CN1830758A - 二合一氯化氢石墨合成炉系统的优化设置方法 - Google Patents

Abstract

一种二合一氯化氢石墨合成炉系统优化设置方法，包括合成炉、石墨冷却管和石墨冷却器，石墨冷却器选择YKB圆块孔式石墨冷却器，石墨冷却管为水平放置外带条形水槽的纵向翅片管型套管式石墨冷却管。本发明能提高系统生产能力，而且通过实际生产条件的工艺参数、石墨冷却器和石墨冷却管的结构参数，对石墨冷却器和石墨冷却管的热交换进行理论计算，根据计算结果核实对石墨冷却器和石墨冷却管的设置，所以保证系统达到合成炉的设计生产能力。本发明对现有的二合一氯化氢石墨合成炉生产系统，在主要设备合成炉及厂房建筑和其它设备位置不发生变化的情况下，通过优化设置石墨冷却器和石墨冷却管，使系统达到合成炉的设计生产能力。

Description

二合一氯化氢石墨合成炉系统的优化设置方法

技术领域

本发明涉及二合一氯化氢石墨合成炉系统的优化设置方法。

背景技术

盐酸及电石法聚氯乙烯树脂生产中原料气氯化氢的制取，一般都采用合成法。即氯气和氢气各自通过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得盐酸需要在低温下进行，生产聚氯乙烯树脂也要在低温下氯化氢和乙炔混合脱水后再进行氯乙烯反应，因此高温氯化氢合成气体需通过三级冷却到40℃左右送至盐酸生产的吸收系统或聚氯乙烯树脂生产的氯乙烯系统，第一级合成炉夹套冷却，第二级冷却管冷却，第三级冷却器冷却。我国多年来合成氯化氢的工艺及装置一直沿用钢制水夹套合成炉→钢制空气冷却管→石墨冷却器，虽然该法合成炉制造加工方便、传热效率高及成本低，但是操作不当等因素合成炉局部会发生高温腐蚀或低温氢去极化腐蚀，造成氯化氢气体中Fe²⁺、Fe³⁺高，不能满足高纯盐酸和高品质聚氯乙烯树脂产品的要求。近年来随着经济建设的迅速发展，对高纯盐酸和高品质聚氯乙烯树脂需求加大，我国开发了石墨合成炉，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Fe²⁺、Fe³⁺含量，可满足高纯盐酸和高品质聚氯乙烯树脂产品的生产要求。但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，设置系统装置时只根据氯化氢生产能力进行石墨合成炉的选型，石墨冷却器只是依据钢制合成炉系统进行经验设计，对于合成炉与石墨冷却器之间的石墨冷却管只是根据设备布置确定其长度，设备形式为水平放置外带条形水槽的光滑管型套管式石墨冷却管，而没有把三台设备合为一体作为系统进行整体优化设置。这样在生产中出现一个技术问题，即在合成炉设计生产能力下，由于石墨冷却管出口气体的温度高于石墨冷却器许用温度，致使石墨冷却器很快损坏，严重影响石墨冷却器的使用寿命，或者为防止石墨冷却器损坏造成系统停车、停产只能以降低合成炉生产能力为代价，一般生产中系统实际生产能力只能达到合成炉设计生产能力的65％～75％。

发明内容

本发明的目的是对于二合一氯化氢石墨合成炉系统，通过优化设置石墨冷却器和石墨冷却管，使系统达到合成炉的设计生产能力。

二合一氯化氢石墨合成炉生产系统可以采用三种不同形式的石墨冷却器。列管式石墨冷却器——许用温度130℃；YKA圆块孔式石墨冷却器——许用温度170℃；YKB圆块孔式石墨冷却器——许用温度220℃。由于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，石墨冷却器许用温度越高，石墨冷却管出口气体温度就可以设计的越高，则在相同石墨冷却管长度条件下，系统生产能力就越大，如果许用温度越低，石墨冷却管出口温度也要设计的越低，则在相同石墨冷却管长度条件下，系统生产能力就越小。现有三种形式的石墨冷却器中，YKB圆块孔式石墨冷却器较YKA圆块孔式石墨冷却器和列管式石墨冷却器许用温度高，有利于提高系统生产能力，故将二合一氯化氢石墨合成炉生产系统中石墨冷却器设置为YKB圆块孔式。

