二合一氯化氢合成炉系统石墨冷却管设计

1、二合一氯化氢合成炉系统石墨冷却管设计24CIMICALENGINEERINGDESIGN化工设计2006,16(6)二合一氯化氢合成炉系统石墨冷却管设计熊洁羽王国军袁德正江苏技术师范学院常州213001摘要提出二合一氯化氢合成炉系统石墨冷却管的数学模型和设计方法,并对该系统采用不同形式的石墨冷却器所需石墨冷却管长度与生产能力的关系进行研究,据此提出优化生产的技术措施.关键词氯化氢石墨冷却管设计随着我国离子膜烧碱工业的发展,以及医药,食品和树脂等行业对高纯盐酸和高纯氯化氢需求量的增大和自控,石墨原粉和设备加工水平的提高,使得二合一氯化氢石墨合成炉系统以耐腐蚀,并能得到高质量盐酸和氯化氢产品等优点

2、而被氯碱企业广泛采用,其生产流程示意见图l.该工艺在合成炉与冷却器间设有水平放置外带条形水槽的套管式光滑管型石墨冷却管,其作用是冷却合成炉出口的氯化氢气体,使之以较低的设计对二合一氯化氢石墨合成炉系统的生产影响甚大.石墨冷却管太短,为防止过高温度的合成气进入冷却器使设备损坏,就要降低合成炉系统生产能力;石墨冷却管太长,不仅增加投资,而且由于冷却管内积酸过多会使流体流动阻力增加,致使动力消耗加大J.因此,应当正确设计二合一氯化氢合成炉系统石墨冷却管.1设计【212由于石墨材质要求使用温度<170,否则会出现爆壁现象,所以石墨冷却管与合成炉连接一体设置为水平放置外带条形水槽的冷却装置

3、.冷却水来自石墨冷却器,与合成气逆流流动,其结构形式见图1所示.由于采用套管式光滑管型冷却装置,所以在石墨冷却管设计时,环形侧的对流传热系数采用切(Chen),凯斯(Kays)和威根德(Wiegand)氯气凝酸图1氯化氲生产流程示意图发表的关联式,而内管侧对流传热系数采用迪特斯(Dittus),贝尔特(Boelter),西德尔(Sieder)和塔特(Tate)发表的关联式,其数学模型和计算步骤如下:(1)根据热物料衡算,计算冷却水流量:G=(1)式中,G为冷却水流量,kg/h;q为石墨冷却管移出热量,kJ/h;At为冷却水进出口温差,;C0为冷却水比热容,kJ/(kg?).(2)计算冷却管内管

4、侧对流传热系数:o.o23鲁()玑().(Re>10000)(2)6去()()(Re<2300)(3)o.o23宝()().(一)(Re=230010000)(4)?熊沽羽:副教授,高级工程师.1982年毕业于内蒙古工业大学化学工程专业.一直从事教学,化学品开发研究和化学工程设计工作.发表论文30多篇.联系 :(0519)6972249,Email:jztux163.oom.熊洁羽等二合一氯化氢合成炉系统石墨冷却管设计25式中,hi为内管侧对流传热系数,w/(m-);为合成气粘度,Pa?s;ui为合成气的流速,m/s;Pi为合成气的密度,kg/m3;C口i为合成气恒

5、压比热容,kJ/(kg-);为合成气导热系数,w/(m?);di为石墨冷却管内管内径,m;Re为雷诺准数;Pr为普兰特准数.(3)计算冷却管环形侧对流传热系数:2().().().'H(鲁)(安)()(200<Re<2300o-o23().'.().(Re>loooo)(6)4×(a×b一I)de=d2=4rnrH=式中,ho为环形侧对流传热系数,w/(m2?);也为环形侧流道的当量直径,m;a为石墨冷却管条形水槽宽度,m;b为石墨冷却管条形水槽水深度,m;d1为石墨冷却管内管外径,m;dz为石墨冷却管条形水槽当量直

