11030化工常见单体设备操作(最终定稿)

第九章 单体设备操作

9．1化工机械与设备知识 9．1．1制氢主要设备概况

反应器类：制氢装置的反应器有加氢反应器、脱硫反应器、中低温变换反应器，甲烷化反应器等。低温变换反应器操作温度较低，筒体材质一般为16MnR，其余反应器如果采用热壁结构，筒体材质一般为15CrMoR，也有采用冷壁结构，在反应器内壁加衬一定厚度的隔热材料（如膨胀珍珠岩），筒体材质就可降为16MnR。反应器的内构件通常有分布器、热电偶管等。

塔类设备：酸性水汽提塔，用于酸性水汽提。为了防止酸性介质的腐蚀，主体材质为0Cr18Ni10Ti或复合钢板，通常内装陶瓷填料；二氧化碳吸收塔，主要内构件有除雾器、分液管、分布盘等，通常内装填料（如鲍尔环等），主体材质常用16MnR；二氧化碳再生塔，采用塔盘结构或填料，为防止碱液腐蚀，主体材质常用复合钢板（即碳钢内衬不锈钢）。

冷换设备类：装置的冷换设备主要用于中、低变气的冷却及锅炉水、汽的加热。操作条件较为苛刻，操作介质有腐蚀性，管子一般选用不锈钢（Cr18Ni10Ti等），壳体和管箱也较多采用不锈钢或复合钢板（16MnR+0Cr18Ni9）。还有用于用于提高粗氢温度和降低工业氢温度的冷换设备，降低贫液温度的冷换设备，再生塔重沸器等。此外开工冷却器、开工加热器及压缩机循环气冷却器等冷换设备一般采用碳钢设备。

PSA变压吸附塔：变压吸附塔用于冷却分水后的氢气提纯。其操作压力在2.45MPa与0.03Mpa之间循环变化，因此除常规的压力容器的要求外，还需要根据相关标准进行疲劳分析。主体材质一般为16MnR。为使气体分布均匀及防止吸附剂带出，吸附器底部气体入口装有过滤锥，顶部气体出口装有过滤篮，

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内装分子筛，活性炭和硅胶等吸附剂。

9．1．2制氢装置的设备腐蚀与防腐知识 9．1．2．1腐蚀部位、形态和原因

（1） 转化炉炉管的破坏

转化炉管入口是原料烃和水蒸汽，而在转化催化剂床层反应生成转化气。在炉管外边是燃烧烟气，烟气中含有硫化物和氧化。

转化炉管的工作条件苛刻，管壁工作温度高（850—920℃），内外壁温差大（28~101℃），承受内压引起的工作应力和自重应力，并经受开停工引起的疲劳和热冲击。由于温度及应力共同作用，常在距炉管内表面大约为壁厚的1/3处首先产生微裂纹，再向内、向外表面扩展，造成炉管径向开裂。由于迎火与背火面的温差应力常导致炉管弯曲。

国外曾对32套使用HK-40铸造管的转化炉进行统计。其中有16套转化炉管损坏是由于局部过热引起。局部过热主要是由于催化剂破碎、造成阻力降增加。阻力降增加的原因：

（1） 水被带入炉管内（例如锅炉水位高）使催化剂破碎； （2） 填装催化剂的机械磨损生成的粉末在炉管内积聚；

（3） 由于紧急停车。温度急剧下降炉管收缩，使催化剂受过大压力而破碎。

由于阻力降增加，使通过该管的原料量减少带不走热量，因而使炉管出现过热。

炉管局部过热会使其寿命大为减少。例如HK-40合金铸管在以粗汽油为转化原料时，当管壁温度900℃，压力为4.0MPa理论寿命约为10年。而在950℃时寿命少于3年。操作压力、温度对炉管使用寿命影响见图9-1。

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图9-1 操作压力、温度对炉管寿命的影响 炉管的过热损坏表现为渗碳、蠕变和破裂。

渗碳是指碳向金属或合金内部的扩散侵入。尤其是奥氏体不锈钢，因碳在钢中的固溶度大很容易发生渗碳。在转化炉管，碳来源于高温含碳气体在钢表面分解，并按下式反应析出碳原子：

2CO C + CO2 CO + H2 C + H2O CH4 C + 2H2 C2H6 C + CH4 + H2

渗碳速度与温度有关，温度越高，速度越快，特别是当混合气中有氢存在时，能促进渗碳反应的进行。在过热环境中，容易产生σ相的Cr25Ni20炉管容易发生渗碳作用。

炉管的破裂部位多发生在焊缝上，母材上也时有发生。破裂经常为纵向的。横向裂纹则少见。炉管因铸造缺陷（如疏松，缩孔夹渣及偏析）在使用一定时间后，也产生贯穿壁厚的裂纹。

炉管中的介质腐蚀亦可引起材料的劣化。

如：某厂制氢转化炉管采用HK-40材料，其中有两根炉管选用了ERNiCR-3

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和镍基焊丝（Cr21%、Ni78%、C0.09%、Si0.99%、Ti0.07%）。施焊投用15000小时后，焊缝及热影响区表面隆起、冷后变成疏松多孔。因燃料气含有H2S（100~1000ppm），事故分析认为镍基焊缝道在烟气中有比较高浓度的SO2、O2介质中，受到了高温硫化腐蚀，形成Ni和Ni3S2的共晶反应，生成NiSy液相而遭烧损。

（2） 进出口尾管和集合管的破裂

这类破裂大都多发生在猪尾管与炉管或集合管轴芯呈90°角的进出口处，且多呈环向裂纹，部分出现在焊缝及热影响区。 （3） 烟气余热回收系统

烟气余热回收系统（包括省煤段、原料混合一段、二段和水保护段）是利用转化炉高温烟气的余热预热原料和发生蒸汽。由于燃料含硫，在省煤段等低温部件常出现较严重的露点腐蚀。在高温部位，如混合二段和水保护段，管内外介质温差大（300~737℃），常使碳钢管发生高温氧化、脱碳、蠕变。例如某厂该系统各段的工作条件、用材及存在的主要腐蚀形态见表9-1。

表9-1 某厂烟气余热回收系统工作条件、用材及腐蚀条件

项目 管内介质 管外介质 入口温度，℃ 出口温度，℃ 烟气入口温度，℃ 烟气出口温度，℃ 主要腐蚀形态 材质 原料预热一段 原料 烟气 40 200 315 200 露点腐蚀 20g 原料预热二段 原料 烟气 200 320 707 525 停工露点腐蚀 15CrMo 省煤段 软化水 烟气 104 200 315 170—200 露点腐蚀 20g 混合预热 一段 蒸汽-原料 烟气 220 400 707 525 15CrMo 混合预热二段 蒸汽-原料 烟气 400 500 800 707 局部过热破裂 1Cr18Ni9Ti 水保护段 炉水 烟气 223 223 950 800 局部过热破裂 20g 蒸发段 炉水 蒸汽 烟气 223 223 252 315 20g （4） 中压蒸汽发生器

中压蒸汽发生器是利用700~800℃的转化粗氢气的余热发生2.45~2.94MPa的中压蒸汽。中压蒸汽发生器多采用平管板列管式换热器。设备的结构和材料

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应着眼于有良好的耐热和抗腐蚀性能。为了尽量减少高合金钢的用量，转化气入口端的管板和壳体采用耐火隔热衬里，水垢或水循环不良引起管破裂，故锅炉给水水质和炉管的设计安装正确与否对中压蒸汽发生器能否长期使用起着关键作用。

（5） 中温临氢系统（> 250℃）的腐蚀

这些部位与氢气直接接触的碳钢易发生脱碳和氢脆。 （6） 脱碳系统的高温碳酸钾碱液和湿二氧化碳的腐蚀。

二氧化碳冷凝水溶液，在60℃以下对碳钢的腐蚀尚小，在60℃以上腐蚀性就加重，如再生塔的上部内构件、再生器管线、空冷器及冷凝液流经的管线、设备等是主要的腐蚀部位。

热碳酸钾溶液易引起碳钢材料侵蚀性腐蚀。在流速高的部位会破坏金属表面的保护膜，而加速了金属的腐蚀。如再生塔重沸器管壁温度较高的部位，管表面接触的溶液容易急剧沸腾汽化，汽化后的气体体积成百倍的增大，形成气液夹带，交替冲蚀的爆沸现象，使腐蚀大大加剧。

