二合一氯化氢石墨合成炉系统设备的优化设置_熊洁羽
二合一氯化氢石墨合成炉系统设备的
优化设置
熊洁羽1,王国军1,马海燕2
(1.江苏技术师范学院化学化工系,江苏常州213001;2.上海工程化学设计院,上海200235)
摘要:氯化氢生产设计中缺少对二合一氯化氢石墨合成炉系统的整体优化设置,通过冷却器形式和系统生产能力的关系研究,确定石墨冷却器采用YK B 型圆块孔式石墨冷却器,石墨冷却管采用纵向翅片管型套管式石墨冷却管。研究了该系统设备的设计方法,该优化设计方法在内蒙古三联化工股份有限公司试验,经生产检验结果表明,该优化设计合理,操作稳定,系统生产能力可提高25%～30%。
关键词:石墨合成炉;氯化氢;冷却管;冷却器;设备优化中图分类号:T Q054
文献标识码:A
文章编号:0253-4320(2006)05-0057-04
Optimization design 2aside in tw o 2appulse 2one hydrogen chloride graphite
synthetic furnace system
XIONG Jie 2yu 1,WANG Guo 2jun 1,MA Hai 2yan 2
(1.Department of Chemistry and Chemical Engineering ,Jiangsu T eachers C ollege of T echnology ,Changzhou 213001,China ;
2.Shanghai Chemical Engineering Incorporation ,Shanghai 200235,China )
Abstract :The hydrogen chloride producing design needed the whole optimization design 2aside of tw o 2appulse 2one hydrogen chloride graphite synthetic furnace system.With the analysis on the relation of different types of chillers and the productive forces ,the YK B round pass graphite chiller ,endwise wing drivepipe graphite cooling pipe and equipment design methods for graphite chiller m odality were adopted.The production practice in San 2Lian Chemical Industry Incorporated C om pany has proven that the design method is reas onable ,the operation is stable ,the system productive forces increased by 25%～30%.
K ey w ords :graphite synthetic furnace ;hydrogen chloride ;cooling pipe ;chiller ;equipment optimization
收稿日期:2006-02-06;修回日期:2006-03-20
作者简介:熊洁羽(1957-),女,大学,副教授,现从事教学、化学品开发研究和化学工程设计工作,0519-*******,jstux @https://www.wendangku.net/doc/fe2558820.html, 。
以海湖盐或井矿盐为原料生产盐酸及聚氯乙烯的氯碱厂,原料气氯化氢的制取均采用合成法,即氯气和氢气分别经管道进入合成炉灯头混合、燃烧生成氯化氢,灯头处氯化氢气体温度高达2500℃左右。由于水吸收氯化氢制盐酸需要在低温下进行,生产聚氯乙烯树脂也需在低温条件下,氯化氢和乙炔混合脱水后再进行聚氯乙烯反应,因此合成的高温氯化氢气体需通过三级冷却至40℃左右,然后送至盐酸的吸收系统或氯乙烯系统。
多年来我国合成氯化氢装置一直采用钢制水夹套合成炉、钢制空气冷却管和石墨冷却器,虽然该合成炉制造加工方便、传热效率高且成本低,但由于操作不当等因素,合成炉局部常发生高温腐蚀或低温氢去极化腐蚀,造成氯化氢气体中Fe 2+、Fe 3+浓度偏高,不能满足高纯度盐酸生产和高品质聚氯乙烯树脂产品制备的要求。所以开发出新型的氯化氢合
成炉系统并研究其性能是目前急需解决的问题。
1 合成炉介绍
近年来随着经济的迅速发展,对高纯度盐酸和
高品质聚氯乙烯树脂需求加大,
我国开发了新型石
1—石墨合成炉;2—石墨冷却管;3—石墨冷却器;