6、径,m;rH为石墨冷却管条形水槽水力半径,m;F为石墨冷却管条形水槽流通截面积,m2;为石墨冷却管条形水槽润湿周边长度,m;Xo为冷却水导热系数,w/(m?);uo为冷却水流速,u/S;90为冷却水密度,kg/m3;go为冷却水粘度Pa?s;Re为环形侧流量的雷诺准数;P为普兰特准数.当10000>Re>2300时,采用图解法计算h0,见图2所示.(4)计算光滑管型石墨冷却管的总传热系数:1=瓦1+十+?毫+去?dll(7)式中,U为总传热系数,w/(m2?);为管外侧热阻,m?/W;Ri为管内侧热阻,m2?AV;8为石墨冷却管内管壁厚,rn;dm为石墨冷却管内管平

7、均直径,m;入为石墨冷却管内管导热系数,W/(rn?).(5)计算光滑管型石墨冷却管的管长:上l二一|1,虫出图2环形流道过渡流的传热系数L='式中,L为石墨冷却管长度,m;Q为传热速率,w;tm为对数平均传热温差,.以海拉尔地区湖盐为原料电解生产氢氧化钠,部分氯气用于生产聚氯乙烯树脂,其氯化氢装置设计条件如下:(1)生产能力:15kt/a聚氯乙烯,年工作8000h.(2)生产条件:HCI合成气组成(v%):%,H202.35%;HCl合成气流量34.59kmol/h;石墨冷却管合成气体入口温度(G);冷却水入IZl温度29"C,温差2E.(3)二合石墨炉系统装置型号:Ssl

8、厂_900浸没式水夹套合成炉,F=32m2;YKA?600型圆块孔式石墨换热器,F:60m2.(1)冷却水流量:已知条件:At=2Cp=4.18kJ/(kg?)代入式(1)求解得:(2)内管侧对流传热系数:CHEMICALENGINEERINGDESIGN化工设计2006,16(6)已知条件:(tl十t2)/2=260×10Pa?sui户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)环形侧对流传热系数:已知条件: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)总传热系数:已知条件:×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)石墨冷却管长度:已知条件:代人式(8)求解得:由计算结果得知,二合一氯化氢石墨合成炉系统要达到合成炉设计生产能力,需要套管式光滑管型石墨

10、冷却管的长度为25.17m.2优化措施在设计实例的生产能力及生产条件下,对二合一石墨炉系统氯化氢生产工艺采用不同形式的石墨冷却器(列管式许用温度13012;YKA圆块孔式许用温度170"C;YKB圆块孔式许用温度220"C),并对石墨冷却管的长度与生产能力的关系进行研究,研究结果见图3.碉块孔式冷击¨器,.篓l.蕊禺;:L,J.:;I.誉耐:'.-冷却管的K度(m)图3石墨冷却管长度与生产能力关系由图3可知:(I)不同形式的石墨冷却器对合成气进口温度的要求是不同的,许用温度越高,石墨冷却管出口温度就可以设计得越高,因而在相同石墨冷却管长度条件下,系统生产能

11、力就越大;反之许用温度越低,石墨冷却管出口温度也要设计得越低,因而在相同石墨冷却管长度条件下,系统生产能力就越小.(2)对于同一型号的石墨冷却器,系统生产话说,在石墨冷却管长度不变的情况下通过强化生产能力并不可以无限制地增加,因为还要受到合成炉最大许用壁温的约束.00OO辐拦罄交餐鬲2006,16(6)熊洁羽等二合一氯化氢合成炉系统石墨冷却管设计27从图3可知,在石墨冷却管同样长度条件下,提高石墨冷却管出口温度可以增加系统生产能力,因此应当选用高许用温度的YKI3型石墨换热器作为氯化氢石墨冷却器.对于同一型号的石墨冷却器,生产能力随着石墨冷却管长度的增加而增加,换句话说增大传墨冷却管,在保持冷

12、却管长度不变的条件下可增加换热面积,从而可提高系统生产能力.翅片管型分为纵向翅片管型和径向翅片管型加工而言,纵向翅片管型要优于径向翅片管型.图4纵向翅片管型结构图图5径向翅片管型结构图翅片管型石墨冷却管的设计计算步骤与上述的光滑管的相同,只是环形侧对流传热系数及总传热系数的数学模型不同.纵向翅片管型套管式石墨冷却管环形侧对流传热系数数学模型选用Clark关联式:o-o23爱().'()().'¨()/->60000P=(+dz)+2"Hf/"4(20d曲n-d,+2nI-lf+2(a+b)n0=a×b一晋,一径向翅片管型套管