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。换句话说，在石墨冷却管长度不变的情况下通过强化石墨冷却管的传热，可提高系统生产能力。但是生产能力并不可以无限制的增加，因为要受到合成炉最大许用壁温的约束。强化石墨冷却管的传热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。套管式石墨冷却管，气体走管内，冷却水在环形侧流动，总传热系数取决于管内合成气的对流传热系数。因为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，可是给设备安装及检修带来困难，同时流动阻力的增加加大了动力消耗，因此只有通过增加传热面积的方法实现石墨冷却管的强化传热。基于石墨冷却管若增设弯头制成盘管或制成数根并列管道增加管道传热面积的方法都受到场地限制，因此本发明采用翅片管型套管式石墨冷却管，在保持石墨冷却管长度不变的情况下可有效增加换热面积。翅片管型有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要优于径向翅片管型，故将二合一氯化氢石墨合成炉生产系统中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。

实现本发明目的的红外具体技术方案如下：

本发明包括合成炉、石墨冷却管和石墨冷却器，

a.石墨冷却器选择YKB圆块孔式石墨冷却器，其选型方法为：

①.根据二合一氯化氢石墨合成炉系统生产能力假设石墨冷却器换热面积S_假设；

②.根据假设换热面积进行YKB圆块孔式石墨冷却器的初步选型；

③.根据工艺条件和初选的石墨冷却器结构参数，计算石墨冷却器换热面积S_计算：

式中：

Q-传热速率，w；

U-总传热系数，w·m^-2·℃^-1；

Δt_m-对数平均温差，℃；

④.如果S_计算×(1.1～1.2)≠S_假设，重新假设石墨冷却器换热面积，再通过YKB圆块孔式石墨冷却器的初步选型进行换热面积计算；如果S_计算×(1.1～1.2)≈S_假设，则假设石墨冷却器型号和换热面积为所设置结果；

b.石墨冷却管(2)为水平放置外带条形水槽的纵向翅片管型套管式石墨冷却管，其设计方法为：

①.设定石墨冷却管的结构参数；

②.根据工艺条件和石墨冷却管的结构参数计算长度：

$L=\frac{Q}{U\·\mathrm{\Δ}{t}_m}\·\frac{1}{(\mathrm{\π}{d}_r+2n{H}_f)}m$

式中：

Q-传热速率，w；

U-总传热系数，w·m^-2·℃^-1；

Δt_m-对数平均温差，℃。

d_r-石墨冷却管内管外径，m；

n-翅片数；

H_f-翅片高度，m。

③.将计算得到的石墨冷却管长度与现场条件及设备布置允许安装石墨冷却管的长度相比较，如果与现场长度不符，重新设定纵向翅片的结构参数进行计算，直至相符。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下特点：

①.本发明将系统中的石墨冷却器设置为YKB圆块孔式石墨冷却器，其许用温度高，有利于提高系统生产能力，本发明采用翅片管型套管式石墨冷却管，在保持石墨冷却管长度不变的情况下可有效增加换热面积，以强化传热，同样有利于提高系统生产能力，所以本发明生产能力的提高是显而易见的。

②.进一步地，本发明通过实际生产条件的工艺参数、石墨冷却器和石墨冷却管的结构参数，对石墨冷却器和石墨冷却管的热交换进行理论计算，根据计算结果核实对石墨冷却器和石墨冷却管的设置，所以保证系统达到合成炉的设计生产能力。

③.本发明对现有的二合一氯化氢石墨合成炉生产系统，在主要设备合成炉及厂房建筑和其它设备位置不发生变化的情况下，通过优化设置石墨冷却器和石墨冷却管，使系统达到合成炉的设计生产能力。

附图说明

图1是氯化氢生产工艺流程示意图；

图2是纵向翅片管型结构图。

具体实施方式

附图所示的实施例包括合成炉1、石墨冷却管2和石墨冷却器3。图中的4为氯气、氢气进口，5为凝酸出口，6为氯化氢合成气体出口，7和8为循环冷却水通道。石墨冷却器选择YKB圆块孔式石墨冷却器，石墨冷却管2为水平放置外带条形水槽的纵向翅片管型套管式石墨冷却管。上述所设置纵向翅片管型套管式石墨冷却管的内管与合成炉气体出口管径相同，外管与合成炉气体出口套管尺寸相同。

a.石墨冷却器选择YKB圆块孔式石墨冷却器，其选型方法为：

①.根据二合一氯化氢石墨合成炉系统生产能力假设石墨冷却器换热面积S_假设；

②.根据假设换热面积进行YKB圆块孔式石墨冷却器的初步选型；

③.根据工艺条件和初选的石墨冷却器结构参数，计算石墨冷却器换热面积S_计算：

式中：

Q-传热速率，w；

U-总传热系数，w·m^-2·℃^-1；

Δt_m-对数平均温差，℃；

④.如果S_计算×(1.1～1.2)≠S_假设，重新假设石墨冷却器换热面积，再通过YKB圆块孔式石墨冷却器的初步选型进行换热面积计算；如果S_计算×(1.1～1.2)≈S_假设，则假设石墨冷却器型号和换热面积为所设置结果；

