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4.加热炉的计算
管式加热炉是一种火力加热设备，它利用燃料在炉膛内燃烧时产生的高温火焰和烟气作为热源，加热在管道中高速流动的介质，使其达到工艺规定的温度，
保证生产的进行。

在预加氢中需要对原料进行加热，以达到反应温度。

预加氢的量较小，因此采用圆筒炉。

主要的参数如下：
原料：高辛烷值石脑油；
20
相对密度： d40.7351
进料量： 62500 kg / h
入炉温度：I =350o C；
出炉温度： o =490o C；
出炉压强： 15kg / cm2
气化率：e=100%；
过剩空气系：：辐射： 1.35
对流段： 1.40
燃料油组成：
C 87%, H 11.5%, O 0.5%,W 1%
加热炉基本参数的确定
4.1 加热炉的总热负荷
查《石油炼制工程（上）》图Ⅰ -2-34 可知，在入炉温度t1=350℃,进炉压力约 15.0 ㎏/㎝ 2 条件下，油料已完全汽化，混合油气完全汽化温度是167℃。

原料在入炉温度 350o C ，查热焓图得I
i
232kJ / kcal
原料的出炉温度为490
o
C
，查热焓图得
I
v 377 kcal / kg 。

将上述的数值代入得到加热炉的总热负荷Q = m[eIV+(1-e)IL-Ii]
=[1 377 232] 62500 4.184
37917500kJ / h
4.2 燃料燃烧的计算
燃料完全燃烧所生成的水为气态时计算出的热值称为低热值，以Ql 表示。

在加热炉正常操作中，水都是以气相存在，所以多用低热值计算。

(1)燃料的低发热值
Q1=[81C+246H+26(S-O)-6W] 4.184
=[81 87 + 246 11.5+ 26 (0-0.5) -6 1] 4.184
41241.7 kJ / (kg 燃料)
(2)燃烧所需的理论空气量
2.67C 8H S O
L0
23.2
2.67 87 8 11.5 0 0.5
23.2
13.96kg空气 /kg 燃料
(3)热效率
设离开对流室的烟气温度T
s比原料的入炉温度高
100
o
C
，则
T s350 100450o C
由下面的式子可以得到100 q,L q，I
, q L
q L 0.05
和T
s 查相关表，得烟气出对流室时
取炉墙散热损失Q1 并根据q L 23%
带走的热量Q
1 ，
所以 1 (5 23)% 72%
(4)燃料的用量
Q 37917500
1277kg / h B
0.72 41241.7
Q1 ;
(5)火嘴数量
假定火嘴的额定喷油能力比实际燃料大30%，选择标准火嘴的流量200kg/h，
则需要火嘴的数量为
1.3B 1.3 1277
n8.3
200200
进行取整取
n9
(6)烟道气流量
W g B(1.5L0 ) 1277 (1.5 1.413.96)
26873kg / h
4.3 加热炉相关参数计算
(1)圆筒炉辐射室的热负荷
根据工艺要求和经验，参照表4-1，选取四反加热炉为圆筒炉。

圆筒炉对流
室较小，炉管较少，当用光管时，对流室热负荷QC 所占比例较小，现已知加热
炉的总热负荷Q
，现在取辐射室的热负荷
Q
R为全炉热负荷的 75% ，则
Q R Q0.75
Q R37917500 0.7521438125 kJ / h
(2)辐射段管壁平均温度估算
T w I o 55
2
T L, o (
o I
)
0.75
490 (490 350) 0.75
385o C
T w 385 490 55 493o C
2
(3)辐射管表面积、管径及管心距
根据经验选用辐射表面热强度q
R
24125kcal / (m2h)
(4)辐射管的表面积
A R
Q R
28438125 282m 2 q R
24125 4.184
(5)管径
同时选管道内油料质量流量，由《管式热炉》 (穆文俊主编 )表 4-1 知，经验 值为 100-150 kg / (m 2
s) 故取 G
F
150kg / (m 2s)
，N 增加，压降降低，但易出现偏 ,
流，烧坏炉管； N 减少，压降增大，动力消耗增加。