13、式石墨冷却管环形侧对流传热系数数学模型选用Knudsen关联式:o.o39().x().'(譬).'1<婆<2G一d=d2一,总传热系数数学模型为:吉=+Rso+筹+R?老+古?式中,/3为夹套侧流体的体积膨胀系数,/c;g为重力加速度,m/s2;At为管壁和流体的温差,;P为两个纵向翅片之间流道的浸润边长,m;d为翅根直径,m;rl为翅片数;Hl为翅片高,m;ao为流道断面积,m?;S为翅片间隔,m;G诅x为流道中最大质量速度,kg/(m2-s);w为流道中最大质量流量,/s;df为翅片外径,m;为单位长度管外表面面积,m2;Am为单位长度管平均表

14、面面积,m2;为单位长度管内表面面积,m2.选用套管式纵向翅片管型石墨冷却管对设计YK13型石墨换热器作为氯化氢石墨冷却器,纵向翅片管结构参数为翅片高70ram,翅片厚度10ram,翅片数为17,则翅片管型石墨冷却管的产能力.3结语提出二合一氯化氢石墨合成炉系统中套管式光滑管型和翅片管型石墨冷却管数学模型和设计方法,并采用不同形式的石墨冷却器,对二合一氯化氢石墨合成炉系统冷却管的长度与生产能力的关系进行了研究.研究结果表明:(1)采用许用温度较高的石墨换热器和采用4e:r-设计2006,16(6)套管式翅片管型石墨冷却管,可在氯化氢石墨合成炉设计生产能力范围内有效提高系统的生产能力.(2)石墨

15、冷却管长度与生产能力关系的研究,对采用二合一氯化氢石墨合成炉系统的企业的改进有一定的指导意义.参考文献J.中国氯碱,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(上册)M.天津:天津大学出版社,1999.2422468尾花英朗.热交换器设计手册(下册)M.北京:石油工业出版社,1984.3503659化学工业部化学工程设计技术中心站,化工工艺设计基础数据手册M.北京:化工部化工设计中心,19821O北京石油化工工程公司.氯碱工业理化常数手册M.北京:化学工业出版社,198811石油化学工业部化工设计院.氮肥工

17、艺设计手册M】.北京:石油化学工业出版社,197712许志远.石墨制化工设备M.北京:化学工业出版社,20o3(修改回稿20060524)一一.-.一(上接第19页)(1)将氧化塔上,下两节各有8m为空塔,上,下空塔以上为规整填料,填料高度分别为口中心线距离为1.5m.因此,氢化液和空气都同时进入塔的下部,并流向上,这就造成了塔内降解物或空气带人的杂质都集中在塔下部,就是通常说的氧化残液,所以各节塔的下部设计为空塔,就不易发生象完实际生产中也发现空气分布器的均匀分散程度大约在塔内8m以内,再往上空气就易形成大泡,甚至走短路.所以在设计氧化塔时,则选择8m型不仅解决了完全填料塔下段易堵问题,而且与空塔相比,增加了相界面积和扩散速度,抑制了塔内轴向返混.8m以下虽为空塔,由于空气分布器分散程度高,空气比较均匀分散在液相,使氧化氢浓度比较低,返混现象不严重,故8m以下选择空塔也是较合理的.加300mm.折流的块数,上节塔为5块,下节样.设置折流板的目的,增加塔内气液混合物的流速,使物流处于湍流和错流状态,破坏空气形成大气泡和走短路的机会,达到气液二次充分混合的目的.同时两块折流板的间距对=j二大塔塔径而言还是比较小的,形成物流在错流流动中速度较快,当转入轴向流动时,流道截面积又近似塔截面积一半,所以这时的轴向流速与错流流速几乎相近,在塔的上部形成了有利于非均相反应的最