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催化裂化裝置煙氣水封罐設計

文檔作者：呂豐財張新國文檔來源：中國石油工程建設公司華東設計分公司		點擊數：	更新時間： 2021年02月16日
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文章編號：１ ０００７４６ ６（２０ １ ６）０ ３００８８０４　　
催化裂化裝置煙氣水封罐設計
呂豐財，張新國
（中國石油工程建設公司華東設計分公司，山東青島?。?６ ６０７ １ ）
摘要：水封罐是催化裂化裝置能量回收系統重要的輔助設備，主要作用是有效阻斷煙道中的煙氣。
設計合理的水封罐不僅能較好地起到密封及安全防護作用，而且投資省、壓降小。介紹了煙氣能量
回收系統流程中較典型水封罐的工作原理，分析了水封罐主要結構尺寸的確定方法，對水封罐的選
材、制造、檢驗要求以及注意事項進行了詳細說明，對水封罐的設計具有指導意義。
關鍵詞：水封罐；催化裂化裝置；能量回收；設計
中圖分類號：ＴＱ０５ ３ ．２ ；ＴＥ９ ６ ９ 　文獻標志碼：Ｂ　doi：１ ０．３９６９／ｊ ．ｉｓｓｎ．１０００７４６６．２０１ ６．０３．０２０
Design of Flue Gas Water Seal Tank in Fluid Catalytic Cracking Unit
LÜ Feng-cai，ZHANG Xin-guo
（ＣＰＥＣＣ ＥａｓｔＣｈｉｎａ Ｄｅｓｉｇｎ Ｂｒａｎｃｈ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２ ６ ６０７ １ ，Ｃｈｉｎａ）
Abstract：Ｗａｔｅｒ ｓｅａｌ ｔａｎｋ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｎ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｆｌｕｉｄ
ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｕｎｉｔ，ｉｔｓ ｍａｉｎ ａｃｔｉｏｎ ｉｓ ｔｏ ｂｌｏｃｋ ｆｌｕｅ ｇａｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａ ｒａｔｉｏｎａｌ ｗａｔｅｒ ｓｅａｌ ｔａｎｋ
ｗｉｌｌ ｈａｖｅ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓｅａｌｉｎｇ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｌｅｓｓ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｌｏｗ ｐｒｅｓ
ｓｕｒｅ ｄｒｏｐ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｂｅｇｉｎｓ ｆｒｏｍ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗｓｈｅｅｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ，ｔａｋｅｓ ａ
ｔｙｐｉｃａｌ ｗａｔｅｒ ｓｅａｌ ｔａｎｋ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗｓｈｅｅｔ ｄｉａｇｒａｍ ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａ
ｂｏｕｔ ｗａｔｅｒ ｓｅａｌ ｔａｎｋ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｈｏｗ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｓｅａｌ
ｔａｎｋ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａｎｄ ｓｏｍｅ ｃｏｎ
ｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｔ ｂａｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ，ｌｅａｄｓ ｉｎｔｏ ｓｏｍｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ａｂｏｕｔ ｍａｎｕ
ｆａｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｕｓｉｎｇ，ｉｔ ｃａｎ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｓｅａｌ ｔａｎｋ．
Key words：ｗａｔｅｒ ｓｅａｌ ｔａｎｋ；ｆｌｕｉｄ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｕｎｉｔ；ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ；ｄｅｓｉｇｎ
　　水封罐是催化裂化裝置能量回收系統中重要
的輔助設備之一，一般位于煙氣輪機煙氣出口處和
余熱鍋爐的煙氣入口處及其旁路的煙道上，主要作
用是有效阻斷煙道中的煙氣。設計合理的水封罐不
僅能較好地起到密封及安全防護作用，而且投資省、
壓降小。
煙氣能量回收系統流程圖見圖１ ，水封罐結構
示意圖見圖２ 。水封罐安裝的位置不同，在裝置正
常運行時所起的作用也有所不同，但其原理及設計
方法均相差無幾。筆者以圖１ 中水封罐１ 為例說明
水封罐的設計方法。
圖１ 　煙氣能量回收系統流程圖
1 　水封罐工作原理
水封罐主要由筒體和入口內伸管形成的大水封
　第４５ 卷　第３ 期　　　　　　　　　　　　　石　油　化　工　設　備　　　　　　　　　　　　　?。郑铮欤矗??。危铮?　
