二合一氯化氫合成爐系統(tǒng)石墨冷卻管設(shè)計(jì)

1、二合一氯化氫合成爐系統(tǒng)石墨冷卻管設(shè)計(jì)24CIMICALENGINEERINGDESIGN化工設(shè)計(jì)2006,16(6)二合一氯化氫合成爐系統(tǒng)石墨冷卻管設(shè)計(jì)熊潔羽王國軍袁德正江蘇技術(shù)師范學(xué)院常州213001摘要提出二合一氯化氫合成爐系統(tǒng)石墨冷卻管的數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)方法,并對該系統(tǒng)采用不同形式的石墨冷卻器所需石墨冷卻管長度與生產(chǎn)能力的關(guān)系進(jìn)行研究,據(jù)此提出優(yōu)化生產(chǎn)的技術(shù)措施.關(guān)鍵詞氯化氫石墨冷卻管設(shè)計(jì)隨著我國離子膜燒堿工業(yè)的發(fā)展,以及醫(yī)藥,食品和樹脂等行業(yè)對高純鹽酸和高純氯化氫需求量的增大和自控,石墨原粉和設(shè)備加工水平的提高,使得二合一氯化氫石墨合成爐系統(tǒng)以耐腐蝕,并能得到高質(zhì)量鹽酸和氯化氫產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)

2、而被氯堿企業(yè)廣泛采用,其生產(chǎn)流程示意見圖l.該工藝在合成爐與冷卻器間設(shè)有水平放置外帶條形水槽的套管式光滑管型石墨冷卻管,其作用是冷卻合成爐出口的氯化氫氣體,使之以較低的設(shè)計(jì)對二合一氯化氫石墨合成爐系統(tǒng)的生產(chǎn)影響甚大.石墨冷卻管太短,為防止過高溫度的合成氣進(jìn)入冷卻器使設(shè)備損壞,就要降低合成爐系統(tǒng)生產(chǎn)能力;石墨冷卻管太長,不僅增加投資,而且由于冷卻管內(nèi)積酸過多會使流體流動阻力增加,致使動力消耗加大J.因此,應(yīng)當(dāng)正確設(shè)計(jì)二合一氯化氫合成爐系統(tǒng)石墨冷卻管.1設(shè)計(jì)【212由于石墨材質(zhì)要求使用溫度<170,否則會出現(xiàn)爆壁現(xiàn)象,所以石墨冷卻管與合成爐連接一體設(shè)置為水平放置外帶條形水槽的冷卻裝置

3、.冷卻水來自石墨冷卻器,與合成氣逆流流動,其結(jié)構(gòu)形式見圖1所示.由于采用套管式光滑管型冷卻裝置,所以在石墨冷卻管設(shè)計(jì)時,環(huán)形側(cè)的對流傳熱系數(shù)采用切(Chen),凱斯(Kays)和威根德(Wiegand)氯氣凝酸圖1氯化氳生產(chǎn)流程示意圖發(fā)表的關(guān)聯(lián)式,而內(nèi)管側(cè)對流傳熱系數(shù)采用迪特斯(Dittus),貝爾特(Boelter),西德爾(Sieder)和塔特(Tate)發(fā)表的關(guān)聯(lián)式,其數(shù)學(xué)模型和計(jì)算步驟如下:(1)根據(jù)熱物料衡算,計(jì)算冷卻水流量:G=(1)式中,G為冷卻水流量,kg/h;q為石墨冷卻管移出熱量,kJ/h;At為冷卻水進(jìn)出口溫差,;C0為冷卻水比熱容,kJ/(kg?).(2)計(jì)算冷卻管內(nèi)管

4、側(cè)對流傳熱系數(shù):o.o23魯()璣().(Re>10000)(2)6去()()(Re<2300)(3)o.o23寶()().(一)(Re=230010000)(4)?熊沽羽:副教授,高級工程師.1982年畢業(yè)于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程專業(yè).一直從事教學(xué),化學(xué)品開發(fā)研究和化學(xué)工程設(shè)計(jì)工作.發(fā)表論文30多篇.聯(lián)系 :(0519)6972249,Email:jztux163.oom.熊潔羽等二合一氯化氫合成爐系統(tǒng)石墨冷卻管設(shè)計(jì)25式中,hi為內(nèi)管側(cè)對流傳熱系數(shù),w/(m-);為合成氣粘度,Pa?s;ui為合成氣的流速,m/s;Pi為合成氣的密度,kg/m3;C口i為合成氣恒

