合成炉的计算部分

合成炉的计算合成炉的计算 合成盐酸的最主要的设备当首推合成炉 合成炉从目前国内外使用的炉型来看 主要 分为两大内 铁制炉和石墨炉 1 铁制炉铁制炉 铁制炉又分为夹套炉 翅片炉和光面炉 因为合成 HCl 是放热反应 所以及时导走反 应热可提高合成炉的生产能力 同等容积的铁制炉其生产能力夹套炉大与翅片炉 翅片炉 大与光面炉 2 石墨炉石墨炉 石墨炉分为二和一石墨炉和三和一石墨炉 所谓二和一石墨炉的将合成和冷却集为一 体的炉子 而三和一石墨合成炉是将合成 冷却 吸收集为一体的炉子 一般的石墨合成炉的立式圆桶形石墨设备 它由炉体 冷却装置 燃烧反应装置 安 全防爆装置 吸收装置 以及物料进出口 视镜等附件组成 石墨合成炉与铁制合成炉比 较 它的优点是耐腐蚀性好 使用寿命长 一般可达 20 年 生产效率高 制成的氯化氢 含铁低等 由于石墨具有优异的导热性 炉内的燃烧反应热能迅速地传到炉壁外由冷却水 带走 因而氯化氢出口温度较低 在进入吸收器前 无需用大量的冷却器冷却 又由于没 有高温炉体的热辐射 改善了操作环境 除此之外 其最突出的优点是耐腐蚀 因而对进 入合成炉的原料氢气和氯气的含水量无特殊要求 当然这仅是对生产普通工业盐酸而言 从电解槽来的氯气个氢气不必经过冷却和干燥处理 可直接送给石墨炉去合成盐酸 这对 于仅有合成盐酸作为耗氯产品的小厂来说可大大简化工艺 减少占地面积 石墨炉的缺点是制造较铁制炉复杂 检修不如铁制炉方便 工艺操作要求严格 一次 投资费用大 运输和安装要仔细 否则容易损坏等 1 二和一石墨合成炉根据冷却方式的不同可以分为 浸没式和喷淋式两种 浸没式合成炉浸没式合成炉 浸没式合成炉的整个石墨炉体完全被一个钢制的冷却水套套住 故称为 水套式 冷却水自水套下部进入 从上部出口排出 操作时水套中充满冷却水 整个石墨 炉体浸没在水中 炉体是圆桶形半透性石墨制成 冷却水可以微渗进炉内 润湿炉内表面 所以炉内温度低 一般不会超过 100 其优点是 a 操作环境好 设备周围没有汽化水雾 不潮湿 b 操作安全可靠 如突然停水 由于炉体浸没在水中 炉壁温度在较长时间内维 持在允许温度之下 而不至于急骤升高损坏设备 c 当生产能力变化时 其适应性较强 d 其 余热可综合利用 如可利用水套中的热水作液氯包装的加热用 喷淋式合成炉喷淋式合成炉 喷淋式合成炉系炉顶盖上装设冷却水分布器 布水器周边有锯齿形溢 流堰 冷却水由炉顶均匀分布到炉子外表面成水膜流下 炉子的中部设有硬聚氯乙烯制的 再分布器 向外飞溅的冷却水重新汇集到炉外壁上 底部有钢衬橡胶的集水槽 为了防止 喷淋下来的冷却水溅出 炉子外围还装有用硬聚氯乙烯制成的敞口式的圆筒形防护罩 它 与集水槽内径相同并联为一体 这种炉型的特点是 a 传热效率高 炉外壁的冷却水膜 由上而下以较高的速度流动 液膜不断更新 强化传热 而且有一部分水被汽化 是相变 化的传热 给热系数大 因而用水量可较浸没式少 b 节省钢材 c 用水量少 但环境不 好 周围潮湿 d 生产操作要求严格 如遇系统停冷却水 必须立即停车 否则炉温急剧 上升 易使炉体烧坏 2 三和一石墨合成炉 将合成 冷却 吸收三个单元操作集为一体 因而结构较二和 一石墨炉更为紧凑 占地面积小 工艺流程短 加上石墨具有优良的耐盐酸腐蚀性 生产 出的盐酸质量高而日益受到广大用户的青睐 根据三和一炉灯头设置位置的不同 其可分 为 A 型和 B 型两大类 A 型三和一石墨炉型三和一石墨炉 A 型的灯头安装在炉的顶部 喷出的火焰方向朝下 合成段为一 圆筒状 有酚醛浸渍的不透性石墨制成 外面有夹套 用冷却水冷却 炉顶有一环行稀酸 从分配槽溢流出 沿内壁往下流 一方面起到冷却炉壁的作用 另一方面与氯化氢接触形 成浓一点的稀酸作为吸收段的吸收剂 与合成段相连的是吸收段 它一般由六块相同的圆块孔式石墨元件组成 轴向孔为吸 收通道 径向孔为吸收通道 为了强化吸收效果 增加流体扰动程度 每个块体的轴向孔 首末端均被加工成喇叭口状 而且在每个块体上表面加工有径向和环形沟槽 经过上面一 段吸收的物料在次重新分配进入下一块体 直至最下边一块块体 最后 未被吸收的氯化 氢经下封头进行气液分离后去尾气塔 成品酸经液封流入成品酸贮槽 防爆膜在下部 B 型三和一石墨炉型三和一石墨炉 B 型炉的特点是灯头在炉体的下部 