取管程数 N 9
，则炉管的内径
d i
1 W 1 62500 30 NG F 30 3.14 9 150
1 0.128m
14.74
30
根据国产炉管的规格选择炉管的尺寸为
152 8 的炉管
(6) 管心距
选用管心距为
S 1
2d 0 2 0.152 0.304m
(7) 高径比
国内多为空心圆筒炉，管长受热不均，所以高径比
Lef/D ′=1.72—.5。

节圆直
L
ef
2.1
Lef/D ′=2。

.1选定炉子的高径比 D '
径越大，高径比越小，取 ，由下面的式
子计算节圆直径
A R C
D ' ( L ef )
D ' (2.1D ' )
D '
S 1 A
Rt
2 282
2.1 2 d 0
2.1 5.2m
9.86
辐射管的有效长度
L ef 2.1D ' 2.1 5.2
10.92m
根据国产的炉管规格，取
L ef
12m。

(8) 对流段长
选用对流管
152
8
标准钉头管。

L c D 1.25 5.4d
5.2 2 0.152 1.25 5.4 0.152
3.433m
取对流管长L c4m (9)对流段宽
由《管式热炉》 ( 穆文俊主编 )附表查的1528
标准钉头管，管周边钉头数
14，钉头直径 12m 钉头纵向间距 16mm，钉头高 25mm。

每米钉头管所占面积
a c 1 d c 1000
d i b 2 1
1000
0.014 0.025 2
d p'''
0.152
16
0.196m2
根据经验选择烟气质量流速G g 3kg / ( m
2 s)
选用管心距为2d
c
G g
W g / 3600
L c S a c L c n w
26873 / 3600
3
则4S 0.196 4n w
S0.1520.304n
w代入上式得：
26873 3[4 (0.1520.304n w ) 0.784n w]
3600
n
w 4.35
根
取n
w 5 根
S 0.152 0.304 5 1.67m
(10)确定节圆直径 D '辐射管高度 H 和炉膛直径 D 遮蔽管面积=5 4 0.152 3.149.55m2
辐射壁管面积2829.55272.45m2
A R 272.45
47.6
n
3.14 0.152 12
炉管根d0L ef 根
根据取炉管根数为54(9 管程 )
选用辐射n 9 6 54
管根， 9 管程。

实际节圆直径 D ' nS1 54 0.304
5.23m
3.14
所以炉膛的直径
D D ' 2d0 2.90 2 0.152 5.534 5.6m
根据炉子结构设计辐射段高度比炉管长度长1m。

炉膛的高度H L
ef
1 1
2 1 13m
(11)当量冷平面面积
辐射管冷平面面积
A nS L 54 0.0.152 2 12 197m2
cp 1 ef
管心距为2d
0，查图得到0.88
A
cp 0.88 197 173.4m2
遮蔽管冷平面：
对流管拟选用和炉管相匹配的钉头管152 8 。

管心距为2d c .对流室每排为n 5 根炉管，采用三角形排列钉头管。

A
cp 5 4 0.304 6.08m2 及 1
A
CP 6.1 1 6.1m2
总的当量冷面积
A CP173.4 6.1 179.5m2
(12) 求有效暴露砖墙面积与当量冷平面A w
之比A
cp
F 5.6 13 2 15.62 277.8m2
4
有效的反射面积
A A A 272.45 179.5 93m2
R cp
A
R 93
0.518
比值：A
cp
179.5
(13)烟气的黑度（辐射率）
已经知道过剩空气系数
1.35 ，由图表可以查到二氧化碳和水蒸汽的分压
为
P CO2P H2O0.218atm ? m
烟气的平均辐射长度为
L D 5.6m
故 PL 0.218 5.6 1.22atmm.
假定辐射室的出口烟气的温度为T g 700。

C ，则查得烟气的黑度为
g 0.59
(14)总辐射交换因子
A w
0.518 A
cp 0.55
查图8得到 F 0.59 ；
根据和g (15)辐射室热平衡
A w Q R
(1 0.02 q g
)
BQ
A
cp 0.518 g 0.55
Q1 A CP F
A
CP
5267 104 kJ / h
q1
其中：BQ1 1277 41241.7 Q R —辐射段热损失。

