石墨合成炉的结构及生产条件对合成气出口温度的影响

第27卷第2计算帆与痖用化VoL. 27. No. 22010年2月28日Computers and Applied Chemis石墨合成炉的结构及生产条件对合成气出口温度的影响熊洁羽,王国军1,张勤,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:确定合成炉的出口温度是新型二合一氯化氢石墨合成炉优化设计的前提,本文从合成炉结构特点入手,提出确定气体出口温度的数学模型和计算程序,并通过 Visual Basic5.0编制的应用软件,研究了SsL300~SsL900型合成炉结构及生产条件对合成气出口温度的影响结果是:不同型号的合成炉气体出口温度不同在本文设计条件下分别为260℃236℃、245℃321℃343℃、368℃418℃;气体出口温度随着原料气中氯气纯度或氯氢气量比的升高而降低;原料气温度的变化几乎对合成气出口温度没有影响;相同型号的合成炉,合成气出口温度随着冷却水温度的升高而增加。该项研究为优化设计新型的二合一氯化氢石墨合成炉提供了理论依据关键词:氯化氢;石墨合成炉;出口温度中图分类号:TQ015.9;0639文献标识码:A文章编号:10014160(2010)02-163-1671引言10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需求量的增大,在提高自控、石墨原粉和加工精度水平上新型二合一氯化氢石墨合成炉系统以其耐酸耐腐蚀和氯化氢产品质量高等优点普遍为氯碱企业所采用。当前,新型的二合一氯化氢石墨合成炉虽然好用,但缺乏更好的优化设计方法,以致石墨冷却器不耐用,不得不降低65%~75%的生产力以减缓设备的损耗。因此,本文试图从技术上找出优化石墨冷却器的办法、结果,设计出纵向翅片管型套管式石墨冷却管和YKB圆块孔式石墨冷却l-bracket; 2-Lamp cap-pedestal; 3-expelling acid orifice: 4-sewage器”,石墨合成炉是定型设备需进一步优化的其实是冷却outfall 5-cooling water inlet; 6-quartzy bumer: 7-plumbaginous fur-管和冷却器优化它们须先确定合成炉气体的出口温度。因0eboy;8 steel shell; -antidetonating membrane;10uaut;此,本研究从合成炉的设计人手,找出确定合成炉气体出口Il-hydrochloric gas outlet pipe; 12-sight glass.温度的计算方法对于这样一个相互关联而又复杂的迭代计Fig 1 The graphit算过程通过 Visual basic50计算机应用软件,找出合成图1石墨合成炉示意图炉的结构及生产条件对合成气出口温度的影响,为优化设计的火焰以判断合成反应情况。炉体外面设置冷却水套冷却新型的二合一氯化氢石墨合成炉提供理论依据。水自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2石墨制氯化氢合成炉的结构及特点口管,用以安装燃烧器。接口管由大小2根同心管粘接于不透性的石墨灯头座上构成内管通氯气、两管之间的环隙空石墨制氯化氢合成炉根据冷却方式不同分为浸没式和间通氢气2股气体在石英灯头处喷出然后充分混合燃烧喷淋式2种。由于前者具有操作环境好操作安全可靠生生成的氯化氢气体沿炉体内壁迅速上升,使合成反应的生成能力变化时适应性较强及便于综合利用热能的特点广被热通过炉壁被外壁之冷却水带走。考虑到停、开车时炉内的氯碱厂使用,其结构见图1。气体没有置换干净或其他原因造成氢气和其他气体的混合浸没式石墨合成炉的炉体由多节石墨圆筒粘结而成的比达到爆炸范围时,可能引起爆炸事故在合成炉的顶部设立式筒形,长径比约为10:1-12:1。最上面的1节装有氯安全E中国煤化工化氢气体出口管,最下面1节的侧面装有视镜可观察燃烧CNMHG收痛日期:200210)修日期:2003作者简介:熊洁羽(1女本科教授,现从事教学、化学品开发研究和化学工程设计工作,Eml:jshu@163.com计算帆与赠化2010,27(2)3石墨制氯化氢合成炉气体出口温度的确的换热面积若换热面积与型号不接近,则重新假设出口温定方法度。若换热面积与型号近等则假设的合成炉气体出口温度成立,其主要数学模型及计算程序见框图2。石晏制氯化氢合成炉气体出口温度的确定方法,先根据系统生产能力选择合成炉的型号再假设合成炉气体出口4研究结果与分析温度,然后根据所确定的设计程序和数学模型,计算合成炉影响合成炉合成气出口温度的主要因素是炉体结构及假设合成炉灯头温度(a)根据系统化氧生产能力选掸合成炉型!(S),确定合成炉的结构参hypothesizing lamp cap temperatureof synthetic fumacetype of synthetic furnace, determining structure parameters of synthetic fuma计算合成炉灯头温度(1ir) calculating lamp cap temperature of synthetic fumace4A【Gm2(29815k)<;s△Ca)10+Gp△H29815)(ms△CD10引Ga一i贾计算原料氯、气在入炉温度下的热量(Qdetermining lamp cap temperature ofhydrogen gas mixture in charging temperaturenthetic fuma原料气组成,温度及气量比假设鼠、氢气混合气体温度ff gas composition, temperatureydrogen gas mixture假设合成炉气体出凵度计算,氮气体作混合体度下的热量(Q2hypothesizing outlet gas temperature ofcaleulating heat quantity of chlorine and hydrogegas in mIxture gas temperature计算合成炉需雯移出的热量Q≠Qis needed toQv.Oxremove in synthesis furnac根据冷却水条件,计算冷却水流量determining temperature of chlorine andcalculating flowrate of cooling watercalhydrogen gas mixture计算合成炉内对流传热系数算合成炉夹套侧对流传热系数calculating