5、壓比熱容,kJ/(kg-);為合成氣導(dǎo)熱系數(shù),w/(m?);di為石墨冷卻管內(nèi)管內(nèi)徑,m;Re為雷諾準(zhǔn)數(shù);Pr為普蘭特準(zhǔn)數(shù).(3)計(jì)算冷卻管環(huán)形側(cè)對流傳熱系數(shù):2().().().'H(魯)(安)()(200<Re<2300o-o23().'.().(Re>loooo)(6)4×(a×b一I)de=d2=4rnrH=式中,ho為環(huán)形側(cè)對流傳熱系數(shù),w/(m2?);也為環(huán)形側(cè)流道的當(dāng)量直徑,m;a為石墨冷卻管條形水槽寬度,m;b為石墨冷卻管條形水槽水深度,m;d1為石墨冷卻管內(nèi)管外徑,m;dz為石墨冷卻管條形水槽當(dāng)量直

6、徑,m;rH為石墨冷卻管條形水槽水力半徑,m;F為石墨冷卻管條形水槽流通截面積,m2;為石墨冷卻管條形水槽潤濕周邊長度,m;Xo為冷卻水導(dǎo)熱系數(shù),w/(m?);uo為冷卻水流速,u/S;90為冷卻水密度,kg/m3;go為冷卻水粘度Pa?s;Re為環(huán)形側(cè)流量的雷諾準(zhǔn)數(shù);P為普蘭特準(zhǔn)數(shù).當(dāng)10000>Re>2300時,采用圖解法計(jì)算h0,見圖2所示.(4)計(jì)算光滑管型石墨冷卻管的總傳熱系數(shù):1=瓦1+十+?毫+去?dll(7)式中,U為總傳熱系數(shù),w/(m2?);為管外側(cè)熱阻,m?/W;Ri為管內(nèi)側(cè)熱阻,m2?AV;8為石墨冷卻管內(nèi)管壁厚,rn;dm為石墨冷卻管內(nèi)管平

7、均直徑,m;入為石墨冷卻管內(nèi)管導(dǎo)熱系數(shù),W/(rn?).(5)計(jì)算光滑管型石墨冷卻管的管長:上l二一|1,蟲出圖2環(huán)形流道過渡流的傳熱系數(shù)L='式中,L為石墨冷卻管長度,m;Q為傳熱速率,w;tm為對數(shù)平均傳熱溫差,.以海拉爾地區(qū)湖鹽為原料電解生產(chǎn)氫氧化鈉,部分氯氣用于生產(chǎn)聚氯乙烯樹脂,其氯化氫裝置設(shè)計(jì)條件如下:(1)生產(chǎn)能力:15kt/a聚氯乙烯,年工作8000h.(2)生產(chǎn)條件:HCI合成氣組成(v%):%,H202.35%;HCl合成氣流量34.59kmol/h;石墨冷卻管合成氣體入口溫度(G);冷卻水入IZl溫度29"C,溫差2E.(3)二合石墨爐系統(tǒng)裝置型號:Ssl

8、廠_900浸沒式水夾套合成爐,F=32m2;YKA?600型圓塊孔式石墨換熱器,F:60m2.(1)冷卻水流量:已知條件:At=2Cp=4.18kJ/(kg?)代入式(1)求解得:(2)內(nèi)管側(cè)對流傳熱系數(shù):CHEMICALENGINEERINGDESIGN化工設(shè)計(jì)2006,16(6)已知條件:(tl十t2)/2=260×10Pa?sui戶j=6.74kg/(m2?s)=1.25kJ/(kg?)×10W/(in?)×10一inRe-68651.41>10000Pr=1.75(0.7<Pr<120)代人式(2)求解得:=14.