火焰向上 其合成段也是不 透性石墨圆筒体 其吸收段由在合成段外面呈同心圆布置的若干不透性石墨管所组成 冷 却水在石墨合成段的筒体与外壁之间的石墨管间流动 与氯化氢和盐酸进行热交换 这中 炉型要比 A 型炉粗大的多 防爆膜在炉体上部 国外的三和一石墨炉也有上点火和下点火之分 法国利加本洛兰 LE CARBONE LORRAINE 碳制品公司生产的石墨炉属于上点火型 即 A 型 德国西格里 SIGRI 公 司生产的石墨炉属于下点火型 即 B 型 只不过它的吸收段不是在合成段的外围而是在合 成炉的上方 法国利加本洛兰碳制品公司三和一石墨炉 其单台设计能力日产盐酸从 8t 到 300t 不 等 可见三和一石墨炉在占地面积小 容易实现自动化控制方面有着极大的优越性 通过 二十几年来我过不少厂家的使用 积累了不少经验 炉型和各部分结构也做了很大改进 是值得推广的一中合成盐酸设备 近年来 随着离子膜烧碱在我国的发展以及医药 食品 树脂等行业对高纯盐酸和高 纯氯化氢要求量的增大 在自控 石墨原粉和加工精度水平的提高的基础上 二合一石墨 合成炉系统以其具有耐腐蚀 盐酸和氯化氢产品质量高等优点被国内以及井矿盐或海湖盐 为原料的氯碱企业广泛应用 石墨制氯化氢合成炉根据玲却方式不同分为浸没式和喷淋式两种 由于进膜式合成炉 既有操作环境好 操作安全可靠 生产能力变化是适应性较强及便于综合利用热能的特点 被氯碱厂广泛使用 浸没式石墨合成炉的主体为炉体 它是多节石墨圆筒粘接而成的立式筒形设备 长径 比约为 10 1 12 1 在炉体的最上面一节安装有氯化氢气体出口管 最下面一个筒节的 侧面安装有视镜 供观察燃烧的火焰以判断合成反应情况 合成炉炉体的外面设置冷却水 套 冷却水渍水套下部进入上部出口管排出 操作时水套中充满冷却水 使整个石墨炉体 完全浸泡在水中 在炉底中心留有一接口管 用以安装燃烧器 它是由两根同心的导管粘 结于不透性石墨制的灯头座上构成 内管通氯气 两导管之间的环境空间通氢气 两股气 体在石英灯头处喷出后充分混合燃烧 生成的氯化氢气体沿炉体内壁迅速上升 使合成反 应的生成热通过炉壁被外壁之冷却水带走 考虑到停 开车时炉内的气体没有置换干净 开停车时要往炉内从氮气 或是其他原因造成的氢气和其它气体的混合比达到爆炸范围 时 可能引起爆炸事故 在合成炉的顶部设置有安全防暴装置 根据实际情况 我们小组选取的合成炉为浸没式石墨二合一合成炉 规格 1400 12580 合成炉工艺参数的选取 合成炉工艺参数的选取 因为氯气 氢气进入合成炉的灯头混合燃烧再喷射至炉体 则合成炉灯头温度为合成 气温度最高点 根据护工热力学理论 它的温度可堪称如下路径的道 入炉氯 氢气提在 混合气体温度 t 下发生反应 反应热将合成气温度升高至 t1 该温度也即灯头温度 1 灯头的温度 T 的确定 11 8198 10 mol h HCl G 3 63 2mol h OH G 2 进入合成炉原料气的温度为 35 HCl 92 31 2 94mH molkJ 1 pm C 11 kJmol H2O 241 82 18 00mH molkJ 2 pm C 11 kJmol G合 13 252 kmol h 令 33 82 kmol h 合p G 根据下式可以计算 1 ttCGQ pr 反应热包括 Cl2 H2 HCl 2 1 2 1 H2 O2 H2O 2 1 可根据 Kirchhoff 公式计算 HClr GQ 15 298 1 mH k T pm dtC 15 298 1 OH G 2 15 298 2 mH k T pm dtC 15 298 2 由此有计算灯头温度数学模式 t 1 t 合合p CG r Q 式中 反应热 kJ h r Q 合成气体质量流量 合 G 合成炉灯头温度 1t 合成炉灯头温度 T 进入合成炉温度 35 t 反应生成氯化氢气体的流量 HCl G 反应生成水蒸气的流量 OH G 2 氯化氢合成炉产物与原料摩尔比热熔系数差值 2 94J mol k 1 mH 水蒸气合成炉产物与原料摩尔比热熔系数差值 18 8198J mol k 2 mH 根据以上的公式可以计算 35 1 t 82 332520 13 10 15 29815 273 94 2 31 92 108198 11 3 1 3 t 82 