取
q1
0.02 700。

C ，过剩空气系数q1
0.375
Q R 。

查图 4 当t
g 1.35时，得
Q
R
A w (1 0.02 0.375) 5267
104 300886kJ / m2 h 71914kcal / m2h
则A
cp 179.5 0.59
(16)求辐射室出口烟气温度
取图10-b 中关闭温度t
w
443。

C
做吸收曲线如下图，当第一次假设
t g 700。

C
A w 71914 kcal / m2h
时，交点 A 画于图上，位于t
w的上方。

，再另设
及A
cp
t g 900。

C
重复上述计算过程，由图7 查得气体辐射率g 0.515
，F 0.57 ，由图4
q1
0.5
Q R
查得。

则
Q R
(1 0.02 0.5)
5267 104
2 2
h
A CP F 179.5 0.57 247096kJ / m h 59057kcal / m
作于图上得到
B 点，连接两点，该直线与曲线的交点，就是辐射室的出口
温度
t
p
796。

C
；如下图：
图 10 辐射发球烟气出口温度
4.4 校核
(1) 辐射室热负荷
Q R
q g
0.43
由于辐射室出口的温度 t p 796。

C ，查图 4 得； Q 1
Q R (1 0.02 0.43) 5267
104 2897 104 kJ / h
2897 10 4
76.3%
占加热炉的总热负荷的 3792
104
(2) 辐射管表面热强度
q R
q R
2897
10 4
96653.06 kJ / m 2h 23100 kcal / m 2h
54
0.152 12 5 4 0.152
(3) 辐射室出口处油品的总焓值
H 62500 1 377 4.184 9858 104 kJ / h
在辐射室入口处每一千克油品的焓值
9858 104 2897 104
62500
1113.76kJ / h 266kcal / h
查油品的热焓图得
390o C
390 490 50 490o C
1
2
与估算的 493o
C 相近，故合适。

4.5 对流室的传热计算
4.5.1 对流室热负荷
由下面的式子可以得到对流室的热负荷
Q C Q Q R 37917500 2897 104 895 104 kJ / h
4.5.2 对流室的对数平均温差
烟气温度
800
450o C
410 100
油品温度
o
o
t
220
390 C
350 C
ln 410
410 100
100
4.5.3 内膜传热系数
t m
350 390
370o C
油品的平均温度
2
烟气的平均温度 T f
t m
t 370 220 590o C
管壁的平均温度
T t t m 50 370 50
420o C
对流段平均粘度
查设计图表的原料油蒸汽的粘度为
0.0000125Pa g s
循环氢粘度近似按照氢的粘度计算， 370。

C 时，其值为 0.0000150Pa g s
按照式 (1)计算氢与油混合物粘度
y i ( M i )0.5 Z i (3.5 / 4.5) 3.40.5 0.000015 (1/ 4.5) 1090.5 0.0000125
Z
(3.5 / 4.5) 3.40.5 (1/ 4.5) 1090.5
y i (M i )0.5
(2.147
10 5 2.9 10 5 ) / (1.43 2.32)
0.0134cp
该粘度说明应按照低粘度公式计算。

1 1 h i *
R i
h i
h 0.023 (
1000 0.152 133)
0.8
0.372 750kcal / mh o C
i
0.0134
则带入数值得到
考虑到关内污垢热阻且无保护气，得：
由表
10
查得
R
i
0.0008
1
1
0.0008 0.0028
h i *
750
h i * 469kcal / m 2h o C
4.5.4 管外膜传热系数
(1) 钉头表面传热系数
T
796 490
273 904K ln
796
490
G g
W g / 3600 26843/ 3600
2
s
L c S a c L c n w
2.7kg / m
4 1.67 0.196
5 4
h s
9.44 2.870.667 9040.3 61.7 kcal / m 2h o C
120.333
1 1 0.005
1
0.0212
h s *
h s *
0.005
61.7
得 h s *
47.2kcal / m 2 h o C
(2) 钉头效率
tgh(mb) mb.
所采用的钉头为
12
标准钉头，钉头高为 0.025m ，当
h s
61.7kcal / m 2h o C 时，
查图 15 得0.90 。