convective heat transfer coefficientin the synthetic furnacein jacket of synthetic furnaceh=036X含尝4-0=计算总传热系数计算合成炉的总传热血积(S)calculating total heat transfer coeficientcalculating total heat transfer surface areab-+·×是+דxs议△LS4q≠S黑确定合成炉气体出凵温度determining outlet gas temperature of中国煤化工CNMHGFig 2 The mathematic model and calculating program drawing of hydrogen chloride graphite synthetic fumace gas outlet temperature图2石墨制氯化氢合成炉气体出口温度计算程序框图及数学模型2010,27(2熊洁羽,等:石墨合成炉的结构及生产条件对合成气出口温度的影响生产条件生产条件包括入炉原料气组成温度和氯氢气量由图3可知同一冷却水条件下,不同型号合成炉的合比二合一氯化氢石墨合成炉系统氯化氢气体生产能力和合成气出口温度不同,而且在同一型号合成炉生产能力范围成炉冷却水的温度。内出口温度与生产能力几乎呈线性增加。4.1合成炉结构与氯化氢合成气出口温度表1原料气的生产条件在原料气生产条件(见表1)和冷却水条件相同下,研究Table 1 The productive condition of unstripped7种不同型号的石墨合成炉(SsL300、SSL400、ssL500、SSL600、SSL-700SS800、SSL900)合成气出口温度与生产能力的关系,结果见图3。a2B2a%202"0吁B则m sf charine gas 95.50.5 20 0.6 1.4 0.02 12 1: 1.05 0.11m stuff bydrogen g 99.80.21: 1. 05 0114.2原料气组成、温度和氯氢气量比对氯化氢合成气出口温度的影响原料气组成及生产条件见表2,本文分别研究入炉氯氢气组成气量比和温度变化对合成炉合成气出口温度的影响结果见图4246810n241618202224262830由图4的12线可看出,人炉原料气组成对合成气出口-SSL-300 2-SSL400 3-SSL-500 4-SSL-600 SSSL- 700 6-SSL-800 7. 900Fig, 3 The relation drawing of synthesis gas outlet temperatur温度有一定影响,与氯气纯度的增高成反比。3、4线可看vs production capacity in26℃-32℃出,人炉原料气的氯氢气量比对合成气出口温度有较大影circulating water cooling conation.响氯氢气量比愈大,则合成气出口温度愈低。56线可看图326℃-32℃循环水冷却条件下合成气出口出,原料气温度的变化对合成气出口温度几乎没有影响温度与生产能力的关系表2原料气组成及生产条件Table 2 The unstripped gas complexity and productive condition.olume percent/%mole rate temperature system pressCl H2 0, N2 CO2force/MPadrawing linel raw stuff chlorine gas95.50.52.00.61.40.02raw stuff hydrogen gas80.20.1197.30.41.01,10.2uff hydrogen9980.230.5drawing line 3 raw stuff chlorine gas95.50.5200.61.40.0212raw stuff hydrogen gas9980230.5drawing line 4 raw stuff chlorine gas95.50.5200.6140.0212Iw stuff hydrogen gas9980.230.51:1.100.11cooling watercal95.505200.61.40.02raw stuff hydroge9980.230.50.11drawing line 695.50.52.00.61.40.0299.80.21:1.cooling watercal4.3冷却水对氯化氢合成气出囗温度的影响相差也越大在表1原料气生产条件下,选用SSL800型合成炉研究不同冷却水条件下(1.70-80℃热水冷却,250-60℃热水5结语冷却,326-30℃循环水冷却,4一次水18-22℃冷却)合中国煤化特点入手提出合成成气出口温度与生产能力的关系结果见图5。炉气体CN Gal Basic5.0编制的由图5可知合成炉型号和生产能力相同冷却水条件应用软件研究合成炉结构及生产条件对合成炉气体出口温不同合成气出口温度不同,而且在同一温差条件下冷却水度的影响结论如下温度越高,则合成气出口温度也越高温差越大则出口温度(1)合成炉型号不同,其合成气出口温度不同,设计时166计算机与用化2010,27(2)值,J△FA(29815k)氯化氢合成反应的标准摩尔反应热烤,妇J·md-△H2(298.15k)水蒸气合成反应的标准摩尔反应热增,kJ·md-1q合成炉移出热量J·h-1冷却水进出口的温差,℃G水冷却水的质量流量,kg·hC冷却水比热容妇·kg1·℃合成炉内对流传热系数,w·m-2.℃1d91011213|4sl6178192021222324production capacity /(HCI fd)合成气在定性温度下的导热系数w·m1·℃成气在定性温度下的粘度,Pa1-unstripped gAs commotion;2 -unstripped gas commotion2;3mole峪卩合成气在炉体内的质量流速kg·m-2·srate Cl: H21: 1. 05; 4-mole rate Cl2: H2 1: 1. 10: 5-12, 20 CC合合成气在定性温度下的比热容,J·kg1·℃unstripped gas temperature; 6-12, 30 t unstripped gas temperature.