解，确保润滑油具有优良的品质。另外各装置的加热炉还有自身的特点，如糠醛很容易结焦，因此糠醛炉的盘管应是逐级扩径的，以便将显热及时转变成潜热。保证任意点处被加热介质的温度值不超过糠醛的分解温度（230℃）。又如白土炉的管内油品中含有相当数量的固体白土，为避免白土沉淀堵塞管路，除管内流速不能低于1m/s以外，还应将盘管设计成没有急拐弯的螺旋管。另一方面白土炉的流速也不宜太快，太快了白土固体颗粒对炉管的磨损就会加剧。
8.1 炉型选择
润滑油加工炉一般选用圆筒炉。白土炉一般选用螺旋管圆筒炉。 8.2 主要工艺参数的选择
润滑油加工炉的主要工艺参数列于表8.2。
表8.2 主要工艺参数
炉名 单面辐射炉管表面平均热强度 W/m2 脱蜡油炉 酚加工炉 糠醛加工炉 白土加工炉
8.3 炉管材质的选择及壁厚计算
润滑油精制炉的操作温度和压力均不高，一般也没有腐蚀，因此一般选碳钢炉管。壁厚一般也不用计算，可按经验选择见3.3条。
9 气体加热炉设计要点
气体加热炉的主要特点是炉管内的被加热介质不是油品，而是气体，如氮气、空气和过热蒸汽等。这些气体的内膜传热系数很小，见图9。在同样的热强度下，管壁温度要高得多。反之，如果管材相同，则其允许的热强度要低得多。
20000～28000 17000～23000 17000～23000 17000～23000 1200～1500 1200～1500 1200～1500 1200～1500 质量流速 kg/m2·s 图9.0
9.1 炉型选择
气体加热炉的炉型主要按其热负荷来选择，20MW以下的一般选用圆筒炉。热负荷大于20MW时，一般选用箱式炉。 9.2 主要工艺参数的选择
气体加热炉的主要工艺参数为炉管表面热强度和管内流速，他们都受其气体内膜传热系数的控制。一般而言，要求采用较高的流速，如100~200m/s，以便将其内膜传热系数提高到200~300W/m2.K，相应的辐射炉管表面平均热强度可达到15000~25000W/m2。 9.3 炉管材质的选择及壁厚计算
由于气体的内膜传热系数小，管壁温度与被加热的气体温度之差较大，炉管材质主要根据其管壁温度来选择。应该指出的是，在被加热介质出口温度相同的情况下，气体加热炉的管壁温度比油品加热炉的高，炉管材质一般也要升级，有的甚至用到HK-40或HP-40 Nb，例如苯乙烯的蒸汽过热炉，炉出口温度约800℃，其炉管材质就是HK-40或HP-40Nb。
气体加热炉炉管一般在管材使用温度上限环境下使用，因此，其壁厚应严格进行计算，不宜单凭经验选取。
10. 制氢炉设计要点
制氢炉是以烃类为原料，用蒸汽转化法生产氢气的炉子。实质上制氢炉是一个多管并流的外热式反应器。与一般加热炉比，其最大的不同之处，在于其每一根炉管就是一个直接火焰加热的转化反应器，因此其炉管一般也称为转化管，管内装填有催化剂。工艺介质（烃+水蒸汽）一边吸热，一边进行着复杂的化学反应，因此工艺计算比一般加热炉复杂得多。另一个特点是其操作温度特别高，原料气入口温度一般为450～550℃，转
化气出炉温度高达760～850℃，甚至高达900℃。因此，其炉管系统的选材、焊接及其热膨胀的补偿等均成为设计中的关键问题，应予以充分的重视。
10.1 转化管内的化学反应简介
转化管内的化学反应非常复杂，其主反应是烃类（天然气、炼厂气或石脑油）蒸汽转化反应，其次是水煤气变换反应，另外还有析炭和消炭反应等。下面以甲烷蒸汽转化为例予以说明。
a) 甲烷蒸汽转化反应 CH4+H2O CH4+2H2O
CH4+CO2
CO+3H2 -206150 KJ/kmol CO2+4H2 -164988 KJ/kmol 2CO+2H2 -247312 KJ/kmol
b) 水煤气变换反应
CO+H2O CO2+H2 +41162 KJ/kmol c) 析炭和消炭反应 CH4 2CO
