生产中钢制水夹套氯化氢合成炉的设计

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合成气体中残留部分未反应完全的游离氯 # 在高温 下与合成炉材质反应生成氯化铁或氯化亚铁 $
()*+!,-(.()*,-! )*+,-(.)*,-( 此腐蚀反应在 !/0! 以下速率 很 慢 # 但 超 过 此
温度腐蚀反应速率明显加快 ! 二是因合 成 炉 温 度 过 低 造 成 的 氢 去 极 化 腐 蚀 ! 因原料氯气 " 氢气中含有少量水蒸气和氧气 # 在合成 过程氧和氢反应生成水蒸汽 # 当合成炉壁温低于氯 化氢气体的露点时 # 炉壁形成凝酸 ! 由于凝酸 % 盐酸 & 是一种典型的非氧化性酸 # 金属铁在盐酸中腐蚀的 阳极过程是金属铁的溶解 # 即 $
目前国内以井矿盐或海湖盐为原料采用电石法 生产聚氯乙烯的中小型氯碱厂 " 所需原料氯化氢大 多采用燃烧合成法 " 鉴于钢制水夹套合成炉可产生 节能效益 " 且结构简单造价低 $ 易 清 理 结 垢 和 检 修 $ 对氯气浓度$ 压力波动和对气量无特殊要求"故
DE6 生 产 企 业 多 采 用 钢 制 水 夹 套 合 成 炉 燃 烧 合 成
氯化氢气体经空冷 $ 水冷至氯乙烯合成系统的工艺 过程 " 其流程见图 .c."(d%
#
(
钢制水夹套合成炉结构及其腐蚀原因 钢制水夹套合成炉壳体由上下双锥形顶底和中
间圆柱筒体构成 " 外壳设置冷却水夹套 " 炉底装有石 英灯头 % 氯气和氢气按一定体积比进入炉底石英灯 头混合燃烧生成氯化氢气体 " 由于放热反应最高火 焰温度达 (0))"5)))# " 因此炉 体 材 料 ()V 钢 " 夹 套 材料 (50H: 钢 " 其结构及尺寸标注见图 ( % 影响炉体使用寿命主要有以下因素 &
)*!)*!++!*
)*!)*(++(* 阴极过程是氢离子的还原 # 即 $(1++(*!1( 总反应式为 $ ()*+21,-.()*,-!+!1( )*+(1,-.)*,-(+1(
由此可见 # 为减轻钢制水夹套式氯化氢合成炉
! 合成炉工艺尺寸的选择"##$ &34
生产强度 根据生产实际 # 钢制水夹套合成炉的生产强度 ( 一般在 (35 吨 1,-:9! @!
根据气体状态方程式和最适宜气速确定合成炉圆柱体直径 ?0 及夹套直径 ?(!
D1 = G " R ( t1 + 273 . 15 ) ´ 10 3 1 ´ P! ´ 3600 0 . 785 u
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假设合成炉气体出口温度 :($ 根据热量衡算计算冷却水流量 !
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第 50 卷
中
国
井
矿
盐
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DE6!"#$%&’()*+,-./01
熊洁羽 ! 王国军 ! 文颖频
! 江苏技术师范学院化学化工系 " 江苏常州 (.5)). #
摘 要 $ 分析了 DE6 生产中钢制水夹套氯化氢合成炉腐蚀原因和腐蚀机理 ! 确定了合成炉设计的壁 温约束条件和设计对策 # 采用数学模拟法提出了附加壁温约束条件的氯化氢合成炉系统设计方法 # 经生 产检验设计合理 ! 操作稳定 ! 合成炉使用寿命长 # 关键词 $DE6 生产 % 氯化氢合成炉 % 设计方法 文献标识码 FG 文章编号 F.)).H)550-())*3),H))5)H), 中图分类号 FCB55
’()*+, "- ./01"+2, 34#"1*02 5/,642)7821 9*64 5622:;<=02 >=621 ?=@A26 7, BC3 B1"0D@67",
!"#$% &"’()*+,$% -)#.)$*+’$ /"$%0"$
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! 氯气和氢气中含水 " 含氧量过高及合成过程
中过氢量大 # 灯头氯气喷射气速选择不当等 # 也会影 响炉体使用寿命 !
! !"#
腐蚀机理分析及设计对策 腐蚀机理分析 氯化氢合成炉的腐蚀主要表现为两种机理$!%&’$ 一是因合成炉温度过高造成的高温腐蚀 ! 由于
43599 环型腐蚀带 # 设计时可采用如下防腐措施 ! %4 & 将进水口设置在夹套的中下部 # 使刚进入夹
套的冷却水与夹套中由下部向上升的热水形成对流 混合 # 避免从底部进水时冷水在底部的沉积 ! %( & 将 单 一 进 水 口 改 为 多 口 进 水 方 式 > 以 便 于 水扩散 # 防止局部过冷 ! %! & 在进水口水流部位炉体上增设挡板及切线 进水 # 有效防止冷却水直冲炉体 # 避免进水口处低温 氢去极化腐蚀 !
