4万吨/年甲烷氯化物工程项目中固定双管板换热器设计
THE DESIGN OF FIXED DOUBLE TUBE SHEET HEAT EXCHANGER IN FORTY THOUSAND
TONS PER YEAR CHLORIDE
METHANE PROJECTS
ABSTRACT
The topic of this design is fixed double tube plate heat exchanger ,this design using selected chloride methane project engineering process conditions,completed the process of the double tube plate heat exchanger. On the basis of the analysis and search of the existing literature, in accordance with GB150、GB151 and other relevant professional standards，it completed the conventional and process design of double tube plate heat exchanger from the process, structural, mechanical and other respect. By checking the design，the structure of the double tube plate heat exchanger meet the technological requirements and mechanical requirements.According to the size of design of the fixed double tubesheet heat exchanger,drawed assembly drawing and related parts graph.
KEY WORDS double tubesheet; design; check
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4万吨/年甲烷氯化物工程项目中固定双管板换热器设计
绪论
双管板换热器一般有两种形式，普通型双管板和整块式双管板。在实际使用中，采用普通型双管板较为普遍，由于整块式双管板加工麻烦，所以采用较少。
双管板换热器主要在下列情况下中采用：
（1）防腐蚀：管程和壳程的介质不接触时不会产生腐蚀现象，但当两种介质相混合后会引起严重腐蚀；
（2）劳动保护：如一程为剧毒的介质，如果渗入另外一程内，而将引起剧毒的物质波及到大面积的场合；
（3）安全方面:当两种介质相混合后，会引起燃烧或爆炸； （4）设备的污垢：当两种介质相混合后，会形成树脂状物质或聚合 （5）催化剂中毒：当一种介质混入第二种介质后，会使催化剂中毒； （6）产品不纯：当一种介质与另一种介质接触后，可能会污染产品，使产品质量下降；
双管板换热器可解决一般换热器在换热器和管板焊接或胀接处产生泄露问题，避免管程介质与壳程介质相混合。双管板之间采用聚液壳相接，聚液壳用来调整两管板间距且保证两管板平行，聚液壳体用来封闭相邻两管板间的间隙，以收集渗漏出的流体及防止有毒气体外泄，同时可在聚液壳体内冲入惰性气体或充满液体。该气体或液体的压力，需比管内和管间的压力稍高，充入聚液壳体中的气体或液体允许渗漏，但必须不影响两侧流体工作状况。
本设计任务中由于氯甲烷有毒的特殊性，故对加热其所需要的换热器密封性要求较高，所以利用双管板换热器能很好的解决此问题。设计首先需根据其工艺条件对其进行工艺设计，初步确定换热器壳体、换热管的各种尺寸，并校
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核其是否满足工艺要求；然后根据换热器的尺寸选择所需的一系列机械结构；最后对设计的换热器进行强度校核和稳定性校核。
1工艺设计
1.1 氯甲烷的生产工艺
甲烷氯化物是包括一氯甲烷（氯甲烷）、二氯甲烷、三氯甲烷（也称氯仿）、四氯化碳四种产品的总称，简称CMS。是有机产品中仅次于氯乙烯的大宗氯系产品，为重要的化工原料和有机溶剂。
氯甲烷的生产方法基本可分为两类：一类是通过甲烷氯化生产四种氯甲烷；另一类则是采用不同的原料专门生产四氯化碳或一氯甲烷。
（1）甲烷氯化法
甲烷在光或热的引发下与氯反应，其过程是： CH4?Cl2???CH3Cl?HCl CH3Cl?Cl2???CH2Cl2?HCl CH2Cl2?Cl2???CHCl3?HCl CHCl3?Cl2???CCl4?HCl
此过程得到的产品是上述四种氯化物的混合物，可通过精馏,分离为四种产物。适当调节甲烷与氯的分子比,可使四种氯化物分别达到很高的产率。但甲烷与氯的配比不能过小，因氯化是强放热反应，配比愈小，生成高氯化物愈多，放出的热量愈大。如不及时移走反应热，当温度高于500℃时，就会发生分解爆炸反应而生成炭。为了使氯化反应能顺利进行，一般用大量过量甲烷在反应系统中循环，以稀释原料气，移走反应热。如需多产高氯化物，则可将低氯化物作为循环气返回反应器，以得到所需的氯化深度。
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一般将甲烷、氯、循环气以2:1:9的体积比,在混合器中混合后，再进入反应器。在380～450℃、接近常压下进行反应。反应混合物经冷却、水洗(脱氯化氢)、碱洗、干燥、冷凝，然后送至分离器进行分离。不凝气体除一部分当作尾气经处理后放空外，其余部分循环使用。冷凝液经精馏即得到各种氯代甲烷。甲烷氯化物的选择性大于97％，氯转化率大于99％。
（2）甲醇氯化法
可由甲醇在液相或气相进行反应： CHO?H3H?C?l?3CH?2 ClHO 液相反应时，将甲醇蒸气和氯化氢通入氯化锌水溶液中，在100～150℃下进行反应生成气态一氯甲烷，产物经水洗、冷却、干燥、压缩冷凝等后处理即得产品。气相反应时用氧化铝作催化剂(见固体酸催化剂)，在300～350℃、0.3～0.6MPa下进行。后处理与液相法相同。该过程收率以甲醇计为92％～98％，以氯计为93％～95％。
1.2 设计任务和设计条件
用蒸汽对氯甲烷进料预热，已知氯甲烷（CH3Cl）的流量为5859.4kg/h，压力0.74MPa蒸汽的压力为0.25MPa，蒸汽入口温度138℃，出口温度138℃，氯甲烷进口温度为67℃，出口温度为85℃，设计一台固定双管板换热器，完成该生产任务。
1.3 确定设计方案
1.3.1 被加热物料成分
根据相关资料知氯甲烷工程被加热混合物的组分为： CH3Cl: 80% HCl: 20%
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1.3.2 选择换热器类型
因管程流体氯甲烷有毒，且混合气中的HCl气体极易溶于水，影响生产进行，而双管板换热器可解决一般换热器在换热器和管板焊接或胀接处产生泄露问题，双管板之间采用聚液壳相接，封闭相邻两管板之间渗漏处的流体或气体，避免管程介质与壳程介质相混合，防止有毒介质外溢，并可以及时发现排除，且固定管板式换热器结构紧凑，排管较多，在相同直径情况下面积较大，制造较简单，初步确定选用固定双管板换热器。
1.3.3 流程安排
在列管式换热器设计中，冷、热流的流程，需进行合理安排，因此换热过程中有饱和蒸汽冷凝，应使饱和蒸汽走壳程，便于排出冷凝液，故热流体饱和蒸汽走壳程，冷流体氯甲烷走管程。
1.3.4 物性参数的确定
定性温度:对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。
管程混合气体的定性温度为：t=
67?85?76℃ 2混合气体在76℃下的有关物性参数如下：
密度：?c=1.974㎏/m3 定压比热容：Cp=3.690kJ/(kg·℃) 黏度：?c =1.310×10?5Pa·s 导热系数：?h=0.0161W/(㎡·℃) 壳程流体的定性温度为: T=138℃ 138℃下的饱和蒸汽物性数据如下：
密度：ρh=1.842㎏/m3 汽化热：r=2176.3kJ／kg
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