催化裂化装置衬里烟气管道设计要点

催化裂化装置衬里烟气管道设计要点摘要：介绍了催化裂化装置中烟气管道的特点和衬里管道的优点，分析了烟气衬里管道的布置方式、衬里管道的应力分析、膨胀节的设置等设计要点。

关键词：催化裂化装置烟气衬里管道

1 概述

催化裂化装置中衬里烟气管道主要集中在再生器至再生烟气三级旋风分离器和再生烟气三级旋风分离器至烟气水封罐管段上。此部分管道特点是介质温度高，且含有催化剂颗粒，管道直径大。

2衬里管道的优点

近年来，此部分管道多采用龟甲网双层衬里结构[1]。即在碳钢管道内壁设置衬里材料。其结构形式见图1。

图1

采用上述结构形式优点如下:

1) 节省投资。衬里结构中的隔热层可有效降低外壁钢管的壁温,这样外壁钢管材质选用碳钢即可满足设计要求。

2) 有利于管道热补偿。对于大直径管道，因其刚度较大，壁温的降低对于管道热补偿很有意义。

3）耐磨性好。衬里结构中的耐磨层对于抵抗烟气中催化剂颗粒的磨损十分有效。

3衬里烟气管道设计要点

3.1管道布置方式

3.1.1再生器至再生烟气三级旋风分离器的管道。此段烟气管道的布置与再生器和再生烟气三级旋风分离器的结构形式及相对位

置有关。为了减少投资，再生烟气三级旋风分离器大都紧靠再生器布置。因此，此部分烟气管道一般架空敷设，多数采用自然补偿的方式。某催化裂化装置该管段布置方式见图2。

图2

3.1.2再生烟气三级旋风分离器出口管道。这部分烟气管道，管道的敷设距离一般都很长。由于采用自然补偿手段不经济，且造成管道压降较大，布置困难。所以，该管段多采用设置波纹管膨胀节的方式进行管道热补偿。某催化裂化装置该管段布置方式见图3。

图3

3.2衬里管道的应力分析

此部分管道设计中的关键是对隔热耐磨衬里管道的应力分析。根据经验，可参照一般的钢管道的应力分析软件(caesar ii)来计算。但前提必须将隔热耐磨衬里的厚度和密度折算成相当于钢管的当量壁厚，当量密度。然后输入一般钢管应力分析软件，即可得到隔热耐磨衬里管道的应力计算结果。最后用当量许用应力进行校核。

以图2中衬里管道系统为例，应力分析图见图4。

图4

已知：设计压力p=0.28mpa，设计管壁温度t=300°c，钢管材质q235b，钢管外径ds=122 cm，钢管壁厚ts=1 cm；ρs=7850 kg/m3；

隔热层外径d01=120 cm，隔热层厚度t01=7.4 cm，隔热层密度ρ1=1000 kg/m3；

耐磨层外径d02=105.2 cm，耐磨层内径d03=100 cm，耐磨层厚度t02=2.6 cm，耐磨层密度ρ2=2300 kg/m3；

钢管弹性模量es=2 x 105mpa,根据资料查得隔热层在260°c下断裂模量平均值emc1=1.965mpa，耐磨层在538°c下断裂模量平均值emc2=23.44mpa。

3.2.1衬里管道当量壁厚的计算

3.2.1.1衬里层的弹性模量

可采用美国混凝土协会（aci）标准的方法：

eri=0.043ρi1.5emc0.5 (1)

式中：eri——混凝土的弹性模量，mpa;

ρi——混凝土的密度，kg/m3;

emc——混凝土平均断裂模量，mpa。

把例题中数据代入公式（1）可分别求得：

隔热层弹性模量er1=0.019 x 105mpa;

耐磨层弹性模量er2=0.23 x 105mpa;

3.2.1.2衬里管道的当量惯性矩

钢管的截面惯性矩：

is（ds4- d014） (2)[2]

式中：is——金属管的截面惯性矩，cm4;

ds——金属管外径，cm；

d01——金属管内径，即隔热层外径，cm；

把例题中数据代入公式(2)可求得：

is =6.954 x 105cm4;

隔热层的截面惯性矩：

i1（d014- d024） (3)[3]

式中：i1——隔热层的截面惯性矩，cm4;

d01——隔热层外径，cm；

d02——耐磨层外径，cm；

把例题中数据代入公式(3)可求得：

i1=4.165 x 106cm4;

耐磨层的截面惯性矩：

i2（d024- d034） (4) [3]

式中：i2——耐磨层的截面惯性矩，cm4;

d02——耐磨层外径，cm；

d03——耐磨层内径，cm；

把例题中数据代入公式(4)可求得：

i2 =1.103 x 106cm4;

隔热耐磨衬里管道的当量惯性矩跟根据下面公式：

ie=is+ n1 i1+ n2 i2 (5)[4]

式中：ie——隔热耐磨衬里管道的当量惯性矩，mpa; is——金属管的截面惯性矩，cm4;

i1——隔热层的截面惯性矩，cm4;

i2——耐磨层的截面惯性矩，cm4;

n1——隔热层与钢管的模量比;

n2——耐磨层与钢管的模量比。

隔热层与钢管的模量比

n1= er1/es=0.0095

耐磨层与钢管的模量比

n2= er2/es=0.115

把式(2),(3),(4)计算结果和n1，n2代入公式(5)即可求得：ie =86.2 x 104cm4

3.2.1.3衬里管道当量壁厚

由惯性矩公式可推导出惯性矩和管壁厚的关系：

i（r4- r4）

=（r2- r2）（r2+ r2）

=x（r+r）x（r2+ r2）/2

=π rsit（r2+ r2）/2 (6)

式中: i——惯性矩，cm4；

rsi——钢管壁中径，cm；

t——钢管壁厚，cm。

对于大口径管道来讲管道的壁厚远小于管子外径，故r和r可近似与rsi相等。则得：i=π rsi3t

由此可推导出壁厚公式：t=i/π rsi3 (7)

根据上面计算所得衬里管道当量惯性矩代入公式(7)即可求得