热碳酸钾溶液腐蚀的主要部位还有贫液和半贫液的叶轮、轴套、泵壳、阀件、吸收塔底部等。

如某制氢装置的脱碳系统，半贫液泵的碳钢叶轮、口环、轴套等运动42小时后就腐蚀报废。贫液泵的碳钢叶传输线、口环、轴套等运动80小时就腐蚀坏。泵壳穿孔，贫富钾液调节阀的不锈钢和碳钢管板间的胀接口穿孔泄漏。

某厂再生塔重沸器、U型18-8不锈钢管，运动28天就有11根管在与管板连接处发生间隙腐蚀穿孔。某厂再生塔塔底隔板17m长的焊缝因腐蚀开裂而倒塌。

9．1．2．2腐蚀控制方法

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9．1．2．2．1转化炉炉管

（1）防止硫的腐蚀，必须充分脱除原料气和燃料中的硫，要求燃料气含硫量小于20mg/m3，液态烃燃料含硫量小于100ppm。

（2）在运输、贮存、安装和停工期间应避免转化炉管与硫化物、氯化物接触，不要在潮湿或露天环境存放。

（3）尽量减少频繁开停工和防止局部过热。炉管的管壁平均温度超过允许温度38℃，被称为“破坏性过热”将严重缩短炉管的使用寿命。对HK—40材质炉管壁温度以控制在900℃以下为宜。

运行中防止管内催化剂架桥、结焦和粉碎堵塞，避免偏流而造成局部过热。 （4）转化炉管在750—800℃温度下长期运行，金相组织中易出现σ相，故推荐使用改良型HK—40离心铸造管。改良型HK—40中，Si、Cr、Mn含量有所降低，而C、Ni、N含量有了适当提高，以抑制σ相的产生。

元素成份和产生σ相的关系可用下式计算： NV=6.66[Si]+4.66[Cr]+3.66[Mn]+2.66[Fe]+0.66[Ni] 式中 NV为平均电子空位浓度；

[ ]为炉管中元素含量（重量%）

NV数低于2.70，不会出现σ相，数字越大出现的σ相就越多。

转化炉管也可采用HP型合金（25Cr35Ni）。该合金钢具有更高强度，可耐更高温度，热膨胀系数较小，所以更能适应交变热负荷工况。它还有较好的韧性和可焊性。

表9-2为常用耐热合金铸造管的化学成份。

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表9-2为常用耐热合金铸造管的化学成份

牌号 Ci-Ni型 HK-40 改良HK-40 高SiHK-40 HP 高SIHP HO 含钛材料 HiKa-1a 含铌材料 1N-519 MaNaurite36 MaNaurite36×5 HiKa-113 BST Manaurite900 含钨材料 HoW More-1 NA-22H More-2 含钴材料 HoW-3 Super-22H Tenex Supertherm C 0.40 0.43 0.45 0.50 0.50 0.50 0.40 0.30 0.50 0.50 0.40 0.45 0.15 0.40 0.45 0.50 0.40 0.45 0.40 0.50 0.50 Ci 25 23.5 25 25 25 27 25 24 25 25 25 25 22 25 25 28 33 25 28 22 25 Ni 20 22.5 20 35 35 29 20 24 35 25 20 20 30 35 35 48 50 45 48 38 35 Nb 1.5 1.5 1.0 0.2 0.6 1.2 Co 3 5 13 15 W 1.5 3 5 4.5 5 Ti 0.2 0.2 0.15 其它 Si Si2.0 Si2.0 （5）要保证炉管制造质量，严格执行入厂检验，化学成份和机械性能符合要求，无偏析、夹杂、裂纹、机械损伤。

（6）炉管损坏一部分是由焊缝损伤造成的，应选用配套焊条或焊丝烛接。常用HK-40配套焊材为：NCF-10HC、NCF-HK、NC-310HS、TGS-310HSA、ER-310HC、ERINCR-3、H4C26Ni26（四川化机厂）、PK-40（北京电焊条厂）等。这些焊接材料适当提高了3Ni含量，能有效地防止σ的产生，提高焊缝的强度。镍基焊材不宜用在氧、硫含量较高的高温环境中作HK-40的焊接材料。

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不同母材相焊的焊材选用见表9-3

表9-3 不同母材相焊的焊材选用

HK-40 HK-40 Incoloy800 Incon1L82 +EniCrFe-2 Incon1L82 +EniCrFe-2 Incon1L82 +EniCrFe-2 Super Therm 310HC Incon1L82 +EniCrFe-2 Incon1L82 +EniCrFe-2 310HC① Incon1L82 Incon1L625 Incon1L82 +EniCrFe-2 其它合金钢及碳钢 ①日本氩弧焊的焊丝牌号为TGS-310HC，美国牌号AISI-310。 9．1．2．2．2烟气露点腐蚀

（1）控制排烟温度或加热介质的入口温度从而确保管壁温度高于烟气露点温度。

（2）采用较低过剩空气系数燃烧法。

（3）选择耐蚀合金或非金属材料，如：含铜低合金玻璃管，有机氟化物工程材料和聚苯硫醚涂料均有一定的防护效果。

（4）改进管排结构和适当增加腐蚀裕量，可以延长省煤器使用寿命。 9．1．2．2．3中压蒸汽发生器材料选用

中压蒸汽发生器选用的材料应良好的耐热性、抗氢性能。

高温转化气入口端的管板常采用耐火绝热炉衬加以防护（1Cr18Ni19Ti+绝热衬里）。管板端部插入套管（Cr20-Ni32），套管与换热管间采用装填高硅玻璃棉或陶瓷纤维隔热层。

9．1．2．2．4中温变换器和甲烷化反应器材料选用

中温变换器和甲烷化反应器等中温临氢设备（温度>200℃、压

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力>1.275MPa），一般选用15CrMo钢，以避免发生表面脱碳和内部脱碳。 9．1．2．2．5脱碳系统

二氧化碳冷凝液流经的部位，如冷凝冷却器、分液罐及其系统管线推荐用0Cr18Ni11Ti；再生塔顶、二氧化碳空冷器用铝合金管，再生塔顶挥发线由于气相腐蚀较轻可用碳钢管。

碳酸钾净化液在流速较高、有节流或流向改变等部位容易产生冷蚀、冲蚀。如：贫液泵、半贫液泵、泵进出口管线、产供销门、重沸器、能量回收透平、压力表和温度计管嘴等均推荐用0 Cr18Ni11Ti钢，流速低于1.5m/s以下的部位可用碳钢。

防止系统中生成和从外界混入固体颗粒，加强对钾碱液的过滤以减少机械杂质的磨损。

吸收塔和再生塔塔体推荐用20R钢，但在再生塔顶封头至顶部塔盘的筒体部分因接触湿二氧化碳，可内衬0 Cr18Ni9Ti。在使用含钡缓蚀剂的情况下，塔盘亦可使用碳钢制作。如果塔盘使用不锈钢，则与碳钢塔体相焊接的塔内构件可作为牺牲阳极而使用碳钢，以保护塔体免遭电化学腐蚀 。为了避免碱的应力腐蚀开裂，使用温度超过90℃的主要设备，如碳钢制造的吸收塔和再生塔，应进行焊后热处理以消除残余应力。热处理后硬度值不大于HB200，且不得在设备上再进行任何焊接。

配制钾碱液的原料中碳酸钾含量不应低于96%，含氯量应低于0.01%。 控制碳酸钾溶液的浓度低于10%，重沸器中的转化气温度应低于149℃。当操作上出现超温时，随管壁温度升高，管表面的溶液就会急剧沸腾汽化，在气液交替处存在爆沸现象，使腐蚀加剧。