4—HCl 气体分配台
图1 二合一氯化氢石墨合成炉系统生产流程
示意图
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75?第26卷第5期现代化工
May 2006
2006年5月M odern Chemical Industry
墨合成炉,配合石墨冷却管和石墨冷却器称之为二合一氯化氢石墨合成炉系统,有效地降低了氯化氢气体中Fe 2+、Fe 3+的含量,可满足高纯度盐酸和高品质聚氯乙烯树脂产品的生产要求,其工艺流程如图1所示
。
图2 石墨冷却管设置长度与系统生产能力关系计算框图
由于缺少对二合一氯化氢石墨合成炉系统的研究,目前尚无成熟的优化设计方法,设计系统装置时仅根据氯化氢生产能力进行石墨合成炉的选型;石墨冷却器仅依据钢制合成炉系统进行设计;对于石墨冷却管仅根据设备布置确定其长度,采用水平放置(外带条形水槽)的光滑管型套管式石墨冷却管,而没有把3台设备合为一体作为系统进行整体优化设置。这在生产中就出现一个问题,即在合成炉生产设计时,由于石墨冷却管出口气体温度高于石墨冷却器的许用温度,致使石墨冷却器极易损坏;或者为防止石墨冷却器损坏而造成系统停车、停产,必须以降低合成炉生产能力为代价,一般系统实际生产能力只能达到合成炉设计能力的65%～75%。这些都严重影响了石墨冷却器的使用寿命,同时影响了盐酸和聚氯乙烯树脂的正常生产。笔者对二合一氯化氢石墨合成炉系统中采用不同形式石墨冷却器的条件下,研究了石墨冷却管长度与生产能力的关系,提出了系统达到合成炉设计生产能力的设备优化设置方案,并给出了设备设计计算程序和数学模型,经在内蒙古三联化工股份有限公司氯碱厂生产检验,整套设备运行稳定,使用寿命长,且系统生产能力达到合成炉设计要求。
2 系统设备优化设置
[1]
211 石墨冷却管设置长度与系统生产能力的关系
对二合一氯化氢石墨合成炉生产系统分别采用不同形式的石墨冷却器(列管式石墨冷却器,≤130℃;YK A 圆块孔式石墨冷却器,≤170℃;YK B 圆块孔式石墨冷却器,≤220℃
),对石墨冷却管设置长度与生产能力的关系进行了研究,研究过程如图2所示
,研究结果如图3所示。
1—YK B 型圆块孔式石墨冷却器;2—YK A 型圆块孔式
石墨冷却器;3—列管式石墨冷却器
图3 石墨冷却管长度与生产能力关系图试验结果表明:①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,石墨冷却器允许温度越高,石墨冷却管出口气体温度设计的就可以越高,在石墨冷却管长度相同条件下,系统生产能力就越大,反之就越小;②对于同一型号的石墨冷却器,系统生产能力随石墨冷却管设置长度的增加呈线性增加。在石墨冷却管长度不变的情况下,通过强化
?85?现代化工第26卷第5期
石墨冷却管的传热,可提高系统生产能力。212 设备优化设置的技术方案
据上述结果将系统中石墨冷却器设置为YK B 型圆块孔式。强化石墨冷却管的传热在理论上可以通过提高对数平均传热温差、总传热系数和总传热面积实现。石墨冷却管进出口气体温度、冷却水进口温度和温差一定,则对数平均传热温差为定值。采用套管式石墨冷却管,气体走管内,冷却水在管外环隙流动,总传热系数取决于管内合成气的对流传热系数。因石墨冷却管的管径与合成炉气体出口管径相同,其管内流体湍流程度很大,通过改变管内填充构件或填料的方式虽然可使总传热系数略有提高,但给设备安装及检修带来困难,同时流体流动阻力的增加加大了动力消耗,因此只能通过增加传热面积来实现石墨冷却管的强化传热。翅片管型套管式冷却管在长度相同条件下可有效增加换热面积,翅片管型分为纵向翅片管型和径向翅片管型,对于石墨管现场加工而言,纵向翅片管型优于径向翅片管型,故将石墨冷却管设置为纵向翅片管型套管式石墨冷却管,以强化传热提高系统生产能力,纵向翅片管型套管式石墨冷却管结构(横截面)如图4所示。二合一氯化氢石墨合成炉系统设备优化设置为石墨合成炉、纵向翅片管型套管式石墨冷却管和YK B 圆块孔式石墨冷却器
。
图4 纵向翅片管型结构图
3 系统中设备的设计方法
311 纵向翅片管型套管式石墨冷却管设计方法
纵向翅片管型套管式石墨冷却管设计方法为:先根据设备布置确定较为适宜的石墨冷却管长度,假设纵向翅片的结构尺寸(即翅片高度、翅片厚度和翅片数),计算石墨冷却管管外环隙对流传热系数、内管侧对流传热系数和总传热系数,再由传热速率方程计算纵向翅片管型套管式石墨冷却管的长度,将计算得到的冷却管长度与确定的冷却管长度比较,若两值相符即为纵向翅片结构尺寸,若不相符需
重新假设纵向翅片结构尺寸再行计算,直至计算值与假设值相符,其设计计算所用到的数学公式参见文献[2]。
312 Y KB 圆块孔式石墨冷却器设计方法