石墨冷却器总传热系数U的计算如下：

式中：

h_i-石墨冷却器的轴向流道对流传热系数，w·m^-2·℃^-1；

h₀-石墨冷却器的径向流道对流传热系数，w·m^-2·℃^-1；

R_so、R_si-分别为石墨冷却器径向流道和轴向流道的污垢热阻，m²·℃·W^-1；

δ_p-石墨块孔的当量传热壁厚，m；

λ_m-石墨材质的导热系数，w·m^-1·℃^-1；

上述石墨冷却器的轴向流道对流传热系数h_i的计算当雷诺准数Re＞10000，

上述石墨冷却器的轴向流道对流传热系数h_i的计算当雷诺准数Re＜2300，

上述h_i的计算当雷诺准数2300＜Re＜10000

h_i3＝h_i1×φ $\mathrm{\φ}=1-\frac{6\×{10}^5}{{\mathrm{Re}}^{1.8}}$

式中：

λi-合成气在定性温度下的导热系数，w·m^-1·℃^-1；

d_i-石墨冷却器轴向流道的孔径，m；

u_iρ_i-合成气的质量流速，kg·m^-2·s^-1；

μ_i-合成气在定性温度下的粘度，Pa·s；

C_pi-合成气在定性温度下的恒压比热容，KJ·kg^-1·℃^-1；

μ_w-合成气在壁温下的粘度，Pa·s；

L_i-石墨冷却器轴向流道孔的长度，m；

上述石墨冷却器的径向流道对流传热系数h₀的计算当雷诺准数Re＞10000，

上述h₀的计算当雷诺准数Re＜2300，

上述h₀的计算当雷诺准数Re＝2300～10000，

h₀₃＝h₀₁×φ  w·m^-2·℃^-1 $\mathrm{\φ}=1-\frac{6\×{10}^5}{{\mathrm{Re}}^{1.8}}$

式中：

λ₀-冷却水在定性温度下的导热系数，w·m^-1·℃^-1；

d₀-石墨冷却器径向流道的孔径，m；

G-冷却水流量，kg·s^-1；

α₀₁-径向单程流道截面积，m²

C_p0-冷却水在定性温度下的恒压比热容，KJ·kg^-1·℃^-1；

μ₀-冷却水在定性温度下的粘度，Pa·s；

μ_w-冷却水在壁温下的粘度，Pa·s；

L₀-石墨冷却器径向流道孔的长度，m；

上述计算h₀的公式中，冷却水流量G计算按下列公式，

$G=\frac{q}{3600\×\mathrm{\Δt}\×C_p}\mathrm{kg}\·s^{-1}$

式中：

q-石墨冷却器移出热量，kJ·h^-1；

Δt-冷却水进出口温差，℃；

C_p-冷却水比热容，kJ·kg^-1·℃^-1，

G_i入 ^g-入设备合成气体中i组分的质量流量，kg·h^-1；

Hi-工作状态下i组分的焓值，kJ·kg^-1；

G_HCl-溶解在液体中氯化氢的质量流量，kg·h^-1；

Q_溶-氯化氢在液体中的溶解热，kJ·kg^-1；

G_i出 ^g-出设备合成气体中i组分的质量流量，kg·h^-1；

G_i出 ^l-出设备液体中i组分的质量流量，kg·h^-1；

b.石墨冷却管2为水平放置外带条形水槽的纵向翅片管型套管式石墨冷却管，其设计方法为：

①.设定石墨冷却管的结构参数；石墨冷却管的翅片数n、翅片高度H_f、翅片厚度t_f。

②.根据工艺条件和石墨冷却管的结构参数计算长度：

$L=\frac{Q}{U\·\mathrm{\Δ}{t}_m}\·\frac{1}{(\mathrm{\π}{d}_r+2n{H}_f)}m$

式中：

Q-传热速率，w；

U-总传热系数，w·m^-2·℃^-1；

Δt_m-对数平均温差，℃。

d_r-石墨冷却管内管外径，m；

n-翅片数；