钾碱溶液中加入五氧化二钒缓蚀剂，它使金属表面氧化生成一层连续的、粘

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附性很强的金属氧化膜，这层致密的钝化膜具有良好的保护性能。

钒缓蚀剂在使用过程中，由于还原性物质的作用，五价钒会逐渐还原四价钒，四价钒虽不能形成保护膜，但当五价钒在金属表面形成保护膜之后，它确具有维护保护膜的作用，如果膜遭到破坏或磨损，溶液中只要含有五价钒，保护膜就能得到修复。五价钒与四价钒的比值在1~0.05都能够较安全的运行。

溶液中铁含量在短时间内有明显增加，就表明存在局部腐蚀。如果铁含量继续增长，最后就会发生铁钒共沉淀，造成大量钒损失而使腐蚀加剧。

一般铁含量为200~300ppm，就认为腐蚀严重，当总钒浓度低于0.15%，正五价钒浓度低于0.1%时，就需要补加五氧化二钒，使溶液中偏钒酸钾（KVO3）的浓度提高到0.07~0.8%。此时最好切断工艺气体，进行20~28小时的系统钝化处理，并将部分钾碱液引入贮罐，在罐内通入工业风，温度维持在70~80℃，经氧化后的溶液再补入系统中去，该法能使部分钒转化为五价钒。

9．1．3材质选用标准

制氢装置设备的常见选材见表9-4。

表9-4 制氢装置设备用材

转化炉 材料 In519、Manaurite36、 炉管 HK-40、HK-40改良型、HP 上尾管 下尾管 出口集合管 入口集合管 水保护段管 0Cr18Ni9Ti 15CrMo Incoloy800 Cr20Ni32，Incoloy800H Incoloy800H Cr16Ni36 Cr5Mo 15CrMo、16Mo 20号 10

转化炉 混合预热一段管 混合预热二段管 原料预热一段管 原料预热二段管 蒸发段管 省煤段管 材料 20号、12CrMoV0.5Mo钢 0 Cr18Ni9Ti 20号 20号、15CrMoV 20号 20号、涂层保护 壳程碳钢 管程15CrMo 中压蒸汽发生器 管板：15CrMo 管子：15CrMo 甲烷化反应器 高（中）温变换器 低温变换器 15CrMo 15CrMo 15CrMo 壳体碳钢 二氧化碳吸收塔 塔盘：0Cr19Ni9 壳：碳钢衬0Cr18Ni11Ti 二氧化碳再生塔 塔盘0Cr19Ni9 壳：碳钢 再生塔重沸器 管：低碳Cr18Ni8钢（304L） 管板：Cr18Ni8不锈钢（304） 再生塔顶空冷器 铝合金 茂名炼化6×104Nm3/h 制氢装置，其管道器材的选用原则如下：

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（1） 管道器材按《石油化工企业管道设计器材选用原则》（SH3059-94）的要

求进行选用。

（2） 对临氢介质的管道及其配的材质按最新版“纳尔逊曲线”进行选材。 （3） 对于存在碳酸腐蚀的管，全部选用不锈钢材质，氧腐蚀较严重的部分脱盐

水管道也采用不锈钢管道。

（4） 装置所需的器材均为国内供货，供应的材料按国标（GB）和中国石化行

业标准（SH）选用。

（5） 钢管按《石油化工企业钢管尺寸系列选用规定》（SH3405）进行选用，所

对应的管道配件尺寸亦按（SH3405）进行选用。

管道法兰采用与API阀门相配的的中国石化行业标准《钢制管法兰》（SH3406）；与设备相连的法兰采用与SH3406等同的国家标准《钢制管法兰》（GB9115-88）。

附录 制氢装置结构用材表

附表1 国外某公司制氢装置结构用材表

设备 碱洗罐 硫吸收罐 碱液分离罐 高温变换反应器 低温变换反应器 热凝结罐和冷凝结罐 材料 碳钢+2.5mmCA 内件：410S型钢 碳-钼1/2+2.5mmCA 碳钢+2.5mmCA 碳-钼1/2+2.5mmCA 内件：碳-钼1/2 碳钢+2.5mmCA 内件：碳钢 碳钢内衬2.5mm304钢或至少 堆焊3.8mm304L钢 碳钢+2.5mmCA 塔盘：410S钢 气体入口管嘴、分配器 除雾器：304钢 碳-钼1/2+2.5mmCA 内件：碳-钼1/2 碳钢+2.5mmCA 12

二氧化碳吸收塔 甲烷化反应器 氢压机入口和出口分油罐

转化气中压蒸汽发生器 变换气废热换热器 甲烷化反应器预热器 锅炉给水预热器 甲烷化反应器进料产品换热器 产品气体冷却器和氢压机后冷器 条件 转化原料接触的配管 阀门 金属温度<500℉ 500~800℉ >850℉ 转化炉流出物 （从转化炉至二氧化碳吸收塔）金属温碳-钼1/2+1.2mmCA 度< 露点 碳-钼1/2+1.2mmCA 露点-850℉ 850~1100℉ 铬5/4钼1/2+2.5mmCA Incoloy800+1.2mmCA或碳-钼1/2+2.5mmCA内>1100℉ 部绝热 产品气体（从二氧金属温度<500℉ 碳-钢+2.5mmCA 化碳吸收塔来） 金属温度>500℉ 碳-钼1/2+2.5mmCA 蒸汽 碳钢+1.2mmCA 阀体：碳钢+2.5mmCA 碳钢管线 阀内件：铬12 阀体：碳-钼1/2+2.5mmCA 碳-钼1/2钢管线 阀内件：铬12 阀体：铬5/4钼1/2+2.5mmCA 铬5/4-钼1/2钢管线 阀内件：铬12 阀体：304钢+1.2mmCA 304钢管线 阀内件：304钢 壳：碳钢+3mmCA 管箱：入口：碳-钼1/2+3mmCA耐火衬里 出口：碳-钼1/2+3mmCA 管板：碳-钼1/2+3mmCA 管子：碳-钼1/2，有用incoloy800套图 壳：碳钢+3mmCA 管箱、管板：碳-钼1/2+3mmCA 管子：碳钢 壳：碳-钼1/2+3mmCA 管箱、管板：碳-钼1/2+3mmCA 管子：碳-钼1/2 壳体：碳-钼+3mmCA 管箱：碳衬至少2.5mm304钢 管板：304钢+1.2mmCA 管子：304钢 管箱：304钢+1.2mmCA 壳：碳-钼1/2+3mmCA 管板：碳-钼1/2+3mmCA 管子：碳-钼1/2 管箱：碳钢+3mmCA 管子：碳钢 用材 碳钢+2.5mmCA 碳钢1/2+2.5mmCA 铬5/4钼1/2+2.5mmCA 13

蒸汽/甲烷转化炉 转化段-工艺物流 金属温度<500℉ 500~850℉ 850~1100℉ 加热炉 >1100℉ 转化段-蒸汽 金属温度<800℉ 800~900℉ >900℉ 辐射段 出口猪尾管和集合管 碱液循环和洗涤水 泵 锅炉给水和锅炉 给水循环 压缩机 氢压机 碳钢+2.5mmCA 碳-钼1/2+2.5mmCA 铬5/4钼1/2+2.5mmCA 304钢+1.2mmCA 碳钢+1.2mmCA 碳-钼1/2+1.2mmCA 铬5/4钼1/2+1.2mmCA HK-40（0.38~0.45C%） Incoloy800（固溶退火） 泵壳：碳钢+2.5mmCA 叶轮：铸铁 泵壳：铬12+2.5mmCA 叶轮：铬12 碳钢和低合金钢 叶轮：铬12 注：CA—腐蚀裕量

附表2 凯洛格公司制氢装置结构用材表

设备 一段转化炉：转化炉管 集气管 上升管 原料混合气加热器管 原料预热器管 蒸汽、空气加热器管 蒸汽过热器管 壳 顶部封头 二段转化炉 衬里 内件 混合器 壳体 中压蒸汽发生器 衬里 14

