冷壁滑閥兩種襯里閥體外壁溫度計(jì)算

易捷，張玉峰，劉曉東

（1.中國石油渤海裝備蘭州石油化工裝備分公司，甘肅蘭州 730060；2.甘肅省煉化特種裝備工程技術(shù)研究中心，甘肅蘭州 730060）

冷壁滑閥在煉油催化裂化裝置中用于控制催化劑以及煙氣等介質(zhì)的輸送，其閥體受到流體的對流和輻射熱磨蝕作用，內(nèi)壁需襯制隔熱耐磨襯里［1］。

目前，國內(nèi)的滑閥按GB 50474-2008《隔熱耐磨襯里技術(shù)規(guī)范》采用雙層襯里，而國外的滑閥基本采用單層襯里。同一閥體結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)尺寸相同的條件下，單層和雙層襯制的閥體外壁溫度如何呢？本文通過理論和模擬計(jì)算兩種方法對比分析，對這兩種襯里結(jié)構(gòu)的閥體外壁溫度進(jìn)行了計(jì)算，得到了相應(yīng)結(jié)論。

1 理論和模擬計(jì)算依據(jù)

根據(jù)傳熱學(xué)理論，襯里高度和寬度是厚度的10倍以上時(shí)可近似為一維傳熱。同時(shí)，在工程上，對大直徑的圓筒形容器來說，在已知襯里厚度時(shí)，可用平板一維穩(wěn)態(tài)傳熱學(xué)理論對其外壁溫度進(jìn)行理論估算，這在工程上是允許的。

滑閥閥體主要分三個(gè)部位：第一個(gè)部位是帶內(nèi)襯節(jié)流錐體和三角區(qū)襯隔離的環(huán)形筒體，這個(gè)部位在設(shè)計(jì)和施工正常的情況下，外壁溫度有兩部分襯里的作用，溫度不高；第二部分是側(cè)筒體，這部分主要是介質(zhì)的輻射換熱，外壁溫度亦不會(huì)太高；第三部位即是由閥口射流到側(cè)壁，并產(chǎn)生回流的主筒體部位，是介質(zhì)對流輻射換熱的主要部位，這部位的閥體外壁溫度是閥體強(qiáng)度設(shè)計(jì)的主要輸入條件，其結(jié)構(gòu)滿足大直徑的圓筒形容器特征。因此本文結(jié)合滑閥兩種襯里的厚度設(shè)計(jì)值，一種是δ耐磨=20，δ隔熱=80隔熱耐磨雙層襯里結(jié)構(gòu)，另一種是δ隔熱耐磨=100單層襯里結(jié)構(gòu)，對閥體外壁的溫度進(jìn)行理論和模擬計(jì)算。

2 理論和模擬計(jì)算過程

2.1 雙層襯里結(jié)構(gòu)

2.1.1 計(jì)算推導(dǎo)［1］

如圖1所示，當(dāng)多層平板壁兩側(cè)有兩種不同溫度(t0，ti)時(shí)，則熱量由高溫流體通過多層平板壁傳給低溫流體，這是一種綜合傳熱過程，包括以下三個(gè)傳熱過程：

圖1 多層平板壁傳熱模型

①高溫流體與平板壁內(nèi)表面之間的對流換熱和輻射換熱；②多層平板內(nèi)部的導(dǎo)熱；③平板壁外表面與低溫流體(空氣)之間的對流換熱和輻射換熱。

為便于推導(dǎo)，下述公式中各符號(hào)的意義：

ti-介質(zhì)溫度(℃)；t1-襯里內(nèi)表面溫度(℃)；t0-當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟?℃)；tw-設(shè)備或管道金屬器壁溫度(℃)；t2-耐磨混凝土層外表面(即隔熱混凝土層內(nèi)表面)溫度(℃)；α0-金屬器壁與空氣間的對流和輻射傳熱系數(shù)[w/(m2·K)]；δ1-耐磨混凝土厚度(m)；δ2-隔熱混凝土厚度(m)；λ1-耐磨混凝土導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m?K)]；λ2-隔熱混凝土導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m?K)]。

對于穩(wěn)定傳熱，其熱流量關(guān)系式見公式（1）：

公式（1）中:q-穩(wěn)定熱流量；q1-高溫流體對平板壁的對流和輻射熱流量之和；q2-多層平板之熱流量；q3-平板表面向低溫流體(空氣)的對流和輻射熱流量之和。