H_f-翅片高度，m。

③.将计算得到的石墨冷却管长度与现场条件及设备布置允许安装石墨冷却管的长度相比较，如果与现场长度不符，重新设定纵向翅片的结构参数进行计算，直至相符。

总传热系数U的计算如下：

式中：

R_si、R_so-分别为内管侧流体和环形侧流体的污垢热阻，m²·℃·W^-1；

A₀、A_m、A_i-分别为单位长度内翅片管外表面面积、平均表面面积和内表面面积，m²；

δ-石墨冷却管内管壁厚，m；

λ-石墨材质的导热系数，w·m^-1·℃^-1；

h_i-石墨冷却管内管侧对流传热系数，w·m^-2·℃^-1；

h₀-石墨冷却管环形侧对流传热系数，w·m^-2·℃^-1；

上述石墨冷却管内管侧对流传热系数h_i的计算：

式中：

λ_i-合成气在定性温度下的导热系数，w·m^-1·℃^-1；

d_i-石墨冷却管内管内径，m；

u_iρ_i-合成气的质量流速，kg·m^-2·s^-1；

μ_i-合成气在定性温度下的粘度，Pa·S；

C_pi-合成气在定性温度下的恒压比热容，kJ·kg^-1·℃^-1；

计算石墨冷却管环形侧对流传热系数h₀：

$d_{e0}=\frac{4a_{02}}{\mathrm{\π}{d}_r+2n{H}_f+2(a+b)}m$ $a_{02}=a\×b-\frac{\mathrm{\π}}{4}{d_r}^2-n{H}_f{t}_f{m}^2$

式中：

λ₀-冷却水在定性温度下的导热系数，w·m^-1·℃^-1；

d_e0-当量直径，m；

d_r-石墨冷却管内管外径，m；

n-翅片数；

H_f-翅片高度，m；

t_f-翅片厚度，m；

G-冷却水流量，kg·s^-1；

α₀₂-环形侧流道断面积，m²；

a-条形水槽宽度，m；

b-条形水槽水深度，m；

C_p0-冷却水在定性温度下的恒压比热容，kJ·kg^-1·℃^-1；

μ₀-冷却水在定性温度下的粘度，Pa·S；

μ_w0-冷却水在壁温下的粘度，Pa·S；

冷却水流量计算：

$G=\frac{q}{3600\×\mathrm{\Δt}\×C_p}\mathrm{kg}\·s^{-1}$

式中：

q-石墨冷却管移出热量，kJ·h^-1；

Δt-冷却水进出口温差，℃；

C_p-冷却水比热容，kJ·kg^-1·℃^-1；

G_i入 ^g-入设备合成气体中i组分的质量流量，kg·h^-1；

Hi-工作状态下i组分的焓值，kJ·kg^-1；

G_i出 ^g-出设备合成气体中i组分的质量流量，kg·h^-1；

上述参数的数值，有的是工艺条件决定的或是本身结构决定的，有的是可从工具书中查到的。

应用例

本实施例合成炉采用SSL-900型浸没式水夹套合成炉，换热面积F＝32m²，设计生产能力28～30tHCl/d。生产条件：(1)入系统气体：氢气，组成(V％)H₂ 97.45％、O₂ 0.01％、N₂ 0.06％、H₂O 2.48％，温度30℃，压力0.18MPa；氯气，组成(V％)Cl₂ 97.16％、H₂ 0.34％、CO₂ 0.21％、O₂ 0.99％、N₂ 1.12％、H₂O 0.18％，温度12℃，压力0.28Mpa。(2)入系统循环冷却水：合成炉，进口温度27℃，温差4℃；石墨冷却器，进口温度27℃，温差2℃；石墨冷却管，进口温度29℃，温差2℃。

a.对石墨冷却器设备进行优化设置：

设计条件：入石墨冷却器HCl合成气流量34.59kmol/h、温度220℃，出口温度为40℃；冷却水进口温度27℃、温差2℃；合成气轴向流道流动，冷却水径向流道流动。