材料 HK-40 Incoloy800 高温合金钢或HK-40 5/4Cr1/2Mo 5/4Cr1/2Mo 9/4CR1/2Mo 9/4Cr1Mo SA516Gr70 C-1/2Mo 上：18Cr-Ni 下：25Cr-20Ni 18Cr8Ni Incoloy800 碳钢 上18Cr8Ni 下25Cr18Ni

低压蒸汽发生器 高（中）变换气蒸汽发生器 甲烷化进气加热器 CO2吸收塔 CO2再生塔 再生塔重沸器 贫液锅炉给水换热器 再生塔蒸汽重沸器 再生塔顶气体冷凝器 甲烷化器 甲烷化气/锅炉水加热器 折流板 出口接管 夹套内管 夹套外管 壳体 管 壳体 进口端管板 出口端管板 壳体 管 壳体 管 壳体 填料 壳体上部 壳体下部 填料 壳体 管 管板管箱 壳体 管 壳体 管 管板 壳体 管 壳体及内件 壳 管、管板 管箱入口 管箱出口 18Cr8Ni 5/4Cr1/2Mo 碳钢 C-1/2Mo 碳钢、SA516、Cr70 5/4Cr-1/2Mo C-1/2Mo 5/4Cr-1/2Mo C-1/2Mo 碳钢 C-1/2Mo C-1/2Mo C-1/2Mo 碳钢 不锈钢、碳钢 碳钢衬不锈钢 碳钢、不锈钢 玻璃纤维聚丙烯 碳钢 304L 304 碳钢 304L 碳钢 304L 304 碳钢 304 C-1/2Mo 碳钢 C-1/2Mo C-1/2Mo 碳钢

附表3 800~1200℃工作温度下耐热铸钢商品名称对照表

合金名称 铸造合金Cr/Ni 学会其他元素 （ACI） 转化炉 HK-40 25/20 IN-519 24/24 Nb HP Mod 25/35 Nb HP Mod 25/35 Nb

S&C Maerker G4848 G4855 G4852 G4852Mod FAM APV Manaurife Paralloy 20 - 36X - 15

ABEX HK - HP HPMod Wisconsin Durally Wiscalloy Blaw-Knox 25-20 - 25-35Nb - HK NA-3 - - H20 H24W H39W -

- - 乙烯 裂解 HK-40 HP Mod HP Mod - NA22H - 总输出管、集合管800H 30/30 Nb 28/35WCo 25/20 Si 24/35Nb 25/35WNb 30/30 Si 28/48 W 28/35WCo 20/32Nb RW 30N ET 35Co G4848S G4852 G4857S G4868 G4879 ET35Co G4859 - - 20 36X 36XS - - - 960 - - H21 H39w - - H48T - GR32W - Supertherm - - - - HK - - - 22H - - HK 25—20 HP 25—35Nb - - - - - 30—50W Supertherm - 20—32Nb

附表4 各种耐热铸钢100，000小时持久强度数据

在760℃/1400℉ N/mm2 Psi 转化炉 25/20 31.0 4500 24/24Nb 45.0 6550 25/35Nb 45.0 6550 25/35Nb(Mod) 30/30Nb 52.0 7550 28/35WCo 乙烯裂解炉 25/20 Si 31.0 4500 25/35 Nb 45.0 6550 25/35 WNb 30/30 Si 36.0 5250 28/48 W 28/35 WCo 总输出管、 35.0 5100 集合管 20/32Nb 通称 在871℃/1600℉ N/mm2 Psi 15.5 2250 21.0 3050 25.0 3650 30.0 4350 25.0 3650 25.0 3650 15.5 2250 25.0 3650 24.0 3500 17.0 2500 22.0 3200 25.0 3650 15.0 2200 在982℃/1800℉ N/mm2 Psi 6.0 875 8.0 1160 10.0 1450 12.0 1740 10.0 1450 11.0 1600 5.6 815 10.0 1450 9.0 1310 6.7 975 10.0 1450 11.0 1600 4.7 680 在1093℃/2000℉ N/mm2 Psi 2.5 360 2.5 360 2.5 360 4.2 610 2.5 360 2.4 350 2.2 320 3.0 440 4.2 610 9．1．4阀门、法兰、管道的种类、规格与适用范围

阀门：制氢装置常用阀门类型有闸阀（代号Z）、载止阀（代号J）、止回阀（代号H）、球阀（代号Q）、碟阀（代号D）、疏水阀（代号S）、安全阀（代号A）、针形阀等。按压力等级分有CL.150（PN2.0）、 CL.300(PN5.0)、CL.600(PN10.0)等。

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法兰：制氢装置常用法兰型式有平面法兰、凸台面法兰、凹凸面法兰、环槽面法兰。平面法兰一般用于较低的压力等级，而环槽面法兰一般用于PN10.0及以上的压力等级。

管道：压力管道根据其材质及使用工况特点分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类及Ⅴ类管道：

管道材质 工作温Ⅰ类 度℃ 碳素钢 ≤370 Pw≥32 10≤Pw4≤Pw＜1.6≤PwPw＜1.6 ＜32 ＞370 Pw≥10 10 ＜4 Ⅱ类 Ⅲ类 Ⅳ类 Ⅴ类 4≤Pw＜1.6≤PwPw＜1.6 10 ＜4 合金钢及≥450 不锈钢 -196+450 Pw任意 至Pw≥10 4≤Pw＜1.6≤PwPw＜1.6 10 ＜4 注：Pw——最高工作压力，MPa

9．1．5设备保养知识

设备日常维修保养（日保）：亦称例保，即每天由操作者照例进行的保养。要求操作者每班必须做到：班前对设备进行检查、润滑，班中严格执行操作规程，下班前十五到二十分钟（周末适当延长）对设备进行认真的清扫擦拭，将设状况记录在交接班记录本上。

设备一级保养（一保）：以操作工人为主，维修工人辅导，按计划对设备达到局部和重点部位拆卸、检查；彻底清洗外表和内脏，疏通油路，清洗或更换油毡、油线、滤油器，检查磨损情况，调整各部配合间隙，紧固各部位，达到

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脱黄袍、清内脏、漆见本色，铁见光，油路通，油窗亮，操作灵活，运转正常。电气部分的保养工作由维修电工负责。

设备二级保养（二保）：以维修工人为主，操作工人参加，对设备的规定部分进行分解检查和维修。其内容除包括一级内容外，尚须进行机电检修，更换磨损的零件，部分刮研，机械换油，电机加油等。

设备维护坚持“一点两巡制”：“一点”是操作工人按岗位对设备进行定点检查，搞好平衡操作，严格工艺纪律，做到不超温、不超压、不超负荷运行；“两巡”是车间设备主任和设备员坚持每天对装置设备进行巡回检查两次以及钳工、电工、仪表包机班坚持每天按包机范围进行巡回检查，发现问题及时联系处理，保证设备正常运转。

设备润滑“三级过滤”和“五定”：三级过滤：从领油大桶到到岗位贮油桶（一级过滤）；岗位贮油桶到油壶（二级过滤）；油壶到加油点（三级过滤）。五定：定人、定点、定质、定量、定时（定期对润滑器具清洗）。

机泵维护“三见”：沟见底、轴见光、设备见本色。

机泵维护“三勤一定”：勤检查、勤擦扫、勤保养、定时准确记录。 静密封泄漏检验标准：

（1） 设备及管路：用肉眼观察，不结焦，不冒烟，无渗迹，无漏痕。 （2） 仪表设备及风引线：用肥皂水试漏，关键部位无气泡，一般部位允许每分

钟不超过五个。

（3） 氢气系统：高温部位，用关灯检查，无火苗；低温部位，用10毫米宽，

100毫米长的薄纸条试漏，无吹动现象。

（4） 瓦斯、氨、氯等易燃易爆或有毒气体系统：用肥皂水试漏，无气泡；或用

精密试纸试漏，不变色。

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（5） 氧气、氮气、空气系统：用10毫米宽，100毫米长的薄纸条试漏，无吹