(3)光管管外对流传热系数
h 9.44 2.70.667 9040.3 26.5kcal / m2h o C
oc 152
0.333
1 1
0.005 0.0377 0.005 0.0427
h oc* h oc*
则h* 23.4kcal / m2 h o C
oc
(4)钉头管外膜传热系数
b 0.152 0.0122 12 0.3925m2
4 0.016
s 12 (0.012 0.025 0.0122 ) 0.7913m2
0.016 4
0 0.152 0.477 m
2
h s* s s h s* b 47.2 0.9 0.7913 23.4 0.3925 2 o
h
so
0.477 89.7kcal / m h C
则o
4.5.5 对流段总传热系数
K c h o* h i* 89.7 469 75.3kcal / m2 h o C
h o* h i* 89.7 469
4.5.6 对流管表面积及对流管排数
A Q c 895 104 / 4.184 129m2
c K c t 75.3 220
N c
A c 129
n w L c d c 5 4 13.5
0.152 排
选用对流管共 14 排，遮蔽管在对流管下部，所以对流管的总派数为15 排，每排 5 根。

4.5.7 对流室高度
由式（ 5-31）得
H c0.886S c ( N c 1) 0.886 0.304 (14 1) 4.04 m
4.5.8 对流管表面热强度
q c
Q c 895 104
2
h 17363W / m 2
A c
15 5 4 3.14 62507kJ / m
0.152
W / m 2
在经验值 9300-23260 之间，符合要求，并有一定潜力。

4.6 炉管压力降计算
4.6.1 计算混合油气密度
由于原料以 350o
C 进炉，在 15
kg / cm 2
压力下出炉，在 167
o
C 下就完全汽化，
因此汽化段压降 P 就是全炉的压降。

又知一段混氢的氢油比为
3.5： 1，混合油
气的摩尔流率
原料油流量 =62500/109 573kmol / h
循环氢摩尔流量 =
573
3.5
2005.5kmol / h
由前面算的循环氢平均相对分子质量为 3.4
则，循环氢质量流率 =
2005.5
3.4 6818.7 kg / h 总质量流率 =62500 6818.7 69318.7kg / h
n
G
3.5G 62500 3.5 62500 2580kmol / h
M M 109 109
加热炉平均温度为 (350+490)/2=420 o
C ,平均压力 15kg / cm 2
，混合油气平均
体积流量
nRT
1 480 273
3
V m
p
(573 2005.5) 22.4 15
273
10621m / h
混合物的密度
69318.7 /10621 6.53kg / m 3
4.6.2 混合气体流速
m
G
62500
20.3m / s
900 m d
2
N 900 6.53
0.136
2
9
4.6.3 摩擦系数
0.01355
0.001235 0.01d i
0.001235 0.0136
0.038
d i
0.0135
20.3
m
0.136
4.6.4 压力降
对流段当量长度
L c
nL (
n
1) d i 14 5 4
(
14 5
1) 30 0.136 58.8m
N N
9
9
辐射管当量长度
L ef
nL (
n
1) d i
54 12
( 54
1) 30 0.136 92.4m
N
N
9
9
则
L
e
L c
L
ef
58.8 92.4 151.2m
p e
L 'e 2 m
0.038
151.2 20.32
d i
2
m
0.136
6.53
2
56842.3Pa 0.568atm 0.58kg / cm 2
4.7 烟囱的设计计算
烟囱是加热炉不可缺少的一部分， 它主要的作用是产生一定的抽力使得烟气
在加热炉中不断的流动， 并将高温烟气向高空中排放，
以减少对环境的污染。

