CO变换煤气预热器设计探讨.pdf

2010,20(1)
黄万福CO变换姝气预热器设计探讨
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CO变换煤气预热器设计探讨
黄万福*东华工程科技股份有限公司合肥230024
摘要介绍CO变换煤气预热器的选型和设计工况选择,采用HFS+软件进行热计算,并用Asp
Pus软件对不同工况进行模拟分析。
关键词CO变换煤气预热器选型热设计工况模拟
下标代表物流号,下同)通过煤气预热器水煤
概述
气侧旁路阀调节,换热器热设计按水煤气全部通
CO变换煤气预热器(以下简称煤气预热过换热器计算,即T72=T5
器)是采用水煤浆气化制合成氨或甲醇装置CO
变换工段的操作分多种工况,按催化剂寿命
变换工段的重要设备,它利用C0变换反应生成周期各阶段分初期、正常、末期工况,按生产负
的高温变换气加热进变换炉的水煤气,使其达到荷可分为典型的50%、100%、110%负荷工况。
变换炉入口所需的温度,属于典型的气ー气换热限于篇幅,本文不讨论全部工况。首先选用正常
器,具有高温、高压、介质易结垢和工况多等特100%负荷和末期100%负荷两种典型工况讨论
点。本文以某600kレa甲醇装置水煤浆气化为如何选择设计计算工况。
例,采用 Aspen Plus2006软件进行流程模拟,
两种工况下,水煤气侧进口(图1物流点
采用HIPS+软件进行换热器热计算,对煤气预1)压力不变约为6.20MPa(G),水煤气侧出
热器进行设计探讨。
口、变换气侧进口和出口压力变化不大,因此不
2设计条件
考虑换热器压力变化对热设计的影响。换热器的
流量和进出口温度见表1。
采用水煤浆气化和耐硫催化剂部分変换工
表1煤气预热器气体流量和进出口温度
艺,装置操作弹性为50%~110%。煤气预热器
T1(℃)T2(℃)T3(℃)T4(℃)
的流程简图见图1。
(kg/h)正常末期正常末期正常宋期正常末期
294196243,5243.5275305422451390.4389,8
水牒气
E01
两种工况下气体流量、水煤气侧进口温度、
变换气侧出口温度、水煤气出口和变换气出口温
度温差不大,说明两种工况下换热器的平均温差
RO1
基本相等。
将水煤气和变换气的热容分别看作不变,假
变换气
设换热器的总传热系数为定值,管壳程介质逆流
图1煤气预热醫流程简
换热,采用估算法,由式(1)通过计算传热平
RO1为变换炉,EO1为煤气预热器,三角形均温差即可进行换热面积比较,选取面积大的工
内的数字为物流点编号,煤气预热器冷侧为水煤况进行换热器的设计计算。由于两种工况下换热
气,热侧为变换气。变换炉入口温度T(温度器的平均温差基本相等,换热器热负荷计算如式
黄万福:工程师。2006年3月毕业于天津大学化学工程专业获硬士学位。一直从事工程设计工作。联系电活:(0551)
3626406。
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CHEMICAL ENGINEERING DESIGN
化工设计2010,20(1)
高,但BES型管壳程都可清洗,而BEU型弯管
(=KAAT=mc, (T2 -T)
(1)部分清洗困难;BES型可更换单根换热管,而
式中,Q为换热器热负荷,W;K为换热器总传BEU型不能更换单根换热管
热系数,W/(m2℃);A为换热器面积,m2;3.2介质管売程
△t为换热器平均温差,℃;m为冷侧流量,kg/s
由于C0变换反应为等分子反应,出现了煤
C。为冷侧介质热容,J/(kg?℃);T2为冷侧出
气预热器热侧气体(変换气)和冷侧气体(水
口温度,℃;T,为冷侧进口温度,℃。
煤气)摩尔流量相等,热侧气体体积流量大于
由于两种工况下换热器的平均温差基本相
等,由式(1)可知,换热面积和热负荷成正冷侧气体的情况。
(1)若变换气走壳程,为了避免壳程气速
比。由表1数据可知,末期工况热负荷约为正常
高引起管束振动和声共鸣,变换气流速就需比走
工况热负荷的两倍,因此选用末期工况进行换热管程低,换热器壳体直径会比变换气走管程大,
器的设计计算。
水煤气气速也相应降低,换热器传热效率随之降
末期100%负荷工况设计计算(分设计模式低。由于变换气温度高,变换气走壳程,那么売
计算和校核模式计算)的换热器面积取不小于
10%的裕量。用该换热器校核末期110%负荷工
体可能就要用等级更高的材质,或增加壳体壁
厚。对于U型管式换热器,由于变换气和水煤
况下是否满足操作需要,最后模拟正常100%负
气都带少量灰尘,且水煤气带灰更多,更易结
荷工况下的操作情况。
垢,若变换气走壳程,换热器长期运行必然引起
3设计分析
管内结垢导致管程压降增大
(2)与变换气走壳程相比,水煤气走売程
3.1型式
的变换气可取相对较高的流速,壳体直径缩小,
分析煤气预热器的操作情况(图1和表1)传热效率增加,可降低壳体材质等级和壳体壁
可知,热侧气体和冷侧气体温差大,且热侧气体厚。为方便清洗,水煤气走壳程的换热管选择正
出口温度高于冷侧气体出口温度,换热管和壳体方形排布。
温差大。
3.3材质
1)当采用单管程时,如果选用固定管板
煤气预热器壳程和管程的设计压力都取
式换热器,则壳体需加膨胀节,但由于壳程压力
6.8MPa(C),売程水煤气和管程变换气的组成
高(设计压力6.8MPa(G))、壳体直径较大
(内径为120omn),膨胀节制造困难,只能选用见表2。
浮头式换热器,以管程膨胀节消除壳体与管束之
表2气预热器介质组分
(y%
间的温差应力。浮头式换热器根据后端管箱结构
O H CO2 N2+Ar CHA H25+COS H20
不同分为勾圏式浮头式(S型)、可抽式浮头水煤气19.0613.787.950.220.020.3258.65
(T型)、填料函式浮头(P型)和带套环填料函变换气3.4229,4223.600.220.020.3243.00
式浮头(W型),其中P型和W型由于易泄漏、
不适合高压,不能选用。考虑到T型壳径大于S
由表2可知,水煤气和变换气中H2含量较
型,为节省设备投资可选用BES型
高,操作温度均高于200℃,需考虑H2腐蚀
(2)当采用双管程时,可选用U型管式换壳程氢分压为6.9x0.1378=0.95MPa,根据
热器(BEU),壳体与管東之间不产生温差应《钢制化工容器材料选用规定〉HG20581-1998
力,结构简单,成本较低。由于管売程温差大,中的规定,并考虑20℃以上的温度安全裕量
壳程气量大,若选用双管程BEU型,売体直径在300℃以下可以使用碳钢,300℃以上需要使
可能要比选用BES单管程大得多,故其成本不用Cr-Mo钢。管程设计温度更高,氢分压也更
定比BES型低
高,考虑使用Cr-Mo钢。管壳程气体中都含一定
(3)BES型检修和清理的费用比BEU型要量的H2S,考虑高温H2S-H2腐蚀,根据《钢制