假设石墨冷却器换热面积F＝60m²，选择

型圆块孔式石墨冷却器。

按照实际生产条件计算石墨冷却器换热面积S_计算：

①石墨冷却器移出热量q的计算：

在YKB圆块孔式石墨冷却器最大许用进口温度220℃和石墨冷却器出口温度40℃条件下，根据热物料衡算得到石墨冷却器所要移走的热量q。

经计算，q＝221720.94kJ·h^-1；

②冷却水流量G的计算：

$G=\frac{q}{3600\×\mathrm{\Δt}\×C_p}\mathrm{kg}\·s^{-1}$

石墨冷却器移出热量q＝221720.94kJ·h^-1；

冷却水进出口温差Δt＝2℃；

冷却水比热容C_p＝4.18kJ·kg^-1·℃^-1，

经计算，G＝7.37kg·s^-1

③轴向流道对流传热系数hi计算，雷诺准数Re＝5246.19，2300＜Re＜10000h_i3＝h_i1×φ

$h_{i1}=0.023\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_i}{d_i}\right)(\frac{d_i{u}_i{\mathrm{\ρ}}_i}{{\mathrm{\μ}}_i}{)}^{0.8}{\left(\frac{C_{\mathrm{pi}}{\mathrm{\μ}}_i\×{10}^3}{{\mathrm{\λ}}_i}\right)}^{0.3}$ $\mathrm{\φ}=1-\frac{6\×{10}^5}{{\mathrm{Re}}^{1.8}}$

合成气在定性温度下的导热系数λ_i＝1.60×10^-2w·m^-1·℃^-1；

石墨冷却器轴向流道的孔径d_i＝1.80×10^-2m；

合成气的质量流速u_iρ_i＝5.73kg·m^-2·s^-1；

合成气在定性温度下的粘度μ_i＝19.66×10^-6Pa·s；

合成气在定性温度下的恒压比热容C_pi＝1.03KJ·kg^-1·℃^-1；

经计算，轴向流道对流传热系数h_i＝18.22w·m^-2·℃^-1

④上述石墨冷却器的径向流道对流传热系数h₀的计算

雷诺准数Re＝1965.72 Re＜2300，

$h_{02}=1.86\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{d_0}\right)(\frac{d_{0}G}{a_{01}{\mathrm{\μ}}_0}{)}^{0.33}{\left(\frac{C_{p0}{\mathrm{\μ}}_0\×{10}^3}{{\mathrm{\λ}}_0}\right)}^{0.33}{\left(\frac{d_0}{L_0}\right)}^{0.33}{\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{\mathrm{\μ}}_w}\right)}^{0.14}[1+{\left(\frac{d_0}{L_0}\right)}^{0.7}]$

冷却水在定性温度下的导热系数λ₀＝61.39×10^-2w·m^-1·℃^-1；

石墨冷却器径向流道的孔径d₀＝1.50×10^-2m；

冷却水流量G＝7.37kg·s^-1；

径向单程流道截面积α₀₁＝6.68×10^-2m²；

冷却水在定性温度下的恒压比热容C_p0＝4.18KJ·kg^-1·℃^-1；

冷却水在定性温度下的粘度μ₀＝84.16×10^-5Pa·s；

冷却水在壁温下的粘度μ_w≈84.16×10^-5Pa·s；

石墨冷却器径向流道孔的长度L₀＝4.05×10^-1m；

经计算，径向流道对流传热系数h₀＝612.71w·m^-2·℃^-1

石墨冷却器总传热系数U的计算

式中：

石墨冷却器的轴向流道对流传热系数h_i＝18.22w·m^-2·℃^-1；

石墨冷却器轴向流道污垢热阻R_si＝171.97×10^-6m²·℃·W^-1；

石墨冷却器径向流道污垢热阻R_so＝343.94×10^-6m²·℃·W^-1；

石墨块孔的当量传热壁厚δ_p＝1.21×10^-2m；

石墨材质的导热系数λ_m＝110w·m^-1·℃^-1；

石墨冷却器的径向流道对流传热系数h₀＝612.71w·m^-2·℃^-1；

经计算，石墨冷却器总传热系数U＝17.58w·m^-2·℃^-1

⑥最后计算石墨冷却器换热面积S_计算：

式中：

传热速率Q＝61589.15w；

总传热系数U＝17.58w·m^-2·℃^-1；

对数平均温差Δt_m＝66.24℃；

由于52.89×(1.1～1.2)≈58.18～63.47≈S_假设，则上述石墨冷却器型号和换热面积为所设置结果。

b.石墨冷却管为水平放置外带条形水槽的纵向翅片管型套管式石墨冷却管，合成炉气体出口HCl合成气流量34.59kmol/h、温度350℃，即入石墨冷却管HCl合成气流量34.59kmol/h，温度350℃；受YKB圆块孔式石墨冷却器最大许用温度220℃的约束，石墨冷却管出口HCl合成气温度220℃；石墨冷却管冷却水进口温度29℃、温差2℃。