动现象。

（6） 蒸汽系统：用肉眼观察，不漏汽，无水垢。

（7） 酸、碱等化学物料系统：用肉眼观察，无渗迹，无漏痕，无结垢，不冒烟；

或用精密试纸试漏，不变色。

（8） 水玻璃、胶体系统：用肉眼观察，无渗迹，无漏痕。

9．1．6设备安全知识

设备运行“四不准超”：不准超温、超压、超速、超负荷运行。

铬钼钢热壁反应器操作方法：开工要先升温，后升压；停工要先降压，后降温。

设备事故划分：设备事故分为一般事故、重大事故、恶性事故、特大事故四类。

（1） 一般设备事故：凡直接经济损失1万元及以上，15万元以下。 （2） 重大设备事故：凡直接经济损失15万元及以上，100万元以下。 （3） 恶性设备事故：凡直接经济损失100万元及以上，500万元以下。 （4） 特大设备事故：凡直接经济损失500万元及以上的。

设备事故发生后应遵循三不放过原则：事故原因不清不放过；事故责任者和群众没有受到教育不放过；没有防范措施不放过。

9．2容器操作 9．2．1容器的分类

容器可分为压力容器和非压力容器类容器。

压力容器：同时具备以下三个条件的的容器即为压力容器： （1） 最高工作压力Pw≥0.1Mpa（但不包括液体的静压力）；

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（2） 容器容积V≥0.025 m3，内直径（非圆形截面指断面最大尺寸）≥0.15 m； （3） 工作介质为气体、液化气体或者最高工作温度高于等于标准沸点（指常压

下的沸点）的液体。

非压力容器类容器：把不属于压力容器的容器统称为非压力容器类容器。非压力容器类容器的操作压力有的也达到很高，有的为是常压容器。很多企业在管理上将非压力容器类容器都归常压容器类来管理。

压力容器在使用前必须在当地质量技术监督局进行登记，并经审查取得质量技术监督局颁发的“压力容器使用许可证”才能投入使用，压力容器的使用管理必须严格按照国家质量技术监督局颁发的《压力容器安全技术监察规程》进行。而非压力容器类容器则不必要。

压力容器按工艺用途分为四种：反应容器、换热容器、分离容器、储存容器。

反应容器：主要用于完成介质的物理、化学反应的容器，如：反应器、发生器、反应釜、分解釜、聚合釜、合成塔等。

换热容器：主要用于完成介质的热量变换的容器如管壳式余热锅炉、换热器、冷却器、蒸发器、加热器等。

分离容器：主要用于完成介质的流体压力平衡和气体净化分离等的容器，如分离器、过滤器、集油器、缓冲罐、洗涤器、吸收塔、干燥塔、汽提塔、除氧器、分馏塔等。

储存容器：主要用于盛装生产用的原料气体、液体、液化气体等容器。 容器根据其操作压力的高低可分为： （1） 低压容器：0.1≤P<1.6MPa，代号L。 （2） 中压容器：1.6≤P<10MPa，代号M。

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（3） 高压容器：10≤P<35MPa，代号H。 （4） 超高压容器：P≤<100MPa，代号U。

压力容器根据安全的重要程度又分为一类压力容器、二类压力容器及三类压力容器。

一类压力容器：

（1） 非易燃或无毒介质的低压容器；

（2） 易燃或有毒介质的低压分离容器和换热容器。

二类压力容器： （1） 中压容器；

（2） 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；

（3） 易燃或毒性程度为中度危害介质的低压反应器和储存容器； （4） 低压管壳式余热锅炉； （5） 搪玻璃压力容器。

三类压力容器： （1） 高压容器；

（2） 毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器和PV≥0.5Mpam3的低压容

器；

（3） 易燃或毒性程度为中度危害介质且PV≥0.5Mpam3中压反应器和PV≥

10Mpam3的中压储存容器； （4） 高压、中压管壳式余热锅炉；

9．2．2压力容器操作

操作人员应该严格遵守操作规程，定时、定点、定线路进行巡回检查，发现不正常现象应及时处理。运行中的压力容器，严禁超温超压超负荷运行，避

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免温度与压力大幅度地波动，操作人员应认真做好容器及其安全附件的详细运行记录，当容器发生异常现象时，应及时记录当时的时间，式艺参数，发生异常现象的次数和原因。容器在正常运行中，不允许在容器带压的情况下紧固法兰螺栓，对于少数因工艺要求在开车、升温的过程中需要带温带压紧固法兰螺栓的，企业必须制定严格的安全操作方法，和采取有效的防护措施，并经企业安全部门和技术负责人批准方可进行。

操作人员如果发现容器有下列现象时，有权立即采取紧急措施并及时报告有关部门。

（1） 容器的工作压力，工作介质温度或壁温超过设计值，采取措施仍不能使之

下降时。

（2） 容器的主要受压元件发生裂纹、鼓包、变形、泄漏等危及安全的异常现象

时。

（3） 安全附件失效，接管焊缝断裂，紧固件损坏骓以保证安全运行时。 （4） 发生火灾等直接威胁到容器安全运行时。

运行中的容器还须保持容器的防腐、保温、绝热、静电接地等措施的完好。

9．2．3油水分离罐的结构及操作 9．2．3．1油水分离罐的结构

典型的油水分离罐的结构如图9-1：

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图9-1油水分离罐结构示意图

如图所示，油水分离罐的主要开口有：①进料口，②人孔，③气体出口，④油出口，⑤水出口。此外，作为压力容器，通常还有压力计口、安全阀口、放空口、吹扫口等。主要部件有：6-网状除沫器，7-斜梯，8-液位计，9-界位计,10-入口分配管。

9．2．3．2油水分离罐的操作

油水分离罐投用前须进行试压，以检查容器是否有泄漏点；在进油时要检查好流程并保持放空口（一般为内部放空）打开，以建立正常液位；在正常运行过程中须进行定期的检查，并通过自动控制系统控制好油水的界面和油的液面，以防止切水带油或跑油；时刻观察容器压力的变化，超过规定压力时可通过放空线进行泄压。

容器的停用时切尽罐内介质后给蒸汽进行蒸罐，以置换出罐内可燃气体和有毒有害气体。蒸罐完毕后打开容器人孔进行自然通风，然后进行气体含量分析和明火试验，合格后方可交付检修。

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9．2．4瓦斯罐的的操作 9．2．4．1开工时操作：

（1） 检查瓦斯系统流程及相关安全附件是否达到开工条件。 （2） 用氮气置换瓦斯系统（包括瓦斯罐）合格。 （3） 从装置外引瓦斯至瓦斯罐。 （4） 投用伴热蒸汽，加强对瓦斯罐排液。 （5） 控制好瓦斯罐压力。

9．2．4．2正常操作：

（1） 正常操作过程中，保证瓦斯罐无存液，瓦斯罐伴热蒸汽投用正常。当进行

瓦斯罐进行脱液操作时，应严格遵守相关的安全规定，操作人员要戴好有效的防毒面具，站在上风向，并在有监护人在场时进行。 （2） 控制好瓦斯罐压力，减少压力波动加热炉的影响。

9．2．4．3停工操作：

（1） 隔离瓦斯罐相关连管线。 （2） 引氮气置换合格。 （3） 引蒸汽吹扫合格。 （4） 瓦斯罐放空，冷却。

9．2．5 容器的附件

容器的附件主要有：法兰联接结构、容器的接管、开孔及其补强结构、容器支座等。

法兰联接结构：除了简单的盛装容器可以是球体或由一个圆筒体和两个封头焊接联接成为一个不可拆的整体外，其它用途的容器，如反应容器、换热容器、分离容器等，由于生产工艺的需要和安装检修的方便，大都采用部分的可

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拆联接结构。压力容器的可拆联接结构一般都是法兰联接。

容器的接管、开孔及其补强结构：容器的开孔及接管主要用于工作介质的出入口；压力表、液位计、测温仪表和安全装置要有联接孔；此处，为了对容器进行定期的内部检查和清理等，还需要开设人孔和手孔等。容器开孔以后，器壁的将因此受到削弱，因而需要对开孔部位进行补强。

