醋酸反應余熱鍋爐管程設計

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(兗礦魯南化工有限公司,山東 滕州 277527 )

在甲醇羰基合成醋酸工藝中，利用余熱鍋爐來平衡反應熱同時副產蒸汽是運用比較廣泛的技術。余熱鍋爐副產的蒸汽并網后沖減醋酸的蒸汽消耗，有效降低醋酸的生產成本。充分契合國家節能減排環保的政策，樹立和踐行綠水青山就是金山銀山理念。

1 余熱鍋爐參數

余熱鍋爐管程介質高溫醋酸母液，工作壓力3.4MPa,體積流量為410m3/h，工作溫度約192℃。

余熱鍋爐換熱面積估算為239m2。

余熱鍋爐殼程選用標準鍋爐水。

2 換熱管選擇

由于管程為高溫高壓醋酸母液，腐蝕性較強，參照文獻[1]《甲醇羰基化生產醋酸工藝中物料腐蝕性研究》，結合車間實際使用情況，對介質輸送列管材質進行選擇，選用鋯材為輸送列管材料。

參照美國材料與試驗協會ASTM B 658/B658M-06，文獻[2]中詳細規定,選用R60702或者R60705。 根據美國ASME Ⅷ-1中的UG-8和Table U-3(詳見文獻[3])規定，換熱器換熱列管標準按照ASME B 36.10焊接和無縫軋制鋼管(見文獻[4])，余熱鍋爐內換熱管規格預選用3/4"無縫管，即外徑Φ19.05mm規格的無縫鋯管。

3 換熱管規格

查詢文獻[5]，得200℃時，R60702許用應力σ1為49MPa，R60705許用應力σ2為87MPa；150℃時，R60702許用應力σ1'為64MPa，R60705許用應力σ2'為98MPa。擬選用Φ19.05×2.11mm規格管道，其偏差按照文獻[2]：其直徑偏差±0.102mm，厚度偏差±10%。

根據文獻[6]中的方法進行計算厚度的計算：

其中ts

表1 系數Y值

P為設計壓力，管程工作壓力為3.4MPa，其設計壓力P為3.4×1.5=5.1MPa。

換熱管與管板連接選用單面焊，選用100%無損檢測，參考文獻[7]，選用Ej焊接接頭系數為0.9。

R60702材料在200℃時的最小計算壁厚：

R60705材料在200℃時的最小計算壁厚：

同樣得R60702材料在150℃時的最小計算壁厚為0.81mm、R60705材料在150℃時的最小計算壁厚為0.54mm。

設計壁厚tsd按按1、2式進行計算：

tsd=ts+C

(1)

C=C1+C2

(2)

其中C1為厚度減薄附加量，C2為腐蝕或者磨蝕附加量：

C1=ts×10%

(3)

其中C2的值0mm。

因此R60702材料在200℃時的最小設計壁厚：

tsd=ts+c=ts×10%+0=1.05+1.05×10%=1.155mm

同樣R60705材料在200℃時的最小設計壁厚為0.66mm，150℃時的最小設計壁厚為0.594mm，R60702材料再150℃時的最小設計壁厚為0.891mm。

其各個材料各個溫度的最小設計壁厚均小于2.11mm，因此Φ19.05×2.11mm規格鋯管符合設計要求。

查詢文獻[8]中的進口鋯R60702和鋯R60705管道的價格，R60702管道價格低于R60705價格。因此選用R60702材質的Φ19.05×2.11mm的無縫鋯管。

4 流速的選擇

余熱鍋爐換熱管選用的為Φ19.05×2.11mm的無縫鋯管，考慮到醋酸母液在換熱管內流速太慢就容易生垢，管程物料黏度η管為0.000184Pa·s，查詢文獻[9]中附錄1可供設計參考的工業生產用適宜流速，即表2和表3，并參照文獻[19]中換熱器內換熱管的流速，預選余熱鍋爐換熱管內介質的流速u估為2.2m/s。