石墨冷却管内管与合成炉气体出口管径相同，为Φ330×38，外管与合成炉气体出口套管尺寸相同，条形水槽宽度a为0.5m、条形水槽水深度b为0.6m，设置翅片结构尺寸为翅片高H_f为70mm、翅片厚度t_f为10mm、翅片数n为17个。。

按照实际生产条件计算石墨冷却管长度：

①.石墨冷却管移出热量q的计算：

石墨冷却管移出热量q可以在二合一氯化氢石墨合成炉出口温度350℃和YKB圆块孔式石墨冷却器最大许用进口温度220℃条件下，根据热物料衡算得出。

经计算，q＝166582.58kJ·h^-1；

②.冷却水流量G计算：

$G=\frac{q}{3600\×\mathrm{\Δt}\×C_p}\mathrm{kg}\·s^{-1}$

式中：

石墨冷却管移出热量q＝166582.58kJ·h^-1；

冷却水进出口温差Δt＝2℃；

冷却水比热容C_p＝4.18kJ·kg^-1·℃^-1；

经计算，G＝5.54kg·s^-1

③.上述石墨冷却管内管侧对流传热系数h_i的计算：雷诺准数Re＝68651.41，

$h_i=0.023\frac{{\mathrm{\λ}}_i}{d_i}{\left(\frac{d_i{u}_i{\mathrm{\ρ}}_i}{{\mathrm{\μ}}_i}\right)}^{0.8}{\left(\frac{C_{\mathrm{pi}}{\mathrm{\μ}}_i\×{10}^3}{{\mathrm{\λ}}_i}\right)}^{0.3}$

式中：

合成气在定性温度下的导热系数λ_i＝1.78×10^-2w·m^-1·℃^-1；

石墨冷却管内管内径d_i＝0.254mm；

合成气的质量流速u_iρ_i＝6.74kg·m^-2·s^-1；

合成气在定性温度下的粘度μ_i＝2.49×10^-5Pa·S；

合成气在定性温度下的恒压比热容C_pi＝1.25kJ·kg^-1·℃^-1；

经计算，h_i＝14.11w·m^-2·℃^-1。

④.计算石墨冷却管环形侧对流传热系数h₀：

$d_{e0}=\frac{4a_{02}}{\mathrm{\π}{d}_r+2n{H}_f+2(a+b)}m$ $a_{02}=a\×b-\frac{\mathrm{\π}}{4}{d_r}^2-n{H}_f{t}_f{m}^2$