压力容器的安全附件：切断阀、放空阀、安全阀、压力表、液面计、测温仪表。

9．3 制氢装置常用的冷热换热设备的类型及作用 9．3．1冷热换热设备概况

冷换设备是石油化工生产中使用很能广泛的设备，它在石油化工生产中的投资约占20%，其钢材用量约占40%。

制氢装置的冷换设主要有：

（1） 转化气蒸汽发生器（余热锅炉），利用转化炉下集合管出口的高温转化气

来产生蒸汽；

（2） 锅炉给水预热器：利用要用于中、低变汽的冷却及锅炉水、汽的加热； （3） 低压蒸汽发生器及除氧用蒸汽发生器，即利用低变气的热量来产生低压蒸

汽；

（4） 用于用于提高粗氢温度和降低工业氢温度的冷换设备，如工业氢/粗氢换

热器、中变气/粗氢换热器、工业氢空冷器和水冷器等； （5） 降低贫液液温度的冷换设备及再生塔底重沸器等 ； （6） 开工用加热器及冷却器，压缩机级间冷却器等。

9．3．2常用冷换设备的类型

冷换设备的种类繁多，可分为两大类。其换热面为管状者，称为管式换热

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器；换热面为板状者，称为板式换热器。前者常用的有列管换热器，蛇管换热器，套管换热器、翅片管式换热器等。后者常用的有平板和螺旋板式换热器等。制氢装置换热器的主要形式是列管式换热器。 9．3．2．1列管式换热器

列管式换热器又名管壳式换热器，常用的主要有以下几种类型。 （1） 固定管板式换热器

这种换热器主要由壳体，管束，管板，封头，折流挡板等部件组成。管束两端用胀接法或焊接法固定在管板上。

图9-2 具有补偿圈的固定管板式换热器

1—折流板；2—补偿圈；3—放气口

图9-2为单壳程／四管程固定管板式换热器。这是为了提高管程的流体流速，而采用的多管程。即在两端封头内安装隔板，使管子分成若干组，流体依次通过每组管子，往返多次。管程数增多，可提高管内流速和对流传热系数，但流体的机械能损失相应增大，结构复杂，故管程数不宜太多，以2、4、6程较为常见。同样，为提高壳程流体流速，以提高对流传热系数，可在壳程内安装折流板，常用的有圆缺形和圆盘型两种。

换热器因管内、外的流体温度不同，壳体和管束的温度不同及其热膨胀程度也不同。若两者温度相差较大（50℃以上），可引起很大的内应力，使设备变

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形，管子弯曲，甚至从管板上松脱。因此，必须采取消除或减少热应力的措施，称为热补偿。对固定管板式换热器，当温差稍大，而壳体内压力又不太高时，可在壳体上安装热补偿圈（或称膨胀节，见图9-2）以减少热应力。当温差较大时，通常采用浮头或U型管式换热器。 （2） 浮头式换热器

图9-3 浮头式换热器

1—浮头；2—浮动管板

这种换热器有一端管板不与壳体相连，可沿轴向自由伸缩，如图9-3所示。这种结构不但可以消除热应力，而且在清洗和检修时，整个管束可以从壳体中抽出。因此，尽管其结构较复杂，造价较高，但应用仍较普遍。 （3） U型管式换热器

图9-4 U型管换热器

图9-4所示为一U型管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上,因此，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。这种结构较简单，质量轻，适用于高温高压条件。 9．3．2．2其它形式的冷换设备 （1） 空冷式换热器

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图9-5 鼓风式空冷器

空冷式换热器（简称空冷器）是由翅片管束、风机和构架组成，如图9-5所示。这是一种用空气来冷却管内工艺流体的换热器。翅片管束的管材本身多采用碳钢管，但翅片多为铝制。翅片可用缠绕、镶嵌或焊接等方法固定在管材上。

热流体由物料管线流入各管束中，冷却后汇集于排出管排出。冷空气由轴流式通风机吹入，通风机装在管束下方称为鼓风式空冷器；通风机装在管束上方称为引风式空冷器。 （2） 热管式换热器

图9-6 吸液芯热管图

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热管是一种新型换热元件，如图9-6所示。它是一根抽去不凝气体的密闭金属管，管子的内表面覆盖一层有毛细结构材料作成的芯网，其中间是空的。管内还装有一定量的可凝液体（即载热介质），由于毛细力作用，液体可渗透到芯网中去。当管子的热端（蒸发器）被加热时，液体即在芯网中吸收热量汽化，所产生的蒸汽流向管子的冷端（冷凝器）时，蒸气遇到冷表面则冷凝成液体放出热量，而后在毛细力的作用下重新返回热端，从而反复循环，连续不断地将热端的热量传送到冷端。由于蒸发和冷凝都是有相变的对流传热过程对流传热系数很大，很小的表面积便可传递大量热量。故可利用热管的外表面（一般加翅片强化传热）进行两流体间的换热。

热管的材质可用不锈钢、铜、镍、铝等，载热介质可用液氮、液氨、甲醇、水及液态金属钾、钠、银等。温度在-200~2000℃之间都可应用。多条热管组合在一起即成为一台热管式换热器，热管式换热器在石油化工装置中应用广泛，常见的是利用加热炉高温烟气来加热助燃空气的空气预热器，即热管式空气预热器。

9．3．3强化传热途径

所谓强化转热，就是采取措施提高单位面积的传热量Q/A，或减少单位热负荷所需的传热面积A/Q，并改进换热器的结构以增大单位体积的传热面积A/V,或在Q/A一定的条件下，减少两流体之间的温度差△tm，以减少有效能损失。

为了提高Q/A或减少A/V,需要增大△tm，或更需要增大总传热系数K。为了减少△tm，以降低有效能损失，应增大K值。为了增大A/V，需要提高K值的同时，改进传热元件的结构。

下面分析讨论增大平均温度差△tm、单位体积的传热面积A/V及总传热系数K的措施。

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9．3．3．1增大传热平均温度△tm

△tm的增大，可以通过提高热流体温度或降低冷流体温度来实现。但工艺流体的温度是由生产工艺条件决定，一般不能随意变动。若采取冷却或加热介质，可根据提高△tm的需要，选择合适的介质。应注意的是，△tm增大，会使有效能损失增大。因此，以增大△tm来强化传热是有一定限度的。

当两侧流体为变温度传热时，从结构上尽可能保证逆流或接近逆流操作。因为逆流操作与并流相比，不仅△tm较大，而且有效能损失也较小。 9．3．3．2增大单位体积的传热面积A/V

增大传热面积是强化传热的有效途径之一，但不能靠增大换热器体积来实现。有些装置上的换热器设备要求轻巧紧凑，这应与提高传热系数相结合，改进传热面结构，扩展传热面，提高单位的传热面积，工业上已经使用的各种新型高效强化传热面，不仅扩展了传热面积，而且增强了传热面附近流体的湍动程度。最常见的扩展表面是在管外表面加装翅片的翅片管，用于对流传热系数α较小的气体一侧的传热面。此外，还有伯文冠、螺纹槽管等各种高效强化传热管，如图所示。用于板翅式换热器的各种翅片结构如图所示。 9．3．3．3增大总传热系数K

强化传热的最有效途径是增大总传热系数。要想增大K值，就必须减少金属壁污垢及两侧流体等热阻中较大者的热阻。当金属壁很薄，其导热系数较大，且壁面无污垢时，则减少两侧流体的对流热阻就成为强化热阻的主要方面。若两侧流体的对流传热系数α相差较大时，增大较小的α至，对提高K值、增强传热最有效。

一般无相变流体的α值较小，提高其值得措施有： （1） 增大流体流速

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增大流速u可增大流体湍动程度，减少层流底层厚度，提高α效果显著。例如列管式换热器，管程流体湍流α∝u0.8，层流α∝u1/3,壳程流体α∝u0.55。为了增大管程和壳程流速，可分别增加管程输和壳内的挡板数。流速的增大，也会使流体通过换热器的压力降△p增大，湍流时△p∝u0.8，层流时△p∝u1.0。因此，u的增大受到一定限制。 （2） 管内插入旋流元件