C+2H2 -74848 KJ/kmol C+CO2 +172464 KJ/kmol C+H2O +131302 KJ/kmol
CO+H2
上述反应均为可逆反应，影响平衡的因素有温度；压力、水碳比（H2O/C）、氢碳比（H/C）等。有关这些影响因素的分析将在下一节主要工艺参数中一并叙述。
在工业生产系统中，化学反应是不可能达到平衡的，这就需要从化学动力学的各因素进行研究。在工业催化剂上，甲烷蒸汽转化反应为内扩散控制，因此，在处理工业催化剂上的反应动力学时，一般结合实践经验进行处理，得出宏观动力学经验式，以表达各反应的速度与反应频率因子、活化能床层温度、各组分分压和反应平衡常数等的关系。具体使用这些动力学方程式时，还应根据催化剂类型、颗粒度，中毒情况、使用年龄、操作压力、转化深度等的校正因子进行校正。
析炭和消炭问题也应从热力学和动力学两个方面进行研究，以避免操作时催化剂积炭，这里就不详述。
10.2 工艺计算主要工艺参数及技术性能指标
制氢炉辐射段的工艺计算比一般加热炉复杂得多，它需建立包括管外和管内的完整数学模型。管外数学模型是非线性方程组，管内数学模型是微分方程组，两者难以联立求解，因此，一般以管外壁温度分布为解剖点，将管内、外数学模型分开，然后迭代求解。管内数学模型主要是化学反应及其微分动力学方程组，另外还包括管壁导热、污垢导热和床层传热三部分的传热方程，以及管内热平衡计算和床层压降计算等。管外数学模型主要是按区域法，分区进行辐射传热，对流传热、热平衡及烟气进、出计算区的焓差等计算，并包括燃料燃烧模型和烟气流动模型的建立。现行的制氢炉工艺计算软件REFORM-3基本上是按上述模型编制的，应用此软件不但能计算管内的组分、压力、温度及传热量随管长的分布，也能计算出管外烟气的温度、管外壁温度、墙内表面温度等
随管长的分布。图10.2-1、10.2-2、10.2-3是一个设计案例应用该软件计算的结果，列出此图的目的是让设计人员对制氢炉工艺计算的复杂性有所了解，同时也能对制氢炉各工艺参数的变化有个初步认识。
图10.2-1
图10.2-2
图10.2-3
REFORM-3是核算程序。一般是按工艺专业根据烃类蒸汽转化反应的要求，提出转化管规格、数量、其它工艺参数及技术性能指标，规划一个初步的制氢炉尺寸，用该程序进行核算，如不能满足要求，则应与工艺专业协商，进行调整后再进行计算，直至满足要求为止。下面对主要工艺参数及技术性能指标进行简要介绍。
a) 残余甲烷
残余甲烷指的是转化管出口处转化气中扣除水蒸气后的干基甲烷的含量。它是衡量转化反应深度的重要指标。合成氨厂由于有二段转化炉，一段转化炉残余甲烷一般只要求8 mol%～12mol%。而制氢炉的残余甲烷一般要求3 mol%～7mol%。 b) 温度
因为烃类蒸汽转化反应是吸热反应，因此，不论从化学反应的平衡，还是从化学反应的速度来讲，升高温度对转化反应都是有利的。温度升高的限制主要在于炉管材质的耐热性能。转化气的出炉温度一般是800～850℃。国外转化气出炉温度有高达900℃左右的，这与所选用的炉管材质有关。
提高原料气预热温度可降低辐射的热负荷，提高高温炉管的利用率。预热温度的提高要受烃类热裂解的限制，以天然气和炼厂气为原料时，预热温度为500～550℃，以石脑油为原料时，预热温度为450℃左右。
c) 压力
提高操作压力，对反应的平衡不利，残余甲烷会增加，但是在可能的条件下，还是尽量提高操作压力，因为这样会有一系列的优点：随着压力的提高，变换气中水蒸汽的露点温度提高有利于余热回收；提高压力，可使设备紧凑，强化生产，有利于后续工序的变换和脱碳；提高压力还可以减少管内压降，可以采用较高的空速。制氢炉的入口压力一般是2～3MPa。
加热炉设计导则