加
热炉的烟囱可以用钢， 砖或者混泥土制成， 可以设置在炉子旁边也可以放在炉子
顶部。

不过一般中小型的圆筒炉的烟囱都是用钢材制成的， 并且防止在炉子的顶
部。

总之，在采取自然通风的加热炉中，一个设计良好的烟囱，应该保持炉子内
部保持一定的负压， 使燃料燃烧所需的空气进入炉内， 而且高温烟气不能够从炉
内泄漏。

4.7.1 烟气的阻力
对流段的阻力 (交错排列钉头管 )
① 钉头区域外部的烟气质量流速
W g
A so )
1.8
( A si )1.8 d p '
)
0.2 (
N s
(
G
go
d p ''
W g
26873
7.46kg / s
3600
② 对流段截面积： 4
1.67 6.68m 2
③ 每排炉管 (光管 )所占截面积：
0.152 4 5 3.04m2
④ 钉头所占截面积：
4.0
2 5 0.012 0.025 0.75m2
0.016
⑤自由通道截面积： 6.68 3.04 0.75 2.89m2
⑥对流段截面积： 4 1.67 6.68m2
⑦每排炉管 (光管 )所占截面积：
0.152 4 5 3.04m2
⑧ 钉头所占截面积：
4.0
2 5 0.012 0.025 0.75m2
0.016
⑨自由通道截面积： 6.68 3.04 0.75 2.89m2 ⑩ 钉头区域外部的流通面积
A SO[1.67 (0.152 2 0.025) 10] 5 2.64m2 钉头区域内部的流通面积
A SI 2.89 2.640.25 m 2
钉头与钉头之间的间隙
d p'0.077m
两相邻钉头管之间的间隙
d p''0.016 0.0120.004m
将相关的数值代入下面的公式进行求解得到
m g
A SO ) 1.8 A1.8 SI d' p
) 0.2
(
N S ( "
3600G go d p
将相关的数据代入得到
( 7.46 2.64)1.8 0.251.8 ( 0.004)0.2 G
go 12 0.077
将数值代入得到G
go
2.8kg / m2 s
因为烟气在对流室的平均温度为
904K ，查得烟气的粘度为s0.55 15 8.25mmH 2O
(2)各部分的局部阻力
对流室截面和辐射室截面之比
A2 2.890.117
A
1 5.62
4
查表得到1
0.46
T g796 2731069 K
G 2.7kg / m2 h
2
1069 2.7
H 40.46 []0.528mmH 2O
(3)烟气由对流段到烟囱的阻力，取烟囱直径D
s
1.7m
烟囱截面积0.785 1.72 对流段流通面积0.785
2.89
查表得 2 0.168
T g 450 273 723K
G g 7.46 3.29 kg / m2s
0.785 1.72
符合于 2.5<Gg<3.5 的要求
H 5 0.168 [ 723 3.292 ] 0.19mmH 2O
6940
(4)烟囱挡板阻力
T g450 55 273 668K
G g 3.29kg / m2 s
但自由截面为全截面的50%时，3 4
H 5 4 [ 668 3.292
] 4.17 mmH 2O
代入公式得：6940
4.7.2 烟气在烟囱中的摩擦损失及动能损失
(1) 烟气在烟囱中的摩擦损失
假定烟囱高度 20m
T g 668K
g
0.013cp
D s
1.7m
G g
3.29kg / m 2 s
Re
1000 1.7 3.29
430231
0.013
查图 17 得 f
0.045
H 7
1
2 H s '
1
2
20 1735 T g G g
f
1735
668 3.29 0.0045
0.221mmH 2O
D s
17
(2) 烟气在烟囱中的动能损失
H 8
T g G g 2 668 3.292 6940
1.04mmH 2 O
6940
4.7.3 烟囱的高度
根据前面烟囱阻力计算结果，烟囱所需的最小抽力：
H D 8.25 0.528
0.19 4.17 0.221 1.04 14.399mmH 2 O 144Pa
大气温度 T a 273 27 300K
烟囱底部烟气温度
T b
723K
查图 15 得 s 0.91
烟囱内烟气平均温度 T ms (T b T a ) T a 0.91 (723 300) 685K
为了能够吊装辐射管，烟囱必须有如下的最低高度。