式中：

冷却水在定性温度下的导热系数λ₀＝61.76×10^-2w·m^-1·℃^-1；

当量直径d_e0＝14.43×10^-2m；

石墨冷却管内管外径d_r＝0.33m；

翅片数n＝17；

翅片高度H_f＝0.07m；

翅片厚度t_f＝0.01m；

冷却水流量G＝5.54kg·s^-1；

环形侧流道断面积α₀₂20.26×10^-2m²；

条形水槽宽度a＝0.5m；

条形水槽水深度b＝0.6m；

冷却水在定性温度下的恒压比热容C_p0＝4.18kJ·kg^-1·℃^-1；

冷却水在定性温度下的粘度μ₀＝80.07×10^-5Pa·S；

冷却水在壁温下的粘度μ_w0≈80.07×10^-5Pa·S；

经计算，石墨冷却管环形侧对流传热系数h₀＝155.78w·m^-2·℃^-1

⑤.石墨冷却管总传热系数U的计算

式中：

石墨冷却管环形侧对流传热系数h₀＝155.78w·m^-2·℃^-1

管外侧污垢热阻Rso＝343.94×10^-6m²·℃·W^-1；

管内侧污垢热阻R_si＝171.97×10^-6m²·℃·W^-1；

单位长度内翅片管外表面面积A_o＝103.62×10^-2m²；、

单位长度内翅片管平均表面面积A_m＝9.12×10^-1m²；

单位长度内翅片管内表面面积A_i＝79.76×10^-2m²；

石墨冷却管内管壁厚δ＝0.38×10^-1m；

石墨材质的导热系数λ＝110w·m^-1·℃^-1；

石墨冷却管内管侧对流传热系数h_i＝14.11w·m^-2·℃^-1；

经计算，石墨冷却管总传热系数U＝10.06w·m^-2·℃^-1

⑥.计算石墨冷却管长度L

$L=\frac{Q}{U\·\mathrm{\Δ}{t}_m}\·\frac{1}{(\mathrm{\π}{d}_r+2n{H}_f)}m$

传热速率Q＝46272.94w；

总传热系数U＝10.06w·m^-2·℃^-1 1；

对数平均传热温差Δt_m＝249.55℃。

石墨冷却管内管外径d_r＝0.33m；

翅片数n＝17；

翅片高度H_f＝0.07m；

经计算，石墨冷却管长度L＝5.40m；

现场条件及设备布置允许安装石墨冷却管的长度为5.5m，设计的石墨冷却管为所设置结果。

Claims (4)

1.一种二合一氯化氢石墨合成炉系统优化设置方法，包括合成炉(1)、石墨冷却管(2)和石墨冷却器(3)，其特征在于：

a.石墨冷却器选择YKB圆块孔式石墨冷却器，其选型方法为：

①.根据二合一氯化氢石墨合成炉系统生产能力假设石墨冷却器换热面积S假设；

②.根据假设换热面积进行YKB圆块孔式石墨冷却器的初步选型；

③.根据工艺条件和初选的石墨冷却器结构参数，计算石墨冷却器换热面积S_计算：

式中：

Q—传热速率，w；

U—总传热系数，w·m^-2·℃^-1；

Δt_m—对数平均温差，℃；

④.如果S_计算×(1.1～1.2)≠S_假设，重新假设石墨冷却器换热面积，再通过YKB圆块孔式石墨冷却器的初步选型进行换热面积计算；如果S_计算×(1.1～1.2)≈S_假设，则假设石墨冷却器型号和换热面积为所设置结果；

b.石墨冷却管(2)为水平放置外带条形水槽的纵向翅片管型套管式石墨冷却管，其设计方法为：

①.设定石墨冷却管的结构参数；

②.根据工艺条件和石墨冷却管的结构参数计算长度：

$L=\frac{Q}{U\·\mathrm{\Δ}{t}_m}\·\frac{1}{(\mathrm{\π}{d}_r+2n{H}_f)},m$

式中：

Q—传热速率，w；

U—总传热系数，w·m^-2·℃^-1；

Δt_m—对数平均温差，℃。

d_r—石墨冷却管内管外径，m；

n—翅片数；

H_f—翅片高度，m；

③.将计算得到的石墨冷却管长度与现场条件及设备布置允许石墨冷却管的长度相比较，如果与允许长度不符，重新设定石墨冷却管的结构参数进行计算，直至相符。

2、根据权利要求1所述的二合一氯化氢石墨合成炉系统优化设置方法，其特征在于：所设置纵向翅片管型套管式石墨冷却管的内管与合成炉气体出口管径相同，外管与合成炉气体出口套管尺寸相同。

