卜卜卜卜匆 匆火 火 一一一 一 几 、 , 一 、 一一一不认 认户爪 爪井任 任 一 , 酬酬 , , 丁了二 寸 二, 行汁 丁下 人几人 将式推广到一个层数为的多层平壁 , 则 从一刃生, 甲鱼 洲 久 同样 , 对多层

12、圆筒壁 , 由下式川 一 砖 几 ,艺 图多层平面壁的热传导示意 可推导 出 浦 一一一一生 鱼 而 伙一凡 设各 层 壁 厚 及 导 热 系数 分别 为瓦 、 跳 、 眺及 川认 、鹅。 内表 面温度为乙 , 外表面温度为式 , 中 间两分界面的温度分别为八和约 。 对于稳定导热过 程 , 各层 的导热速率必然相 等 。 将式分别用 于各层 , 可得 竺竺 凡 竺 凡 一一一一一一 矛吞乎乙 一一 了任、了叮、 , 拍 而 一跳 一一一一 一 即 , 即 即 嗽 而 一 瓦 以 十 十 稳定热传导时 , 因此 一 , 嗽 一 电 一 十十 ,。、 叼 一丁了一一一一,尸一一一一了汀一 气,

13、, , 只 丁,一丁一卜二,一丁 十 万一丁 几八几八凡八 由式可得 一 一 一旱一, 一 , 一 , 又 ,一一丁 叶 一 ,声丁州 卜丁尸 又几八几八 式 中 整个保温层 的对数平均半径 各个 保温 层 的对 数平均半径 , 在通常情况下两者可采 用算术 平均半径代替 。 实 际计算应用 本焦炭塔 的保温结构 中 , 两层保温支持 圈 间 共有直径为的保温钉个 , 保温支持圈的 厚度为 , 伸 出长度均 为 。 因此 , 可以 将整个保温结构分成四层 , 从内至外分别为保温 钉加复合硅酸铝针刺 毯层 、 保温 钉加复合硅 酸盐 层 、复合 硅酸盐层 、 复合硅酸盐涂料层 , 如图所 示 。

14、 保温钉等金属的导热系数在常温时约为保温 材 料 的倍左 右 , 分别为八 和 一 。 在较高温度下 , 虽然保 温材料的导热系数增大 , 金属的导热系数减小 , 仍 然有几十倍的差距 。 因此虽然保温钉和保温支持 圈的面积很小 , 但与导热 系数综合起来所占比例 已到了不能忽略的程度 。 考虑与不考虑保温钉导 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 第卷第期崔其山焦炭塔的保温设计 热系数时计算出的各层 面温 度结果见表 。 两种 情况下 的表面温度分别

15、为 和 , 可见 差别较大 。 由于计算时必须首先假定表面温度及 各层面上 的温度 , 反复试算过程 十分烦琐 , 在此只 将计算结果列于表中 , 计算时取塔壁厚度 。 保温支持圈 几几 分分分分分 二二二二 卜卜卜卜 公公公公公 韶, 山山山山山二盆 盆盆盆 匕 一一 , 一刃 刃刃刃 筒体保温结构温度层面示意 表层面温度计算结果塔壁温度取为 项项目目第一层层第二层层第三层层第四层层 考考虑保温支持圈 、 保保温钉导热 系数 仁仁 一 不不考虑保温支持圈 、 保保温钉导热系数 一 表表面温度 考虑虑 、 保保温支持圈 、 保保温钉的导热 表表面温度 不考虑虑 保保温支持圈 、 保保温钉的导热

16、 提供的测试数据得到的回归方程计 算 , 公式为 几 、一久。十 。 其中 久 。 保温材料 在 。时的导 热 系数 , 各保温层 的算术平均温度 , 。 实 际的保温效果 保温结构必须经过几个周期的考验方能显示 其保温效果 , 并且对单层综合导热系数概念的检 验必须以实际部位壁温计算 出的表面温度值 孔 和实测 的表面温度值界对比后才能得 到验 证 。 焦炭塔在三个不同高度上设有个表面热 电 偶 , 测量塔壁 的外表面温度 , 同时采用表面测温仪 测定保温层的外表面温度 。 表是计算值和实测 值的对比 。 根据计算结果和实际测量的对比可以 看 出 , 实际测量与两组计算数据之间存在差别 ,

17、但 实测数据更接近考虑保温支持圈和保温钉导热作 用计算出的一组数据 。 差别原因可归结于计算时 忽略塔壁热阻等因素造成的影响 。 从测定的结果 看 , 保温效果优良 , 保温 的设计合理 , 同时表 明综 合导热 的观点是正确 的 。 表保温层外表面温度的计算值和实测值对比 钉壁温塔保图 计算公式为 、, 、 ,、 , 一 。一 乙天又瓜 又。一 项项目目 一一二二 热热电偶实测壁温 计计算表面温度不考虑保温温 支支持圈 、保温钉 的导热 计计算表面温度 考虑保温温 支支持圈 、保温钉 的导热 实实测保温层外表面温度 大大气温度 风风速 一 尸、, 、 , 夕 , 厂下一十一丁一 一 人八 ,

18、 叭 注表中实测表面温度为包括热 电偶所在平面内四个方位 上表面温度的平均值 。 式中兀 塔体壁面温度 , 兀 保温层外 表面温度 , 毛 环境温度 , 取 口 保温结构对环境的放 热 系数 , 根据 公式爪一孔丫 ,近 似估算或分别计算 出对 流和辐射传 热系数后 相加得到 又 、 各种材料的导热系数 , 其中各保温 材料的导热系数按照保温材料厂家 结语和推论 单层综合导热系数和多层综合导热系数 的概 念 的提 出 , 对于校核保温结构 的实际效果和表面 温度 , 令概念更加清晰易懂 , 便于应用 。 参考文献 唐庆武 , 朱继钮 , 宋家庆大型铬相钢背带式保温结构 仁中国 , 专利号 谭天

19、恩 , 麦本熙 , 丁惠华编著化工原理北京 化 学工业出版社 , 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 一 一 , , 一 一一 一一 一 一 , , 乞走刀乞夕 , , , , , , , 一 , 一 , , 一 一 , , 一 , , 儿 夕 , , , , , , , , , , 切 阴 , , 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/