H S
2
L ef
2 2 8.76 2
3
3
7.84m
烟囱最小高度用下式计算：
H D 355H s (
1
1 ) 355 (
1 1
) 21.7 m
T a T m
300 685
因此，烟囱最小高度 21.7m,根据实际情况，烟囱的实际高度应该高于 21.7m
表 4-1.结果汇总
项目
数据 总有效热负荷 Q,kJ/h 37917500 辐射室热负荷 ,Q R , kJ/h 28438125 对流室热负荷 ,Q, kJ/h
8950000 辐射室炉管表面热强度 ,q R ,kcal/m 2h 26125 对流室炉管表面热强度 ,q c , kcal/m 2h 14940 辐射室烟气温度 ,t g ,℃ 796 对流室烟气温度 ,t,℃ 450 过剩空气系数 α
1.35 理论空气用量 ,L o kg 空气 /kg 燃料 13.96 燃料用量 B(kg/h) 燃料 /n(个) 1277 及 9 燃料低热值 Qv(KJ/ ㎏燃料 ) 41241.7 炉子热效率 η 72% 烟气流量 Mg( ㎏ /h) 26873 烟气流速 Wg( ㎏ /㎡ ·s)
3 对流室结构尺寸 L C ×S ×H C 4×1.67 ×4.0
4 辐射室结构尺寸
D ×H
5.6 ×13 辐射管规格 Ф× S ′× L ×n 152×8×12×54 辐射管管心距 S ，管程数 N 0.304， 9 对流管管心距 S ，管程数 N 0.304， 9
对流室管排数 14 遮蔽管根数
5 加热炉压力降 atm 0.568
对流室规格
Ф152×8×3000×90
附录
符号说明
反应器
C p
：平均比热容， kJ/kg o
C
； ：组分的重量分数；
H ：焓值 ,kJ/kg 或 kcal/kg ；
m j
：与焓值相关的斜率；
b j
：与焓值相关的截距；
X
H
2
：氢气的纯度， %；
p
：床层压降， kg/cm2 或 atm ；
H ：反应器高， m ；
Z ：混合气体粘度 Pas 或 cp ；
D ：反应器直径， m ；
n
：扇形筒个数；
F 分、
F 集
：集、分气管面积，
m2；
h
：催化剂装入高度， m ；
D
e
、
d
m ：当量直径，
m ；
B ：流道面积比参数；
K
分
、
K 集
：分、集气管动量交换系数；
：流体密度， kg/m3 ；
：开孔率；
W g
：烟道气流量， kg/h ；
Q c
：对流室热负荷， kJ/h ；
Q R
：辐射室热负荷 kJ/h ；
T w ：辐射段平均壁温， o
C ；
q R
：辐射管表面热强度， 2
kcal / m h ；
A R
：辐射管表面积， m2；
R o ：当量直径， m ；
t
：催化剂床层厚度， m ；
床
：床层线速， m/s ；
：气体粘度 Pas 或 cp ；
：阻力系数；
Q
：不均匀度， %；
加热炉部分
i
：加热炉入口温度， o
C ；
o
：加热炉出口温度，
o
C ；
e
：气化率， %；
：过剩系数；
Q l
：低发热值， kJ/kg ；
L o
：理论空气量；
：热效率， %；
T s
：对流室烟气温度
o
C ；
q L ' ：散热损失；
B ：燃料用量， kg/h ；
n
：火嘴数；
T t
：管壁平均温度，
o
C ；
*
2 o
h i ：内膜传热系数，
kcal / m h C ；
*
2 o
h o
：外膜传热系数，
kcal / m h C ；
：钉头效率；
h oc ：光管外对流传热系数， 2 o
kcal / m h C ；
h so
：钉头管外膜传热系数， 2 o
kcal / m h C ；
d
i：管内径， m；
S
l：管心距， m；
L
ef：辐射管有效长度，m；
a
c：单位长度钉头管所占面积，m2；
G
g；烟气质量流速kg/m2s ；
S
：对流段宽， m；
D '：节圆直径，m；
D：炉膛直径， m；
A
cp：辐射管冷平面面积， m2；
g ：烟气辐射率；
L ：平均辐射长度，m；
t
：对数平均温差，o C
；
t
m ：油品平均密度，o C ；T
g：出口烟气温度，o C ；
T
f：烟气平均温度，o C ；H
c：对流室高，m；
q
c：对流管外表面热强度，
2
kcal / m h ；V
m：油气平均体积流量
m3/h；
W
m：混合气体流速，
m/s；
：摩擦系数；
L
c：对流段当量长度，
m；
P
e：压力降， pas 或 cp；
H
i：烟气各部分阻力(压降 )，mmH2O ；
H
D：烟囱最小高度，m；。