9、11w/(m?)(3)環(huán)形側(cè)對流傳熱系數(shù):已知條件:F=0.30m?UoPo=31+34kg/(m2?s)=×10W/(in?)×105Pa?sRe=10568.00>10000代人式(6)求解得:ho=217.38W/(m?)(4)總傳熱系數(shù):已知條件:×10一m?/W×10m2?/W艿=3+8×10m×10一m=110W/(m?)代人式(7)求解得:U=10.24W/(m2?)(5)石墨冷卻管長度:已知條件:代人式(8)求解得:由計(jì)算結(jié)果得知,二合一氯化氫石墨合成爐系統(tǒng)要達(dá)到合成爐設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力,需要套管式光滑管型石墨

10、冷卻管的長度為25.17m.2優(yōu)化措施在設(shè)計(jì)實(shí)例的生產(chǎn)能力及生產(chǎn)條件下,對二合一石墨爐系統(tǒng)氯化氫生產(chǎn)工藝采用不同形式的石墨冷卻器(列管式許用溫度13012;YKA圓塊孔式許用溫度170"C;YKB圓塊孔式許用溫度220"C),并對石墨冷卻管的長度與生產(chǎn)能力的關(guān)系進(jìn)行研究,研究結(jié)果見圖3.碉塊孔式冷擊¨器,.簍l.蕊禺;:L,J.:;I.譽(yù)耐:'.-冷卻管的K度(m)圖3石墨冷卻管長度與生產(chǎn)能力關(guān)系由圖3可知:(I)不同形式的石墨冷卻器對合成氣進(jìn)口溫度的要求是不同的,許用溫度越高,石墨冷卻管出口溫度就可以設(shè)計(jì)得越高,因而在相同石墨冷卻管長度條件下,系統(tǒng)生產(chǎn)能

11、力就越大;反之許用溫度越低,石墨冷卻管出口溫度也要設(shè)計(jì)得越低,因而在相同石墨冷卻管長度條件下,系統(tǒng)生產(chǎn)能力就越小.(2)對于同一型號的石墨冷卻器,系統(tǒng)生產(chǎn)話說,在石墨冷卻管長度不變的情況下通過強(qiáng)化生產(chǎn)能力并不可以無限制地增加,因?yàn)檫€要受到合成爐最大許用壁溫的約束.00OO輻攔罄交餐鬲2006,16(6)熊潔羽等二合一氯化氫合成爐系統(tǒng)石墨冷卻管設(shè)計(jì)27從圖3可知,在石墨冷卻管同樣長度條件下,提高石墨冷卻管出口溫度可以增加系統(tǒng)生產(chǎn)能力,因此應(yīng)當(dāng)選用高許用溫度的YKI3型石墨換熱器作為氯化氫石墨冷卻器.對于同一型號的石墨冷卻器,生產(chǎn)能力隨著石墨冷卻管長度的增加而增加,換句話說增大傳墨冷卻管,在保持冷

12、卻管長度不變的條件下可增加換熱面積,從而可提高系統(tǒng)生產(chǎn)能力.翅片管型分為縱向翅片管型和徑向翅片管型加工而言,縱向翅片管型要優(yōu)于徑向翅片管型.圖4縱向翅片管型結(jié)構(gòu)圖圖5徑向翅片管型結(jié)構(gòu)圖翅片管型石墨冷卻管的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟與上述的光滑管的相同,只是環(huán)形側(cè)對流傳熱系數(shù)及總傳熱系數(shù)的數(shù)學(xué)模型不同.縱向翅片管型套管式石墨冷卻管環(huán)形側(cè)對流傳熱系數(shù)數(shù)學(xué)模型選用Clark關(guān)聯(lián)式:o-o23愛().'()().'¨()/->60000P=(+dz)+2"Hf/"4(20d曲n-d,+2nI-lf+2(a+b)n0=a×b一晉,一徑向翅片管型套管

13、式石墨冷卻管環(huán)形側(cè)對流傳熱系數(shù)數(shù)學(xué)模型選用Knudsen關(guān)聯(lián)式:o.o39().x().'(譬).'1<婆<2G一d=d2一,總傳熱系數(shù)數(shù)學(xué)模型為:吉=+Rso+籌+R?老+古?式中,/3為夾套側(cè)流體的體積膨脹系數(shù),/c;g為重力加速度,m/s2;At為管壁和流體的溫差,;P為兩個縱向翅片之間流道的浸潤邊長,m;d為翅根直徑,m;rl為翅片數(shù);Hl為翅片高,m;ao為流道斷面積,m?;S為翅片間隔,m;G詛x為流道中最大質(zhì)量速度,kg/(m2-s);w為流道中最大質(zhì)量流量,/s;df為翅片外徑,m;為單位長度管外表面面積,m2;Am為單位長度管平均表