332520 13 10 15 29815 273 t 18 00 241 8263 2 3 1 2319 8121 1 t 冷去水流量的计算冷去水流量的计算 根据能量守恒得 水 水 p Ct q G 式中 合成炉移出的热量 kJ h 即 1094008 043kJ hq 冷却水进出口的温差 5 t 冷却水比热容 4 18KJ Kg 水 p C 冷却水的质量流量 kg h 水 G 则 52344 8823 kg h 水 水 p Ct q G 18 4 5 043 1094008 合成炉对流传热系数合成炉对流传热系数 根据合成炉的结构特点氯气 氢气在合成炉的灯头处混合冉绍斌迅速喷射至炉体 因此选用 Chilton 和 Jebens 关联式作为合成炉炉体内侧对流传热系数数学模型 41 0 63 67 0 1010 36 0 合 合 水 合 合合合 w Pi i i Cud d h 式中 合成炉内对流传热系数 i h 2 CWm 合成炉在定性温度下的导热系数 0 37 合 CWm 合成炉炉体内径 0 8m i d 合成气在路体内的质量流速 0 2534 m2 s 合合 u 合成气在定性温度下的黏度 合 6 59 16 10 a ps 合成气在壁温下的黏度 w 6 59 16 10 a ps 合成气在定性温度下的比热容 1 03 KJ 水p C i h 67 0 6 1016 59 2534 0 8 0 8 0 37 0 36 0 33 0 63 37 0 1016 591018 4 41 0 6 6 1016 59 1016 59 34 0433 2 CWm 5 1 4 合成炉夹套侧对流传热系数 由于合成炉为立式圆筒形设备且长径比较大 夹套侧无相变并且作强制对流传热 故 采用 wiegand 关联式作为夹套侧对流传热系数的数学模型 0 023 o h 45 0 1 24 0 3 8 0 10 d d uC ud d o po o ooe e o 水 式中 合成炉夹套侧对流传热系数 o h 2 CWm 合成炉夹套侧冷却水的导热系数 61 02 10 2 o CWm 合成炉夹套侧流的当量直径 0 34m e d 合成炉夹套侧冷却水的质量流量 160 2301 oo u 2 Skgm 合成炉夹套侧冷却水的黏度 水 u 4 8 62 10 kgm s 合成炉夹套侧冷却水的比热容 4 18 KJ Kg po C 合成炉炉体外径 1 03m 2 d 合成炉夹套内径 1 20m 1 d 0 023 o h 45 0 4 0 2 43 8 0 4 2 93 0 11 1 1002 61 1062 8 1018 4 1062 8 2301 16034 0 34 0 1002 61 629 9710 W m2 5 1 4 合成炉换热面积 合成炉换热面积数学模型为 其中 111 0 0 12 1 2 111 ln m ss i miii m Q S Ut dddb RR Uhddhd tt t t t 式中 Q 传热速率 303891 1231 w 3600 10000430 1094008 U 总传热系数 w m2 平均对数温差 m t C S 合成炉换热面积 2 m 合成炉夹套侧面积 so R81 33 5 10 合成炉炉体内壁侧热阻 si R 5 1069 16 合成炉炉体外径 0 93m 1 d 合成炉炉体对数平均直径 1 0173m m d 炉体材料导热系数 110 合成炉体壁厚 0 065mb 低温流体侧温差 2319 8121 25 2294 8121 1 t C 高温流体侧温差 450 30 420 2 t C 1104 0000 420 8121 2294 ln 4208121 2294 m t 8 0 93 0 0433 34 1 8 0 93 0 1069 16 110 065 0 0173 1 93 0 1081 33 9701 629 11 55 U 0 032006 U 1 8 8101 m tU Q S 2 m 5 1 5合成炉的燃烧容积 选取合适的燃烧容积是保证炉内氯气和氢气混合成燃烧状态良好 火焰垂直向v 上无散射 无偏烧 操作稳定的先决条件 1 2359h D V 2 2 5072 3 2 065 0 28 0 14 3 2 2 m 式中 合成炉的燃烧容积 v