對于催化裂化裝置滑閥而言，高溫流體向平板壁的輻射相對于對流來說是很小的，為了簡化計(jì)算予以忽略不計(jì)。而對流傳熱系數(shù)αi是依據(jù)GB 50474《隔熱耐磨襯里技術(shù)規(guī)范》確定的，結(jié)論是熱介質(zhì)與襯里內(nèi)表面間的對流換熱和輻射換熱熱阻可以忽略不計(jì)，即可以把熱介質(zhì)的溫度ti當(dāng)成襯里內(nèi)表面的溫度t1，即公式（2）：

同時(shí)，由于金屬器壁導(dǎo)熱系數(shù)相對較大，即可假定金屬器壁內(nèi)、外表面溫度相等，即公式（3）：

根據(jù)上述假定，可以得到公式（4）（5）（6）三個(gè)方程，整理后得到公式（7）：

tw、t2同時(shí)滿足公式（4）（5）

即

聯(lián)立公式（7）（8），即可求出閥體外壁溫度。

2.1.2 具體實(shí)例

（1）對δ耐磨=20，δ隔熱=80，隔熱耐磨雙層襯里結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算：

高耐磨襯里牌號(hào)TA-218，λ1=1.50[W/(m?K)]；δ1=0.02；

隔熱襯里牌號(hào)QA-212，λ2=0.25[W/(m?K)]；δ2=0.08；

ti=750℃介質(zhì)溫度；

經(jīng)計(jì)算：

tw雙層計(jì)劃=141.7℃，設(shè)備或管道金屬器壁溫(℃)。

（2）有限元溫度場模擬計(jì)算［2］

輸入同樣的物理參數(shù)，用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，金屬外壁溫度數(shù)值分布如圖2所示。

圖2 多層平板壁傳熱模擬數(shù)值

tw雙層模擬=129.9℃，設(shè)備或管道金屬器壁溫(℃)。

tw：理論與模擬計(jì)算值相差Δt=141.7-129.9=11.8℃

用兩種方法計(jì)算出的閥體外壁溫度偏差值為11.8℃，在工程設(shè)計(jì)中可以忽略不計(jì)；閥體外壁溫度需滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)溫度350℃的要求。

2.2 單層襯里結(jié)構(gòu)（圖3）

圖3 單層平板壁傳熱模型

2.2.1 計(jì)算推導(dǎo)

根據(jù)公式（2）

根據(jù)公式（1），得

則

式中：δ-耐磨隔熱單層混凝土厚度(m)；λ-耐磨隔熱單層混凝土導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m?K)]。

2.2.2 具體實(shí)例

（1）另一種是δ隔熱耐磨=100單層襯里結(jié)構(gòu)，牌號(hào)為RESCOCAST 17EC的襯里料，λ=1.26[W/(m?K)]@815℃；δ=0.1；ti=750℃介質(zhì)溫度；α0=15 W/(m2·K)；t0=20℃

代入公式（12）解得：

tw單層計(jì)算=353.3℃，設(shè)備或管道金屬器壁溫(℃)。

（2）有限元溫度場模擬計(jì)算

輸入同樣的物理參數(shù)，用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，金屬外壁溫度數(shù)值分布如圖4所示。

圖4 單層平板壁傳熱模擬數(shù)值

tw單層模擬=321.7℃，設(shè)備或管道金屬器壁溫(℃)。

tw：理論與模擬值相差Δt=353.3-321.7=31.6℃

用兩種方法計(jì)算出的閥體外壁溫度偏差值為31.6℃，可以認(rèn)為閥體的外壁溫度在閥體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)溫度350℃的邊界，基本滿足要求。

3 結(jié)論

煉油廠催化裂化裝置用冷壁滑閥，同一閥體結(jié)構(gòu)，兩種襯里可以互換，但單層襯里熱損要大一些。從節(jié)能及設(shè)備使用壽命方面考慮，滑閥應(yīng)盡量采用雙層襯里。若采用單層結(jié)構(gòu)，可適當(dāng)增加襯里厚度，以減少熱損。由于滑閥閥體兩種襯里在結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)成本方面各有利弊，在閥體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮催化劑、煙氣等介質(zhì)的濃度、流速、溫度等因素，優(yōu)化選擇襯里結(jié)構(gòu)。