属于这些远见的有金属螺旋圈、麻花铁、纽带（见图）等，它们能增大壁面附近流体的扰动程度，减少层流底层厚度，增大α值。这种方法对强化其降低Re数，使高粘度流体的传热更有效，它们能降低流体油层流向湍流过渡的Re数，从而强化传热。在底Re下插入旋流元件，要比湍流时能收到更为显著的效果。

（3） 改变传热面形状和增加粗糙度

即把传热面加工成波纹状、螺旋槽状、翅片状等，或挤压成邹纹、小凸起，或烧结一层多孔金属层，增加粗糙程度。它们能改变流体流动方向，增加流体扰动程度，产生涡流，小壁面层流膜厚度，以增大α值，而且也扩展了传热面积，适用于管外热阻为主的单相流体强化传热。

综上所述，强化传热的途径，随着科技的发展日趋增多和完善。在实际应用中，应针对具体传热过程采用可靠的技术措施，并对设备费用和操作费全面分析，使传热过程的强化经济合理。

9．3．4冷换设备的操作 9．3．4．1使用前的检查

制造或检修完后的换热器，应检查其附件齐全、安装符合规定。并按规定进行压力试验（一般为水压试验），试验合格后必须放净换热器的存水。

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9．3．4．2换热器的投用

投用前检查换热器存水是否放净，以免大量水存在时蒸汽及油进入时引起水击或汽化损坏内件。在投用过程中，换热器先开冷源再开热源，先开出口再开进口。一些操作温度较高的换热器还需要热紧。采用循环水冷却的冷却器投用过程除与换热器投用方法一样外，在控制油品温度时，应用出口阀进行调节。

9．3．4．3换热器的日常检查与维护

换热器在使用过程中，尤其是在操作条件变化后，应注意检查换热器本身的变化及其冷热流介质的温度与压力的变化。

检查换热器的外观及保温情况，检查螺栓连接、大盖及法兰有无渗漏（外漏）。

通过分析对比冷热流介质的参数或定时察看各程介质有无特殊异常来判断换热器是否存在内部泄漏。

9．3．4．4冷换设备的停用

换热器的停用方法和投用方法相反，应先关热源后关冷源、先关进口后关出口。扫线后可打开各程排放口排净积存的介质，用蒸汽吹扫换热器的管程和壳程时，必须改通相应的流程，以防蹩压。对于冷却器的吹扫应慎重，应关闭循环水的进出口阀，打开放空阀以防水汽化超压，循环水侧除不能吹扫外，还应防止另一侧吹扫温度过高损坏循环水程的防腐涂料。

对于长期停用的换热器，应放净存水或其它介质后充入氮气保护，或用其它办法防止设备腐蚀。

9．4工业炉的操作 9．4．1概述

石油化工的物料加热除了换热器取热外，主要是应用管式加热炉。管式加

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热炉的外壁一般采用钢结构，内壁用耐火砖或耐火纤维喷涂，耐火砖更坚固耐用，纤维喷涂保温效果更好。炉管分为两部分，直接接受炉膛火焰辐射加热的为辐射管，受烟道气对流加热的为对流管。管式加热炉常用的形式有圆筒炉、立式炉、无焰炉以及箱式炉等。

制氢装置的工业炉主要有原料预热炉和转化炉。原料预热炉用于原料预热，一般热负荷较小，采用圆筒炉结构形式。而转化炉不仅加热转化物料，向转化反应提供热量，同时还是进行转化反应的场所，其热负荷一般非常大，有顶烧箱式炉或侧烧无焰炉等形式。

9．4．2圆筒炉的结构

圆筒炉的炉膛为立式圆筒形，辐射炉管沿炉膛四周垂直排列，燃烧器装在炉子底部；对流炉管在炉子上部横向排列，烟囱立在对流窒的顶部。物料一般先进入对流炉管进行预热，然后再到辐射炉管加热。圆筒炉外壁用钢板卷制，内壁砌筑耐火砖或者用保温钉加耐火纤维喷涂。如简图9-7所示。

图9-7 圆筒炉结构简图 9．4．3燃烧器

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9．4．3．1燃烧器的类型

燃烧器是将燃料和空气在期望的速度、湍流程度和空气/燃料比引入，以建立和保持适当点火和稳定燃烧的设备。燃烧器类型通常用不同的方法来描述： （1） 由燃料种类：高压瓦斯、低压瓦斯气体燃烧器，重油、轻油液体燃烧器，

天然气燃烧器等等；

（2） 由供风方式：强制通风燃烧器，自然通风燃烧器等；

（3） 由排放物要求，主要指NOX的排放指标：如普氮燃气燃烧器、低氮燃气

燃烧器、低噪音燃烧器；

（4） 据火焰形状来描述的：环形焰、圆柱焰、扁平焰、扇形焰、附墙焰燃烧器； （5） 根据空气与燃料混合形式或雾化形式来描述的：半预混气体燃烧器，全预

混气体燃烧器，外混式、内混式，Y型、机械雾化燃烧器等等。 9．4．3．2气体燃烧器及操作 （1） 外混式燃烧器：

外混式气体燃烧器应适用燃料气压力范围、燃料组成、密度和热值变化范围宽的燃料气，其燃料气组成变化范围可从高含氢到高分子量的高含烃类燃料，还可含有一定量惰性物质（如CO2、N2、水、蒸汽）和不饱和烃类，例如制氢装置的脱附气等。外混式气体燃烧器不适用于燃料气中含有液滴或不饱和烃多的情况，这是因为易在喷头处结焦和生成聚合物，堵塞喷孔。

外混式燃烧器调节范围较大，对于单一的燃料组成，外混式气体燃烧器可在调节比5：1范围内操作

过剩空气：外混式气体燃烧器，下列过剩空气（已包括空气泄漏量）可保证良好燃烧。

单个燃烧器 多个燃烧器

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自然通风 10～15% 15～20% 强制通风 5～10% 10～15%

火焰性质：火焰形状是由燃烧器砖、喷头开孔和燃烧器的空气动力学性质决定的，圆形的燃烧器砖，产生同心的或圆柱形的火焰。矩形的燃烧器砖产生扁平火焰（直扁平火焰与斜扁平附墙火焰），其火焰形状象鱼尾，火焰接近炉墙或与炉管的间距受到限制时使用此燃烧器。火焰的颜色偏黄（与预混式比较）。 （2） 预混燃烧器

预混式燃烧器要求燃料气压力和组成相对稳定，利用燃料压力将空气吸入喷头前的文丘利管，空气与燃料气预混后在喷头处点火。

在适宜的操作条件下，预混式气体燃烧器的火焰非常稳定且紧密。燃料和空气混合物离开喷头处的速度必须大于火焰的速度。否则，火焰会返回文丘利管（回火）。当使用高含氢这样的高火焰速度的燃料气时，燃烧器调节严重受到限制。总体来讲，燃料气的含氢量超过70%（mol）时，一般不使用预混式气体燃烧器。

如果燃料气的组成变化，预混式气体燃烧器的调节比将受到限制。烧高含氢燃料气时，调节比通常受到在文丘利管内回火的限制。当燃烧的燃料比设计工况的燃料重得多时，燃烧器会达不到其最大放热量。因为燃料气的低压造成空气量的吸入不足。必须提供更多的二次风，以弥补此缺陷。

对于单组分燃料气的预混使气体燃烧器常规的调节比为3比1。 过剩空气：由于预混式气体燃烧器的燃料/空气混合情况比外混式气体燃烧器好，它可在较低的过剩空气系数下操作。单个燃烧器的过剩空气系数可达到5%～10%。