μ合成气在壁温下的粘度Pa合成炉夹套侧冷却水的导热系数w·m-1·℃1合成炉夹套侧对流传热系数w·m2℃vs production capacity in different unstripped gas productive condition图4不同原料气生产条件下合成气出口温度与生产能力的关系合成炉夹套侧冷却水的质量流速kg·m-2·1d合成炉夹套侧流道的当量直径,mC合成炉夹套侧冷却水的比热容,妇kg1·t合成炉夹套侧冷却水的粘度kg·m-1·U总传热系数合成炉换热面积,m2△n平均对数温差,℃合成炉炉体内壁侧热阻,m2·℃·Wproduction capacity /(HCI dd)合成炉夹套侧热阻,m2℃,W合成炉炉体对数平均直径,mFig 5 The relation drawing of synthesis gas outletRb炉体材料导热系数w·m1·℃1temperature VS production capacity in different cooling成炉炉体壁厚,m低温流体侧温差,℃图5SsL800型合成炉,在不同冷却水条件下合成高温流体侧温差,℃气出口温度与生产能力的关系应根据所选合成炉而确定其合成气出口温度。References(2)原料气组成对合成气出口温度有一定影响表现为1 Dai Z F. Application of synthetic fumaces in chlor-alkali industry.随氯气纯度的增加而减小;原料气氯氢气量比对合成气出口2 Shen WQ. The usage of two unites as one graphite to synthesize a温度的影响,表现为氯氢气量比愈大,则合成气出口温度愈stove in producing hydrochloric acid. Guangzhou Chemical Industry低;而原料气温度的变化对合成气出口温度几乎没有影响。2007,(4):88-893 Liu C T and Yan J L. Application of graphitic fumace for hydrogen(3)合成炉型号相同,冷却水温越高,则合成气出口温chloride synthesis. China Chlor-Alkali, 2004, (4): 31-33度也越高。4 Liu QZ. The exploitation technique and device for chlor-alkali pro-因此在设计二合一氯化氢石墨合成炉时,不要将不同型duction. Chlor-Alkali industry, 2002,(9): 1-5Xiong JY, et al. Optimization design-aside in two-appulse-one hy-号合成炉的合成气出口温度设定为同一温度,同时要考虑冷drogen chloride graphite synthetic fumace system. Modem Chemi却水条件及原料气组成和气量比的变化对合成炉合成气出usy,2006,26(5):57-60口温度的影响6 Craig J C and Web J. Exploitation and technique for Visual Basic5.0. Zhang W, Interpret. Beijing: Mechanical Industry Press符号说合成气质量流量kmdh17 Xu Z Y. Grophite Manufactural Chemical Equipment. BeijingC合成气在(+1)2平均温度下的比热容·kml.eChemical Industy Press, 2003合成炉灯头温度,℃,K中国煤化工 ing research oftice. PhysIG反应生成的HC气体的质量流量,ml,h-1c: Higher Education Press,t,T进入合成炉氯、氢混合气体温度,℃,KCNMHGG2o反应生成的H2O气体的质量流量,ot raper Dy McMillen and Larson. TransAIchE,1945,41:147△Cp氯化氢合成反应的反应产物与原料的摩尔10 Chilton T H, Drew T B and Jebens R H. Ind Ing Chem, 1944, 36:水蒸气合成反应的反应产物与原料的摩尔比比热容系数差510-516. Wei YHL. Design Handbook of Heat Exchanger. Bei-2010,27(2)熊洁羽,等:石墨合成炉的结构及生产条件对合成气出口温度的影响2沈伟群.二合一石屬合成炉在盐酸生产中的运用[门.广州化11 Wei Y H L Design Handbook of Heat Exchanger. Beijing: Petrole-工,2007,(4):88-89um Industry Press, 1984: 595-6033刘长涛,颜景雷.石墨氯化氢合成炉的应用[]中国氯碱12 Beijing Etroleum Chemical Engineering Firm. Physical Chemistry004,(4):31-33Constant Handbook for Chlor-alkali Industry,. Beijing: Chemical In4刘启照.值得采用或开发的氯碱生产技术与装置[J]氯碱工业,2002,(9):1-5Qingdao Tnstitute of Chemical Technolo. National graphic calcula-5熊洁羽等.二合一氯化氢石墨合成炉系统设备的优化设置tion training center. Liu C Q, et al. Physical Property Data of[J.现代化工,2006,26(5):57-60.Chemistry and Chemical Engineering( upside). Beijing; Chemical6 Craig J C,WbJ. Visual basic50开发与技巧[M].张威等译.北京:机械工业出版社,199814 Chemical Engineering Design Technique Centre of Chemical Industry7许志远.石墨制化工设备[M].北京:化学工业出版社,200Office. Basis Data Handbook for Chemical Engineering Industrial天津大学物理化学教研室.物理化学(上册)[M].3版.