3、根据权利要求2所述的二合一氯化氢石墨合成炉系统优化设置方法，其特征在于：石墨冷却器总传热系数U的计算如下：

式中：

h_i—石墨冷却器的轴向流道对流传热系数，w·m^-2·℃^-1；

R_so、R_si—分别为石墨冷却器径向流道和轴向流道的污垢热阻，m²·℃·W^-1；

δ_p—石墨块孔的当量传热壁厚，m；

λ_m—石墨材质的导热系数，w·m^-1·℃^-1；

h₀—石墨冷却器的径向流道对流传热系数，w·m^-2·℃^-1；

上述石墨冷却器的轴向流道对流传热系数h_i的计算当雷诺准数Re＞10000，

上述石墨冷却器的轴向流道对流传热系数h_i的计算当雷诺准数Re＜2300，

上述h_i的计算当雷诺准数2300＜Re＜10000

h_i3＝h_i1×φ $\mathrm{\φ}=1-\frac{6\×{10}^5}{{\mathrm{Re}}^{1.8}}$

式中：

λ_i—合成气在定性温度下的导热系数，w·m^-1·℃^-1；

d_i—石墨冷却器轴向流道的孔径，m；

u_iρ_i—合成气的质量流速，kg·m^-2·s^-1；

μ_i—合成气在定性温度下的粘度，Pa·s；

C_pi—合成气在定性温度下的恒压比热容，KJ·kg^-1·℃^-1；

μ_w—合成气在壁温下的粘度，Pa·s；

L_i—石墨冷却器轴向流道孔的长度，m；

上述石墨冷却器的径向流道对流传热系数h₀的计算当雷诺准数Re＞10000，

上述h₀的计算当雷诺准数Re＜2300，

上述h₀的计算当雷诺准数Re＝2300～10000，

h₀₃＝h₀₁×φw·m^-2·℃^-1 $\mathrm{\φ}=1-\frac{6\×{10}^5}{{\mathrm{Re}}^{1.8}}$

式中：

λ₀—冷却水在定性温度下的导热系数，w·m^-1·℃^-1；

d₀—石墨冷却器径向流道的孔径，m；

G—冷却水流量，kg·s^-1；

a₀₁—径向单程流道截面积，m²；

C_p0—冷却水在定性温度下的恒压比热容，KJ·kg^-1·℃^-1；

μ₀—冷却水在定性温度下的粘度，Pa·s；

μ_w—冷却水在壁温下的粘度，Pa·s；

L₀—石墨冷却器径向流道孔的长度，m；

上述计算h₀的公式中，冷却水流量G计算按下列公式，

$G=\frac{q}{3600\×\mathrm{\Δt}\×C_p},\mathrm{kg}\·s^{-1}$

式中：

q—石墨冷却器移出热量，kJ·h^-1；

Δt—冷却水进出口温差，℃；

C_p—冷却水比热容，kJ·kg^-1·℃^-1，

G_i入 ^g—入设备合成气体中i组分的质量流量，kg·h^-1；

Hi—工作状态下i组分的焓值，kJ·kg^-1；

G_HCl—溶解在液体中氯化氢的质量流量，kg·h^-1；

Q_溶—氯化氢在液体中的溶解热，kJ·kg^-1；

G_i岀 ^g—出设备合成气体中i组分的质量流量，kg·h^-1；

G_i岀 ^l—出设备液体中i组分的质量流量，kg·h^-1。

4、根据权利要求2所述的二合一氯化氢石墨合成炉系统优化设置方法，其特征在于：纵向翅片管型套管式石墨冷却管总传热系数U的计算如下：

式中：

R_si、R_so—分别为管内侧、外侧污垢热阻，m²·℃·W^-1；

A₀、A_m、A_i—分别为单位长度内翅片管外表面面积、平均表面面积和内表面面积，m²；

δ—石墨冷却管内管壁厚，m；

λ—石墨材质的导热系数，w·m^-1·℃^-1；

h_i—石墨冷却管内管侧对流传热系数，w·m^-2·℃^-1；

h₀—石墨冷却管环形侧对流传热系数，w·m^-2·℃^-1；

上述石墨冷却管内管侧对流传热系数h_i的计算：

式中：

λ_i—合成气在定性温度下的导热系数，w·m^-1·℃^-1；

d_i—石墨冷却管内管内径，m；

u_iρ_i—合成气的质量流速，kg·m^-2·s^-1；

μ_i—合成气在定性温度下的粘度，Pa·S；

C_pi—合成气在定性温度下的恒压比热容，kJ·kg^-1·℃^-1；

计算石墨冷却管环形侧对流传热系数h₀：

$d_{e0}=\frac{4a_{02}}{{\mathrm{\πd}}_r+2n{H}_f+2(a+b)},m$

式中：

λ₀—冷却水在定性温度下的导热系数，w·m^-1·℃^-1；

d_e0—当量直径，m；

d_r—石墨冷却管内管外径，m；

n—翅片数；

H_f—翅片高度，m；

t_f—翅片厚度，m；

G—冷却水流量，kg·s^-1；

a₀₂—环形侧流道断面积，m²；

a—条形水槽宽度，m；

b—条形水槽水深度，m；

C_p0—冷却水在定性温度下的恒压比热容，kJ·kg^-1·℃^-1；

μ₀—冷却水在定性温度下的粘度，Pa·S；

μ_w0—冷却水在壁温下的粘度，Pa·S；

冷却水流量计算：

$G=\frac{q}{3600\×\mathrm{\Δt}\×C_p},{\mathrm{kg}\·s}^{-1}$

式中：

q—石墨冷却管移出热量，kJ·h^-1；

Δt—冷却水进出口温差，℃；

C_p—冷却水比热容，kJ·kg^-1·℃^-1；

G_l入 ^g—入设备合成气体中i组分的质量流量，kg·h^-1；

Hi—工作状态下i组分的焓值，kJ·kg^-1；

G_i岀 ^g—出设备合成气体中i组分的质量流量，kg·h^-1。

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