单个燃烧器 多个燃烧器

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自然通风和强制通风 5～10% 10～20%

火焰性质如下：与外混式燃烧器相比，预混式燃烧器的火焰体积更小更容易限制。火焰形状由燃料气喷孔设计在某个特定范围内，由燃烧器砖的形状决定。火焰更蓝更透明。

9．4．4炉管

由于炉管置于高温的环境中，管内又有油、干气及氢气等介质的温度、压力和腐蚀的联合作用，因此炉管的材料应具有耐热、耐压和耐腐蚀的特殊要求。炉管包括辐射段的炉管和对流段的炉管，转化炉还有上下猪尾管等，需要根据其操作的温度环境及物料性质来选取炉管的材质。原料预热炉辐射管常用Cr5Mo合金钢管，管壁最高可耐600℃，其对流段一般采用20#优质碳素钢，其管壁最高可耐450℃。转化炉炉管的操作条件比原料预热炉要苛刻得多，所以其材质要求也高很多，其常用材质参见“9.1.3材质选用标准”的介绍。

在正常操作条件下，炉膛温度一般都高于炉管所能耐受的最高温度，因此炉管内应时刻保持有一定的流量的冷物料来吸收热量，确保炉管壁温不超过耐热指标。严防炉管内物料的中断和超温、超负荷运行，以至损坏炉管，酿成事故。

9．4．5空气预热器

加热炉是石油化工生产装置的能耗大户，对于制氢装置也是如此，如何提高加热炉的热效率显得非常重要。制氢装置的空气预热器一般是助燃空气与转化炉的高温烟气进行换热。空气预热器一方面可以降低排烟温度，另一方面可以提高炉膛温度，节省燃料，大大提高加热炉的热效率，因此，空气预热器在制氢的加热炉特别是转化炉上已被广泛采用。

制氢装置的空气预热器实际是两种气相介质（烟气与空气）的换热设备，

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也分为管束式、回转蓄热式（板式）和热管式等型式。采用空气预热器的加热炉一般采用强制供风，因此都设备有鼓风机、风道等，同时要将高温的烟气引入空气预热器进行热交换，还需要有引风机和烟道等设备。

由于烟气露点腐蚀的原因（详见“设备防腐知识”一节），空气的预热器烟气侧的出口温度（一般为排烟温度）应在一个较好的范围以内，排烟温度太高会影响整台炉的热效率，太低则引起露点腐蚀，一般要求不低于150℃，如果燃料的含硫量很能低，还可以再适当降低。合理的排烟温度是一方面是通过合理的设计来保证，要求设计时选取的参数要尽可能的准，另一方面，在操作上加热炉的负荷也不宜偏离设计值太多，一般要求在设计值60%以上负荷运行。

9．4．6吹灰器

吹灰器是工业炉中应用广泛的设备。由于燃料燃烧会产生灰垢，这些灰垢附着在炉管上，特别是对流段的炉管上，降低炉管的传热效果和加热炉的热效率。石油化工的加热炉主要以燃料油和燃料气作为燃料，烧燃料气的加热炉炉管积灰相对较少，而烧燃料油的加热炉积灰相对较多，特别是含硫较高的燃料油。因此，为了及时清除这些灰垢，通常在炉的对流段及空气预热器等部位安装吹灰器，定时吹灰。

常用的吹灰器类型有蒸汽吹灰器、声波吹灰器和激波吹灰器等，这三种类型的吹灰器各有特点，但也有各自的局限性。激波吹灰器是利用一开口容器内的可燃气体爆燃后产生的一种弱爆炸波清垢，激波吹灰器清垢比较彻底，但有较大的异常响声，其电磁阀、点火器等也容易出现故障；声波吹灰器主要是靠次声波吹灰，其低频声波可绕障传递，可全方位清灰但清垢不如激波彻底，如果炉体有泄漏还会造成次声波污染；蒸汽吹灰器由于阀门关不严漏水、操作中容易脱水不净等引起腐蚀及本身的局限性，现已较少使用。

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9．4．7阻火器

为防止火焰倒窜入瓦斯罐或其它容器内产生爆炸，在炉用瓦斯线上都设有瓦斯阻火器。阻火器一般设在瓦斯入炉前的管线上。

阻火器大多数由多层金属细网组成，当火焰进入阻火器后，由于金属细网传热效率很高，火焰通过金属细网被分割散热而熄灭，从而达到阻火的作用。

随着技术的进步，已有其它新型的高效阻火器正在投入使用。

9．4．8防暴安全设施

为确保加热炉的安全运转，加热炉系统主要的防爆安全措施有： 在炉膛设有蒸汽吹扫线，供点火前吹扫炉膛内的可燃气体。

在对流室、炉平台或外围设有灭火蒸汽线，一旦发生泄漏或起火时提供掩护或灭火之用。

在炉用瓦斯线上设有阻火器以防回火起爆。

在炉体上设有防爆门，在炉膛突然升压时泄压用，以免损坏炉体。 在燃烧的炉膛内设有长明灯，以免燃料气因故障中断后再进气时引起爆炸。 烟道档板设有安全限位装置，以防因操作失误或仪表机械设备等故障导致烟道全关，造成炉膛正压。

9．5余热锅炉的操作 9．5．1锅炉的构成

锅炉是由“锅”与“炉”两个部分组成，锅与炉组合起来，便构成了锅炉本体。锅是容纳水和蒸汽的密封受压部件，一般包括锅筒（汽包）、水冷壁管、集箱、对流管束、蒸汽过热器、省煤器和汽水管道等，在其中进行水的加热、汽化及饱和蒸汽的过热等吸热过程。炉是燃料燃烧的场所，燃料在炉中燃烧释放大量的热能被锅内的水和蒸汽吸收。因此，锅炉是一种利用燃料在炉中燃烧

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释放的热能或工业生产中的其它热能，加热炉水使之具有一定温度和压力的换热设备，也称热工设备。由于锅炉被广泛地应用于加热炉水使之变为具有一定参数的蒸汽，所以有时也将锅炉称为蒸汽发生器。

制氢装置的余热锅炉则是利用制氢工艺生产中产生的大量余热，如高温转化气、转化炉对流段的高温烟气、需要释放热量的中变气及低变气等，来加热锅水使之产生中压蒸汽及低压蒸汽。主要设备包括：蒸汽发生器（包括转化气蒸汽发生器及中、低变气的蒸汽发生器），汽包，锅炉给水预热器（省煤器），转化炉对流室的水保护段、蒸发段及蒸汽过热段，以及相联的汽、水管道等。此外，锅炉还包括水除氧器、排污及仪表控制等附属设备。

9．5．2锅炉的安全附件

工业锅炉附件，主要是指锅炉上使用的压力表、液位计、安全阀、汽水阀、排污阀等。它们是锅炉正常运行中不可缺少的组成部件。其中压力表、液位计和安全阀是蒸汽锅炉操作人员进行正常操作的耳目，是保证蒸汽锅炉安全运行的基本附件，对蒸汽锅炉的安全运行极为重要，因此，被称之为蒸汽锅炉的三大安全附件。

9．5．3锅炉用水及炉水质量标准

锅炉给水： 温度:102～104℃ 硬度:≤1.5μmol／L 悬浮物:≤5mg/L PH值:＞8.5～9.2 溶解氧:≤15μg/L 炉水：

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PH值:9～12

磷酸根PO43-:5～15mg／L Cl-: ＜4mg／L

9．5．4自产蒸汽质量标准

中压蒸汽： 温度:415～440℃ 压力:≥3.5MPa 钠离子:＜15μg/kg 低压蒸汽： 压力:≤0.62MPa 温度:≤135℃

9．5．5锅炉的操作及维护 9．5．5．1锅炉开工前的准备

（1） 整个系统安装或大修完毕，并验收合格，保温和油漆完好，流程正确。 （2） 锅炉的三大附件:压力表、液面计、安全阀经校验合格。 （3） 系统经煮炉合格，自动仪表、调节阀经校验好用。 （4） 锅炉系统水压试验合格。

（5） 联系调度作好供无盐水和除氧蒸汽的准备。 9．5．5．2锅炉开工步骤

（1） 改通无盐水进装置流程，向除氧槽进无盐水，打开除氧槽顶部放空阀。除

氧槽先建立50%的液位，置换合格，再重新建立50%的液位。引低压蒸汽除氧(开除氧蒸汽要先脱净水，同时要慢慢开，防止水击现象出现)，除氧槽应保持在1～15KPa的正压和104℃的温度下除氧。

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