14、面面積,m2;為單位長度管內(nèi)表面面積,m2.選用套管式縱向翅片管型石墨冷卻管對設(shè)計(jì)YK13型石墨換熱器作為氯化氫石墨冷卻器,縱向翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)為翅片高70ram,翅片厚度10ram,翅片數(shù)為17,則翅片管型石墨冷卻管的產(chǎn)能力.3結(jié)語提出二合一氯化氫石墨合成爐系統(tǒng)中套管式光滑管型和翅片管型石墨冷卻管數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)方法,并采用不同形式的石墨冷卻器,對二合一氯化氫石墨合成爐系統(tǒng)冷卻管的長度與生產(chǎn)能力的關(guān)系進(jìn)行了研究.研究結(jié)果表明:(1)采用許用溫度較高的石墨換熱器和采用4e:r-設(shè)計(jì)2006,16(6)套管式翅片管型石墨冷卻管,可在氯化氫石墨合成爐設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力范圍內(nèi)有效提高系統(tǒng)的生產(chǎn)能力.(2)石墨

15、冷卻管長度與生產(chǎn)能力關(guān)系的研究,對采用二合一氯化氫石墨合成爐系統(tǒng)的企業(yè)的改進(jìn)有一定的指導(dǎo)意義.參考文獻(xiàn)J.中國氯堿,2000(11):43-452Chen.C.Y.,G.A.Hawkins.andH.L.Solberg.Tram.ASME,vo1.68,pp.99.(1964)3Kays.W.M.andA.L.London."CompactHeatExchang.el""McGrawHILL4Wiegand,J.H.DiscussionofpaperbyMcMillenanddil',cn,TramAichE.vo1.41,PP.147(1945)5Cla

16、rk,L.,andR.E.Winston:Chem.E.Progr.,vo1.51.pp.147(1955)6Knudsen,J.G.,andD.L.Katz:Chem.Eng.Prcgr.vo1.46,PP.490(1950)7姚玉英.化工原理(上冊)M.天津:天津大學(xué)出版社,1999.2422468尾花英朗.熱交換器設(shè)計(jì)手冊(下冊)M.北京:石油工業(yè)出版社,1984.3503659化學(xué)工業(yè)部化學(xué)工程設(shè)計(jì)技術(shù)中心站,化工工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊M.北京:化工部化工設(shè)計(jì)中心,19821O北京石油化工工程公司.氯堿工業(yè)理化常數(shù)手冊M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,198811石油化學(xué)工業(yè)部化工設(shè)計(jì)院.氮肥工

17、藝設(shè)計(jì)手冊M】.北京:石油化學(xué)工業(yè)出版社,197712許志遠(yuǎn).石墨制化工設(shè)備M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20o3(修改回稿20060524)一一.-.一(上接第19頁)(1)將氧化塔上,下兩節(jié)各有8m為空塔,上,下空塔以上為規(guī)整填料,填料高度分別為口中心線距離為1.5m.因此,氫化液和空氣都同時進(jìn)入塔的下部,并流向上,這就造成了塔內(nèi)降解物或空氣帶人的雜質(zhì)都集中在塔下部,就是通常說的氧化殘液,所以各節(jié)塔的下部設(shè)計(jì)為空塔,就不易發(fā)生象完實(shí)際生產(chǎn)中也發(fā)現(xiàn)空氣分布器的均勻分散程度大約在塔內(nèi)8m以內(nèi),再往上空氣就易形成大泡,甚至走短路.所以在設(shè)計(jì)氧化塔時,則選擇8m型不僅解決了完全填料塔下段易堵問題,而且與空塔相比,增加了相界面積和擴(kuò)散速度,抑制了塔內(nèi)軸向返混.8m以下雖為空塔,由于空氣分布器分散程度高,空氣比較均勻分散在液相,使氧化氫濃度比較低,返混現(xiàn)象不嚴(yán)重,故8m以下選擇空塔也是較合理的.加300mm.折流的塊數(shù),上節(jié)塔為5塊,下節(jié)樣.設(shè)置折流板的目的,增加塔內(nèi)氣液混合物的流速,使物流處于湍流和錯流狀態(tài),破壞空氣形成大氣泡和走短路的機(jī)會,達(dá)到氣液二次充分混合的目的.同時兩塊折流板的間距對=j二大塔塔徑而言還是比較小的,形成物流在錯流流動中速度較快,當(dāng)轉(zhuǎn)入軸向流動時,流道截面積又近似塔截面積一半,所以這時的軸向流速與錯流流速幾乎相近,在塔的上部形成了有利于非均相反應(yīng)的最