北京Art Design. Beijing: Chemical Engineering Design Centre of Chemi-高等教育出版社,199211尾花英朗热交换器设计手册(下册)[M].北京:石油工业出15 Shanghai Medicament Designing Institute of Country Medicament版社,1984Conservancy. Design Handbook for Chemical Thchnology. Beijing:12北京石油化工工程公司氯碱工业理化常数手册[M].北京Chemical Industy Press, 1985.化学工业出版杜,198816TanW. Chemical Engineering Equipment Designing Basi. Tianjin:13刘光启,等.青岛化工学院,全国图算学培训中心[M].化学Tianjin University Press, 2000化工物性数据(上册).北京:化学工业出版社,2002.17 Chemical Engineering Designing Institute of Petroleum Chemical En-14化学工业部化学工程设计技术中心站[M].化工工艺设计基础gineering Office. Design Handbook for Nitrogenous Fertilizer Thchn-数据手册.北京:化工部化工设计中心,1982ology. Beijing: Petroleum Industry Press, 197715国家医药管理局上海医药设计院[M].化工工艺设计手册(上18 Chlor-alkali Production Technique Edition. Chlor-alkali Production册).北京:化学工业出版社,1985Technique. Jiangsu: Jiangsu Chemical Engineering College,1991,16谈蔚.化工设备设计基础[M].天津:天津大学出版社,200017石油化学工业部化工设计院[M].氮肥工艺设计手册.北京19 Lu Zx and Zhou Y P. Chlor-alkali Handbook of Chlor-alkali Pro-石油化学工业出版社,197duction Industrial Art. Beijing: Chemical Industy Prese,195:167.18氯碱生产技术编写组氯碱生产技术[打.江苏江苏化工学ong JY, et al. Study on the calculator method and influence fac-院,1991:460tor of hydrogenchloride synthetic fumace lamp cap temperature.19陆忠兴,周元培氯碱生产工艺氯碱分册M].北京:化学工业Computers and Applied Chemistry, 2008, 25(11): 1401-1404出版社,1995:167中文参考文献20熊洁羽,等.氯化氢合成炉灯头温度计算方法及影响因素[刀1戴佐峰合成炉在氯碱工业中的应用[玎].氯碱工业,2005,计算机与应用化学,2008,25(11):1401-1404.(5):39-41Discuss on the graphite synthetic furnace structure and productive condition in-fluenced synthetic gas outlet temperatureng Jieyu, Wang GiZhang Qin and Ma Hi(1. Department of Chemistry and Chemical Engineering, Jiangsu Teachers College of Technology, Changzhou, 213001Jiangsu, China; 2. Shanghai Chemical Engineering Incorporation, Shanghai, 200235, China)ite synthetic fumace. This paper presents mathematic model and calculating program of determining outlet gas temperature from synthet-ic furnace structure character, and through application software was exploited with Visual Basic 5.0 study SSL-300-SSL-900 syntheticfumace structure and productive condition effect on synthetic outlet gas temperature. Results showed that, synthetic outlet gas tempera-ture is different for different model, this paper design conditions is repectively260℃,236℃,245℃,32l℃,343℃,368℃,and418 C. Outlet gas temperature is decreases with the increase of chlorine gas purity or chlorine and hydrogen gas quantity. Changes offeed gas temperature is almost no effect to outlet gas temperature. Outlet gas temperature is increase with the increase of coolingtemperature under synthetic furmace of same type condition. The project research provide theoretical basis for optimum design of two-in-Key words: hydrogen chloride, graphite synthetic furnace, outlet templt lyu中国煤化工CN MH Gevised: 2009-06-23)