　２０ １ ６ 年５ 月　　　　　　　　　　　　?。校牛裕遥溪玻茫龋牛停桑茫粒?ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ　　　　　　　　　　　　　?。停幔?２０ １ ６ 　
　收稿日期：２０ １ ５１ ２０ １
　作者簡介：呂豐財（１ ９ ８０），男，山東平度人，工程師，學士，現從事石油化工非標設備的設計工作。
圖２ 　水封罐結構示圖
及一側的小水封構成。當需要煙氣通過水封罐（即
導通作用）時，煙氣從入口進入水封罐，直導入筒體
下部，再經入口內伸管與筒體間的夾套折返，最后從
出口流出，這時水封罐內沒有注水。當需要水封罐
阻斷煙氣（即阻斷作用）時，水封罐內注水，這樣會在
水封罐入口管及夾套內形成一個液面。在外部煙氣
壓力壓縮下，夾套內的液位會下降，而入口管內的液
位會上升，從而形成一個液位差。當外部煙氣壓力
不大于該液位差形成的壓差時，煙氣被阻斷［１ ］。
側面的小水封起溢流及密封作用。小水封充水
后，會在小水封入口和出口間形成一個恒定的壓差，
使大水封內的煙氣不外泄。小水封與外界連通，為
防止煙氣外泄，小水封筒體內需始終注滿水。
2　水封罐結構參數選取
水封罐大小水封的作用及特性不同，要兼顧其
特點選取各自尺寸。水封罐尺寸及管口見圖３ 。圖
中d １ 為煙氣進口內徑，d ２ 為小水封內伸管內徑，D １
為大水封筒體內徑，D ２ 為小水封筒體內徑，L 為大
水封筒體高度，L １ 為煙氣進口下邊緣至筒體底板的
距離，L ２ 為煙氣進口下邊緣至煙氣出口下邊緣距
離，L ３ 為煙氣進口下邊緣至大水封水溢流口下邊緣
距離，L ４ 為小水封內伸管下邊緣至小水封水溢流口
下邊緣距離，ｍｍ；Ｓ 為煙氣進口截面積，Ｓ １ 為夾套
截面積，ｍｍ２ 。
2．1 　大水封尺寸
2．1 ．1 　盡量減小水封罐壓降
煙氣進、出口的直徑根據工藝參數確定，安裝位
置根據煙道的布置確定，大水封罐筒體直徑D １ 與
１ ．煙氣進口?。?．煙氣出口?。?．人孔?。矗笏馑肟?
５ ．小水封水入口?。?．小水封水溢流口　７ ．大水封水溢流口
圖３ 　水封罐尺寸及管口簡圖
高度L 可由大水封的功能來確定。水封罐起導通
作用時，筒體內沒有水，煙氣從入口進入筒體后，經
下伸的管道與筒體的夾套折返，然后從出口流出。
煙氣在筒體內折返產生的壓降，會比在等長直管道
內產生的壓降大得多。大的壓降會直接影響煙機的
工作效率，因此，降低水封罐壓降至關重要［２］。
保證煙氣不受阻的最低條件是夾套截面積Ｓ １
不小于煙氣進口截面積Ｓ ：
d １
２π／４≤（D １
２ －d １
２ ）π／４
整理后得： D １ ≥槡２ d １ （１ ）
在工程應用中，D １ 取大值會有效減小煙氣壓
降，但增大筒體直徑會增加鋼材及襯里的消耗，從而
增大設備的整體造價，同時也會增大設備的場地面
積占用量及地基的投入。
由于煙氣在L １ 的范圍內進行１ ８０°的折返，所
以直徑為d １ 、長度為L １ 的圓柱體外表面積Ｓ ２ 應不
小于煙氣進口截面積Ｓ ：
d １
２π／４≤Ｓ ２ ＝d １πL １
整理后得： L １ ≥d １／４ （２ ）
理論上煙氣進口下邊緣至煙氣出口下邊緣距離
L ２ 越小越好，但因結構的需要，L ２ 需大于L ３ 。當
L ３ 確定之后，L ２ 在滿足制造需要的條件下取最小
值即可。
　第 ３ 期　　　　　　　　　　　 　　呂豐財，等：催化裂化裝置煙氣水封罐設計 · ８９ ·
2．1 ．2　滿足大水封產生足夠的液位差
水封罐起阻斷作用時，水從大水封水入口進入
筒體。當水位超過大水封水溢流口高度時，水就經
大水封水溢流口溢出，此時停止注水并保持筒體內
液位不變。如果煙氣出口外部管道中的壓力大于進
口壓力，夾套中的水會被壓入煙氣入口的內管中，導
致夾套內液位下降，煙氣入口中液位上升，這樣會在
筒體內和煙氣入口之間形成一個液位差ΔL （圖４）。
設正常情況下管道中產生的最大壓力p ＝ρ水gΔL ，
則ΔL ＝p／（ρ水g ）。
圖４　水封罐內液位變化示圖
流出夾套的水和進入煙氣入口的水是等量的，
因此有：
（D １
２ －d １
２ ）πΔL １／４＝d １
２πΔL ２／４
ΔL １ ＋ΔL ２ ＝ΔL ＝p／（ρ水g ｛ ）
整理后得： ΔL １ ＝
pd １
２
ρ水gD １
２
由于大水封水溢流口的溢流作用，夾套內液位
下降的最大值即L ３ 值，故有ΔL １ ≤L ３ ，通常L ３ ?。?