估選流速u估為2.2m/s。

表2 管殼式換熱器中不同黏度液體的最大流速

表3 管殼式換熱器的常用流速

5 管數程數的計算

參考文獻[10]，由熱流量管的內徑和流速來確定單管程傳熱管數n1按照4式計算：

(4)

式中:n1——單程管子數目；

Vs——管內流體的體積流量，體積流量為410m3/h，換算后得0.114m3/s；

u——管內流體的流速，為2.2m/s；

d管——管子內徑，m。

根據管子結構，管子內徑的計算式為5：

d管=D管-2δ管

(5)

其中換熱管外徑D管和換熱管壁厚δ管，其值分別為19.05mm和2.11mm。因此其換熱管內徑為：

d管=19.05-2×2.11=14.83mm=0.01483m

把各值代入(1)式得單管程傳熱管數：

單程計算的傳熱管長度公式為6式：

(6)

式中：A——所需傳熱面積，為239.8m2。

把各值代入(3)式中得換熱管長度：

按單程計算，所需傳熱管長度為13.36m，長度過長。根據現場實際情況，參考文獻[11]GB151-1999《管殼式換熱器》中換熱管的長度推薦，取換熱管長度L為7.5m。

參考文獻[10],余熱鍋爐的管程數NP按照7式計算：

(7)

因此余熱鍋爐的管程數NP為：

余熱鍋爐的管數n實際總傳熱管子數公式為8式：

n=n1×Np

(8)

把值代入得：

n=300×2=600

因此余熱鍋爐的管程數為2，傳熱管子總數為600個。

6 換熱管的排管

余熱鍋爐換熱管標準排列形式有4種，如圖1所示。

圖1 換熱管標準排列形式

余熱鍋爐的殼程選用的為標準鍋爐水，因此換熱管間不需進行機械清洗，并且考慮到能夠在管板上配置較多的換熱管，再加上管箱結構和能夠在管板上加工方便，因此換熱管排管選用正三角型排列。

U形管的最小彎曲半徑，按照9公式計算：

(9)

式中:[δs]——管子運行的延伸率，查找文獻[12]中得R60702的延伸率為16%；

D管——換熱管外徑為19.05mm。

把各值代入得最小彎曲半徑：

因為換熱管選用的為ASME標準3/4inOD管，根據彎管工藝，其最小彎曲半徑為1.5D管，即1.125in，即28.575mm。

彎曲半徑取兩者較大值，即59.53mm，又因為換熱管及換熱管管板按照英制標準制造，因此換熱管最小彎曲半徑選用2-1/2in,即公制的63.5mm，因此中間分程處的上下管束之間的中心距為127mm。

按GB151-1999標準中規定換熱管中心距Pt不小于1.25倍換熱管外徑，因此中心距大于23.9375mm：

根據表4ASME標準換熱管及推薦管間距，換熱管中心距Pt取1in,即公制的25.4mm。

表4 ASME標準換熱管及推薦管間距

表4(續)

按圖7-2正三角形布管，布管最上層布管數nc按下列公式10計算：

(10)

其中n為布管總數，為600。因此nc為：

根據圖2，中心布管數n0的計算按照11式計算：

n0=2nc-1

(11)

則中心布管數n0：

n0=2×14.5-1≈ 28

圖2 正三角形布管

參考文獻[16]的附錄《n0=15～58時總管數和布管比數的計算結果》，并且根據布管總數要多于600，因此在中心線管數n0為28時取：最外層管數nc為滿排，管束數為ns為31，單程總管數nd為664。因此根據參考文獻[13]中介紹的解析算法，設計布管總數為：

n=664-28=636

參考文獻[14]，布管限定圓直徑DL的計算式為12式：

(12)

把各值代入，求得限定圓直徑為：

列管布管圖如圖3所示，根據布管圖，各排管數列管數匯總至表格5 。

圖3 列管布置圖 表5 各管束列管個數

匯總各排管束合計列管數量為：

7 結論

經過計算，余熱鍋爐管程程數為2，換熱管按照正三角形布置，材質為R60702，規格為Φ19.05×2.11，長度為7.5m，中間分程處的上下管束之間的中心距為127mm，換熱管管間距

25.4mm，列管總數為634。