醋酸反应余热锅炉管程设计

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(兖矿鲁南化工有限公司,山东 滕州 277527 )

在甲醇羰基合成醋酸工艺中，利用余热锅炉来平衡反应热同时副产蒸汽是运用比较广泛的技术。余热锅炉副产的蒸汽并网后冲减醋酸的蒸汽消耗，有效降低醋酸的生产成本。充分契合国家节能减排环保的政策，树立和践行绿水青山就是金山银山理念。

1 余热锅炉参数

余热锅炉管程介质高温醋酸母液，工作压力3.4MPa,体积流量为410m3/h，工作温度约192℃。

余热锅炉换热面积估算为239m2。

余热锅炉壳程选用标准锅炉水。

2 换热管选择

由于管程为高温高压醋酸母液，腐蚀性较强，参照文献[1]《甲醇羰基化生产醋酸工艺中物料腐蚀性研究》，结合车间实际使用情况，对介质输送列管材质进行选择，选用锆材为输送列管材料。

参照美国材料与试验协会ASTM B 658/B658M-06，文献[2]中详细规定,选用R60702或者R60705。 根据美国ASME Ⅷ-1中的UG-8和Table U-3(详见文献[3])规定，换热器换热列管标准按照ASME B 36.10焊接和无缝轧制钢管(见文献[4])，余热锅炉内换热管规格预选用3/4"无缝管，即外径Φ19.05mm规格的无缝锆管。

3 换热管规格

查询文献[5]，得200℃时，R60702许用应力σ1为49MPa，R60705许用应力σ2为87MPa；150℃时，R60702许用应力σ1'为64MPa，R60705许用应力σ2'为98MPa。拟选用Φ19.05×2.11mm规格管道，其偏差按照文献[2]：其直径偏差±0.102mm，厚度偏差±10%。

根据文献[6]中的方法进行计算厚度的计算：

其中ts

表1 系数Y值

P为设计压力，管程工作压力为3.4MPa，其设计压力P为3.4×1.5=5.1MPa。

换热管与管板连接选用单面焊，选用100%无损检测，参考文献[7]，选用Ej焊接接头系数为0.9。

R60702材料在200℃时的最小计算壁厚：

R60705材料在200℃时的最小计算壁厚：

同样得R60702材料在150℃时的最小计算壁厚为0.81mm、R60705材料在150℃时的最小计算壁厚为0.54mm。

设计壁厚tsd按按1、2式进行计算：

tsd=ts+C

(1)

C=C1+C2

(2)

其中C1为厚度减薄附加量，C2为腐蚀或者磨蚀附加量：

C1=ts×10%

(3)

其中C2的值0mm。

因此R60702材料在200℃时的最小设计壁厚：

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

同样R60705材料在200℃时的最小设计壁厚为0.66mm，150℃时的最小设计壁厚为0.594mm，R60702材料再150℃时的最小设计壁厚为0.891mm。

其各个材料各个温度的最小设计壁厚均小于2.11mm，因此Φ19.05×2.11mm规格锆管符合设计要求。

查询文献[8]中的进口锆R60702和锆R60705管道的价格，R60702管道价格低于R60705价格。因此选用R60702材质的Φ19.05×2.11mm的无缝锆管。

4 流速的选择

余热锅炉换热管选用的为Φ19.05×2.11mm的无缝锆管，考虑到醋酸母液在换热管内流速太慢就容易生垢，管程物料黏度η管为0.000184Pa·s，查询文献[9]中附录1可供设计参考的工业生产用适宜流速，即表2和表3，并参照文献[19]中换热器内换热管的流速，预选余热锅炉换热管内介质的流速u估为2.2m/s。

估选流速u估为2.2m/s。

表2 管壳式换热器中不同黏度液体的最大流速

表3 管壳式换热器的常用流速

5 管数程数的计算

参考文献[10]，由热流量管的内径和流速来确定单管程传热管数n1按照4式计算：

(4)

式中:n1——单程管子数目；

Vs——管内流体的体积流量，体积流量为410m3/h，换算后得0.114m3/s；

u——管内流体的流速，为2.2m/s；

d管——管子内径，m。

根据管子结构，管子内径的计算式为5：

d管=D管-2δ管

(5)

其中换热管外径D管和换热管壁厚δ管，其值分别为19.05mm和2.11mm。因此其换热管内径为：

d管=19.05-2×2.11=14.83mm=0.01483m

把各值代入(1)式得单管程传热管数：

单程计算的传热管长度公式为6式：

(6)

式中：A——所需传热面积，为239.8m2。

把各值代入(3)式中得换热管长度：

按单程计算，所需传热管长度为13.36m，长度过长。根据现场实际情况，参考文献[11]GB151-1999《管壳式换热器》中换热管的长度推荐，取换热管长度L为7.5m。

参考文献[10],余热锅炉的管程数NP按照7式计算：

(7)

因此余热锅炉的管程数NP为：

余热锅炉的管数n实际总传热管子数公式为8式：

n=n1×Np

(8)

把值代入得：

n=300×2=600

因此余热锅炉的管程数为2，传热管子总数为600个。

6 换热管的排管

余热锅炉换热管标准排列形式有4种，如图1所示。

图1 换热管标准排列形式

余热锅炉的壳程选用的为标准锅炉水，因此换热管间不需进行机械清洗，并且考虑到能够在管板上配置较多的换热管，再加上管箱结构和能够在管板上加工方便，因此换热管排管选用正三角型排列。

U形管的最小弯曲半径，按照9公式计算：

(9)

式中:[δs]——管子运行的延伸率，查找文献[12]中得R60702的延伸率为16%；

D管——换热管外径为19.05mm。

把各值代入得最小弯曲半径：

因为换热管选用的为ASME标准3/4inOD管，根据弯管工艺，其最小弯曲半径为1.5D管，即1.125in，即28.575mm。

弯曲半径取两者较大值，即59.53mm，又因为换热管及换热管管板按照英制标准制造，因此换热管最小弯曲半径选用2-1/2in,即公制的63.5mm，因此中间分程处的上下管束之间的中心距为127mm。

按GB151-1999标准中规定换热管中心距Pt不小于1.25倍换热管外径，因此中心距大于23.9375mm：

根据表4ASME标准换热管及推荐管间距，换热管中心距Pt取1in,即公制的25.4mm。

表4 ASME标准换热管及推荐管间距

表4(续)

按图7-2正三角形布管，布管最上层布管数nc按下列公式10计算：

(10)

其中n为布管总数，为600。因此nc为：

根据图2，中心布管数n0的计算按照11式计算：

n0=2nc-1

(11)

则中心布管数n0：

n0=2×14.5-1≈ 28

图2 正三角形布管

参考文献[16]的附录《n0=15～58时总管数和布管比数的计算结果》，并且根据布管总数要多于600，因此在中心线管数n0为28时取：最外层管数nc为满排，管束数为ns为31，单程总管数nd为664。因此根据参考文献[13]中介绍的解析算法，设计布管总数为：

n=664-28=636

参考文献[14]，布管限定圆直径DL的计算式为12式：

(12)

把各值代入，求得限定圆直径为：

列管布管图如图3所示，根据布管图，各排管数列管数汇总至表格5 。

图3 列管布置图 表5 各管束列管个数

汇总各排管束合计列管数量为：

7 结论

经过计算，余热锅炉管程程数为2，换热管按照正三角形布置，材质为R60702，规格为Φ19.05×2.11，长度为7.5m，中间分程处的上下管束之间的中心距为127mm，换热管管间距

25.4mm，列管总数为634。