L ３ ＝ΔL １ ＋１ ００＝
pd １
２
ρ水gD １
２ ＋０．１ ｍ （３）
為減小水封罐的壓降，L ３ 應盡量取小值，L ３ 越
小，即L ２ 越小，則實際的壓降就會越小。
由式（１ ）～式（３ ）可明確大水封主要部位尺寸的
理論關系，但實際上越保守的設計越會導致成本加
大。工程應用中，一般取Ｓ １ （或Ｓ ２ ）＝（１ ．５ ～２ ）Ｓ ，
在條件允許下，取的系數越大越好。
2．2　小水封尺寸
由于小水封罐的密封作用，不管水封罐是起導
通作用還是阻斷作用，小水封罐的筒體內需始終充
滿水，且液位不低于小水封溢流口溢流所決定的高
度，即小水封內始終有一個固定的液位差L ４ 。
當水封罐起導通作用時，設大水封筒體內煙氣
的壓力為p １ ，為防止煙氣從大水封水溢流口中外
泄，小水封中由液位差形成的壓差應大于p １ ，即
ρ水gL ４ ＞p １ ，整理后得：
L ４ ＞p １／（ρ水g ） （４ ）
當水封罐起阻斷作用時，此時煙道中的最大壓
力為p ，有：
L ４ ＞ΔL ＝p／（ρ水g ） （５ ）
工程設計時，L ４ 可按p １／（ρ水g ）與p／（ρ水g ）二者
中較大值加０．５ ｍ 選取。
確定小水封筒體直徑時，只要保證圓環(huán)截面積
不小于內管截面積即可：
d ２
２π／４≤（D ２
２ －d ２
２π）／４
整理后得： D ２ ≥槡２ d ２ （６ ）
通過式（１ ）～ 式（６ ）可確定水封罐主要結構尺
寸，工程運用中可根據實際情況適當進行保守設計。
3　水封罐材料
催化煙氣溫度較高，一般在６００～７００ ℃。水封
罐殼體一般采用冷壁結構，內襯隔熱耐磨襯里，正常
情況下殼體最高溫度不會超過１ ５０ ℃，殼體的設計
溫度一般與沉降器、再生器一樣取３ ５０ ℃［２，３］。水
封罐工作壓力為常壓，由于其與煙囪直接連通，設計
壓力取常壓即可［４］?？砂凑眨危拢?４７００３ ．１ —２００９
《鋼制焊接常壓容器》［５ ］進行水封罐設計。
水封罐外殼體材質可選用Ｑ２ ３ ５Ｂ 或Ｑ２４５Ｒ 鋼
板（均為熱軋）［６］，材料標準為ＧＢ／Ｔ ３ ２ ７４—２００７
《碳素結構鋼和低合金結構鋼熱軋厚鋼板和鋼
帶》［７］或者ＧＢ ７ １ ３ —２０ １ ４ 《鍋爐和壓力容器用鋼
板》［８］。水封罐有套筒部分內部襯里選用隔熱襯里，
其它部分選用帶龜甲網的隔熱耐磨雙層襯里，襯里
均按ＧＢ ５０４７４—２００８ 《隔熱耐磨襯里技術規(guī)范》［９］
實行。因介質溫度較高，水封罐的內件材料選用
Ｓ３０４０８。
正常情況下小水封始終處于注水狀態(tài)，并且煙
氣不會流到小水封內，所以小水封部分的溫度不會
太高。以大水封水溢流口與小水封的連接法蘭為
界，小水封筒體及內伸管選用２０ 管材，材料標準為
ＧＢ／Ｔ ８ １ ６ ３ —２００８《輸送流體用無縫鋼管》［１ ０］。
4　設計注意事項
當水封罐起密封作用時，其筒體內需注水，水位
高度即為大水封水溢流口的溢流高度。由于采用冷
壁設計，為避免襯里長時間浸水失效，需在水高范圍
內加一厚度為８ ｍｍ 的內襯筒，襯筒與筒體外殼間
襯１ ００ ｍｍ 的隔熱襯里，內襯筒材料為Ｓ３０４０８，材
· ９０ · 　　　　　　　　　　　　石　油　化　工　設　備　　 　　　　　　　　　?。玻埃?６ 年　第 ４５ 卷　
料標準為ＧＢ／Ｔ ４２ ３ ７ —２００７ 《不銹鋼熱軋鋼板和鋼
帶》［１ １ ］。水封罐筒體內不接觸水部分襯１ ００ ｍｍ 隔
熱耐磨雙層襯里即可。
內襯筒上部與雙層襯里交界處應設一圓環(huán)形襯
里擋板，襯里擋板的作用除固定上部的龜甲網外，還
起穩(wěn)定內襯筒使之不發(fā)生歪斜的作用。
由于內襯筒直接接觸高溫煙氣，徑向熱膨脹量
大，因此在內襯筒外側與襯里之間設一適宜厚度的
陶纖氈層，用以緩沖熱膨脹引起的形變。
設備施工完畢后，內襯筒部分的襯里就處于一
個較封閉的空間內，為了烘襯時該空間內結晶水的
脫出，需在殼體上鉆１ ～２ 排１ ０ ｍｍ 的泄氣孔。
5　制造檢驗要求
水封罐按常壓罐設計，其外殼體Ａ、Ｂ 類焊接接
頭進行１ ０％射線檢測，按ＪＢ／Ｔ ４７ ３０．２ —２００５《承壓
設備無損檢測第２ 部分：射線檢測》［１ ２］中ＩＩＩ 級合
格驗收。對內襯筒進行１ ００％ 的滲透檢測，按照
ＪＢ／Ｔ ４７ ３０．５ —２００５《承壓設備無損檢測第５ 部分：
滲透檢測》［１ ３］中Ｉ 級合格驗收。
水封罐隔熱耐磨襯里的施工及驗收還應分別滿
足ＳＨ／Ｔ ３ ６０９ —２０ １ １ 《石油化工隔熱耐磨襯里施工
技術規(guī)程》［１ ４］和ＳＨ／Ｔ ３ ５０４—２０ １ ４ 《石油化工隔熱