先根据生产能力假设所需换热面积,在圆块孔式石墨换热器产品系列中选择换热面积最接近的型号,依据其结构参数计算轴向流道对流传热系数、径向流道对流传热系数和总传热系数,再由传热速率方程复算传热面积与所选型号面积是否相符(要求所选型号的传热面积比计算传热面积大10%～20%),直到满足要求为止。其设计计算所用到的数
学公式参见文献[3]和文献[4]。313 系统设计计算实例[5-7]
内蒙古三联化工股份有限公司氯碱厂以吉兰泰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,其聚氯乙烯生产能力为115万t/a ,年工作8000h ;进入系统原料气体组成等参数如表1所示。
表1 系统原料气参数
原料气
体积分数/%
H 2
C l 2O 2
N 2
H 2O
C O 2温度/℃
压力/MPa 摩尔流量/km ol ?h -1氢气971450
010*********
30011817178氯气0134
971160199111201180121
12
0128
16198
系统中装置石墨冷却管内管、套管尺寸与合成炉气体出口尺寸相同。系统循环冷却水在各设备的进口温度及温差如表2所示。
表2 冷却水在各设备的进口温度及温差
进口温度/℃
温差/℃
合成炉 274石墨冷却器
272石墨冷却管
29
2
采用该设计方法,二合一氯化氢石墨合成炉系统设备装置为:①合成炉型号为SS L -900,传热面积为32m 2;②石墨换热器型号为YK B ?Ⅱ-600
18
15
,传热面积为60m 2;③石墨冷却管为纵向翅片管型套管式石墨冷却管,翅片高70mm ,翅片数为17,翅片宽为10mm ,管长515m ,有关设计计算中间参数及结果
如表3所示。
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95?2006年5月熊洁羽等:二合一氯化氢石墨合成炉系统设备的优化设置
表3 二合一氯化氢石墨合成炉系统设计计算
中间参数及结果
计算项目计算数据纵向翅片管型套管式石墨冷却管
合成气入口温度/℃350
合成气出口温度/℃220
移出热量/M J?h-116616
冷却水流量/kg?h-11919
内管内径/mm254
内管外径/mm330
条形水槽宽度/m0150
条形水槽水深度/m0160
翅片高/mm70
翅片厚度/mm10
翅片数/个17
内管侧对流传热系数/W?m-2?℃-114111
环形侧对流传热系数/W?m-2?℃-1155138
管内侧热阻/m2?℃?W-117119×10-5 管外侧热阻/m2?℃?W-134139×10-5 石墨冷却管内管导热系数/W?m-1?℃-1110
总传热系数/W?m-2?℃-110105
石墨冷却管长度/m5140
石墨冷却器
假设氯化氢石墨冷却器换热面积/m260
选择石墨换热器型号YK B?Ⅱ-6018
15 石墨换热器结构参数
石墨换热块数/块8
单元石墨换热块外径/mm600
单元石墨换热块内径/mm195
单元石墨换热块高度/mm625
轴向流道截面积/m25195×10-2 轴向流道孔径/mm18
轴向流道孔数/个234
轴向流道长度/m510
轴向流道传热面积/m266
径向单程流道截面积/m26168×10-2 径向流道孔径/mm15
径向流道孔数/个378
径向流道长度/mm405
径向流道传热面积/m257160
石墨冷却器移出热量/M J?h-122117
冷却水流量/kg?h-126521164
轴向流道对流传热系数/W?m-2?℃-118128
径向流道对流传热系数/W?m-2?℃-1612171
轴向流道热阻/m2?℃?W-117158
径向流道热阻/m2?℃?W-117119×10-5
石墨冷却器材质导热系数/W?m-1?℃-134139×10-5
总传热系数/W?m-2?℃-1110
石墨冷却器计算换热面积/m252189
石墨冷却器选用型号所需面积/m252189×(111～112)
≈58118～63147
4 结语
本文在对二合一氯化氢石墨合成炉生产系统中采用不同形式石墨冷却器条件下,研究石墨冷却管设置长度与系统生产能力关系的基础上,提出了系统设备优化设置的技术方案为石墨合成炉、纵向翅片管型套管式石墨冷却管和YK B圆块孔式石墨换热器。并提出了纵向翅片管型套管式石墨冷却管和YK B圆块孔式石墨换热器的工艺设计方法,经在内蒙古三联化工股份有限公司氯碱厂生产实践检验,该系统生产运行可靠,产品质量稳定,生产能力提高了28%,达到了合成炉的设计生产能力。该设备优化设置技术方案和工艺设计方法对氯化氢设备装置的优化设计,以及改进现有设置不合理的二合一氯化氢石墨合成炉系统具有重要参考价值。
参考文献
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6
?现代化工第26卷第5期