%89%(+" & %89%(+" &
0 .03(Re ) ´ Pr l ´ De 1 + 1 .74 (Re )1 8 ´ (Pr - 1)
于露点 " 因而最先腐蚀损坏 %
" 设计不合理使炉壁温度过高或冷却水水质
硬度高冷却效果差 " 产生高温氯化氢气体对炉体的 强烈腐蚀以至炉体寿命缩短 %
# 开车时合成炉温度较低 " 壁温易低于露点造
作者简介 ! 熊洁羽 -./01234 女 4 广西博白人 ! 高级工程师 4 副教授 ! 现从事教学 " 化学工程设计和化学品开发研究工作 ! 已发表论文二十多篇 #
前 言 短 " 设备投资大 " 环境污染程 度 高 " 严 重 影 响 聚 氯 乙 烯的正常生产 " 本文在腐蚀机理分析基础上确定了 设计对策 " 采用数学模拟法提出了附加壁温约束条 件的氯化氢合成炉系统设计方法 " 经海拉尔化工厂 生产实践证明 " 设计方案合理 " 操 作 稳 定 " 合 成 炉 使 用寿命长 %
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计算合成炉内外对流传热系数 !
hi = 0.74 ´ l! æ Di ´ u! ´ r ! ö ÷ ´ç ÷ D1 ç m! è ø
h0 =
0 67
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万方数据
熊洁羽等 !CD, 生产中钢制水夹套氯化氢合成炉的设计
炉气出口
A( 1&
定适宜的合成炉气体出口温度 # 即首先根据设计条 件确定氯化氢合成气体的露点温度 # 在假设合成炉 气体出口温度条件下根据所确定的数学模型计算合
= 6 ?
A($ 1( 1($
成炉对流传热系数 # 再对壁温进行条件校核 # 若壁温 在防腐温度区域计算结果成立 # 确定得适宜合成炉 气体出口温度及相应的合成炉换热面积 # 否则需重 新计算直至满足合成炉壁温的设计条件 $5"6’! 其设计
段 &# 该段需降低气流速度增加气体在合成炉内停留 时间以保证合成反应燃烧充分 # 根据生产实际经验
!""# 年 $$ 月第 % 期
%#
万方数据
熊洁羽等 !456 生产中钢制水夹套氯化氢合成炉的设计
根据设计条件及物料衡算计算合成气体露点温度 :?C!
t DP = 3 . 7368 - 0 . 1591 ´ l n ( P! 1000 G H 2O G" ) - 0 . 0326 ´ l n ( P! P G P G G HCl ) + 0 . 0026 ´ ! HCl ´ l n ( ! H 2 O ) G" G! G!
百度文库
!3(3& 设置汽水混合加热器防止开车腐蚀
开车时由于合成炉温度较低 # 壁温最易低于露 点温度 # 设置多孔管汽水混合加热器并安装在进水 管 上 # 点 炉 前 先 通 入 60! 热 水 至 夹 套 内 # 待 炉 温 正 常后切换冷水以有效防止开车时由于炉温过低造成 的氢去极化腐蚀 # 汽水混合加热器结构及尺寸标注 见图 2 # 工艺流程 见 图 ? # 汽 水 混 合 加 热 器 设 计 程 序 及数学模型见图 =$40’!
#视 镜 口 $套 管 式 灯 头 内 管 %套 管 式 灯 头 外 管 &点 火 口 ’ 下锥体 ( 圆筒段 )上锥体 =3防爆膜 63水夹套 图 ( 钢制水夹套式合成炉结构及尺寸标注图
成腐蚀 !
!3(3! 冷却水进水口处防腐对策
若按换热器常规设计冷却水由炉体下部进入上 部排出 # 由于冷却水进水口处的冷水直冲炉内壁 # 致 使该处炉内壁长期低于氯化氢合成气露点 # 是最先 腐蚀损坏部位# 一般情况下炉体底部会出现宽约
2 5 4 & ! ( ,-( 入口 1( 入口
"4 A4$ 14 1! 1!# 1B A4 "( A!$ A!
程序及数学模型见框图 ! !
!3(3( 确定适宜的氯气喷射速度设计喷射灯头
氯化氢合成炉灯头中氯气喷射速度亦是影响合 成炉腐蚀的因素 ! 当氯气喷射速度 78!9:; 时 # 燃烧 火焰低 # 大量热集中在炉膛底 部 # 发 生 高 温 腐 蚀 ’ 当
的腐蚀 # 合成炉设计壁温应控制在合成气体的露点 以上 # 高温临界腐蚀温度 !00! 以下 ! !3( 设计对策 !"("4 确定适宜的合成炉气体出口温度设计换热面积 根据腐蚀机理 # 合成炉的设计关键在于附加防 腐壁温约束条件设计合成炉换热面积 # 这就需要确
&3(
中间圆筒部分 合成炉中间圆筒部分是气体燃烧段 % 也称放大
%" &
根据热量衡算计算灯头合成气温度 :0!
Tk ìG ’ ´ é D H 0 ( 298 .15 k ) + ( Tk -3 ’ 0 + GH ´ éDH m D C p , m 2 dT ) ´ 10 - 3 ù ü í HCl ê ý 2 ( 298 . 15 k ) + ( ò m1 ò298 .15 k D C p ,m1dT ) ´ 10 ù 2O ú ê ú 298 . 15 k ë û ë ûþ t1 = t + î G! ´ C p
! 设计不当使炉壁温度低于氯化氢气体露点 "
炉内壁局部凝结盐酸导致快速腐蚀穿孔 ’ 冷却水进 水口的冷水直冲炉内壁 " 致使该处炉壁温度长期低
!" 钢制水夹套合成炉 #" 空冷管 $" 石墨水冷却器 " 图 2 氯化氢生产工艺流程示意图
钢制水夹套合成炉的设置长期以来由于没有规 范的设计资料 " 同行企业尽管生产能力 $ 使用条件不 同仍重复套用进行经验设计 " 致使合成炉使用寿命
7<=9:; 时 # 火 焰 较 长 热 量 较 多 地 冲 向 炉 顶 # 使 炉 顶
产生高温腐蚀 # 而炉底则会产生低温区氢去极化腐 蚀 ! 灯头虽有单层和多层结构之分 # 但生产运行证实 适宜的灯头中氯气喷射速度为 7.530%5359:;! 其单 层喷射灯头结构及尺寸标注见图 & # 设计程序及数 学模型见图 5 # 多层灯头设计计算依此类推 !