耐磨襯里設備和管道施工質量驗收規(guī)范》［１５ ］。
6　結語
水封罐是煙氣能量回收系統中較重要的輔助設
備之一，文中分析了水封罐主要結構尺寸的確定方
法，對水封罐的選材、制造、檢驗要求以及注意事項
進行了詳細說明。設計水封罐時應首先從原理上理
清各部分的相互關系及所起的作用，設計過程中除
應符合上述理論關系外，還應根據實際情況，結合以
往現場的使用經驗和現有條件確定各部分參數?？?
學合理的設計，不但能使水封罐比閥門更安全、有效
地阻斷煙氣，還能降低整體投資，并將管路壓降控制
在一個合理的范圍之內。
參考文獻：
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２０ １ ０：１ １ ９１ ２０．）
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Ｓｔｅｅｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖｅｓｓｅｌｓ［Ｓ］．）
［５
］　ＮＢ／Ｔ ４７００３ ．１ —２００ ９ ，鋼制焊接常壓容器［Ｓ］．
（ＮＢ／Ｔ ４７００３ ．１ —２００ ９ ，Ｓｔｅｅｌ Ｗｅｌｄｅｄ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ
Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌｓ［Ｓ］．）
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ｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔｅｅｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖｅｓｓｅｌｓ［Ｓ］．）
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Ｂ／Ｔ ４７ ３０．５ —２００５ ，Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ Ｐｒｅｓ
ｓｕｒｅ ＥｑｕｉｐｍｅｎｔｓＰａｒｔ ５ ：Ｐｅｎｅｔｒａｎｔ Ｔｅｓｔｉｎｇ［Ｓ］．）
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４］ＳＨ／Ｔ ３ ６０ ９ —２０ １ １ ，石油化工隔熱耐磨襯里施工技術
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（ＳＨ／Ｔ ３ ６０ ９ —２０ １ １ ，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｈｅａｔ
ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ａｎｄ Ｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｔ Ｌｉｎｉｎｇｓ ｉｎ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｉｎｄｕｓｔｒｙ［Ｓ］．）
［１
５］ＳＨ／Ｔ ３ ５０４—２０ １ ４，石油化工隔熱耐磨襯里設備和管
道施工質量驗收規(guī)范［Ｓ］．
（ＳＨ／Ｔ ３ ５０４—２０ １ ４，Ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｃｏｎ
ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｐｉｐｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｔｈｅｒ
ｍａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ａｎｄ Ａｂｒａｓｉｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ Ｌｉｎ
ｉｎｇ ｉｎ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ［Ｓ］．）
（張編）
　第 ３ 期　　　　　　　　　　　 　　呂豐財，等：催化裂化裝置煙氣水封罐設計 · ９１ ·

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