強(qiáng)化換熱型反應(yīng)釜技術(shù)改進(jìn)

常書浩，鄒永浩，趙東璞，王延花，程偉琴*

(1.鄭州蘭博爾科技有限公司，河南 鄭州 450000；2.河南省化工研究所有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450052；3.河南省科學(xué)院質(zhì)量檢驗(yàn)與分析測(cè)試研究中心，河南 鄭州 450008)

1 改進(jìn)前常用換熱反應(yīng)釜存在的問(wèn)題

化工反應(yīng)往往伴隨著吸熱和放熱過(guò)程，為了保證反應(yīng)順利進(jìn)行，吸熱反應(yīng)就需要不斷提供熱能來(lái)保持反應(yīng)所需要的溫度條件，放熱反應(yīng)需要有將反應(yīng)放出的熱量及時(shí)轉(zhuǎn)移走來(lái)維持反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行[1]。對(duì)于吸熱和放熱反應(yīng)的化工生產(chǎn)需要的設(shè)備也很多，而反應(yīng)釜是此類反應(yīng)使用最普通的一種，反應(yīng)釜包括釜體、傳熱裝置、攪拌裝置，傳動(dòng)裝置和軸封裝置，其傳熱裝置有的采用釜體外夾套換熱，有的采用釜體內(nèi)蛇管換熱，有的甚至既采用釜體外夾套換熱又采用釜體內(nèi)蛇管換熱[2]。但是，隨著技術(shù)發(fā)展及對(duì)反應(yīng)工藝條件更高換熱的要求，現(xiàn)在常規(guī)使用的是釜體外夾套換熱反應(yīng)釜仍存在以下不足：①由于受釜體外表面局限，換熱面積有限，不能滿足對(duì)換熱要求較高的生產(chǎn)工藝條件。②受釜體殼強(qiáng)度影響，不能滿足一些熱介質(zhì)較高壓力和流量的工藝要求。③受釜體夾套內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，熱介質(zhì)在夾套內(nèi)流動(dòng)有部分死角，且流速及流向不均勻，影響整體熱交換效果[3]。

本文創(chuàng)新性地采用半管和蛇管一體化的設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的強(qiáng)化換熱型反應(yīng)釜可有效解決只能用反應(yīng)釜的化工反應(yīng)且對(duì)反應(yīng)熱交換要求條件較高，反應(yīng)劇烈，放出或吸收的能量較大及需要及時(shí)快速升溫或降溫的反應(yīng)工藝問(wèn)題。

2 改進(jìn)后的強(qiáng)化換熱型反應(yīng)釜

本次設(shè)計(jì)改進(jìn)主要是在常規(guī)換熱反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將半管和蛇管一體化，改進(jìn)后的強(qiáng)化換熱型反應(yīng)釜如圖1所示，其剖視圖如圖2所示。

圖1 改進(jìn)后的強(qiáng)化換熱型反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 改進(jìn)后的強(qiáng)化換熱型反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)剖視圖

由圖1知，釜外換熱管與釜內(nèi)換熱管交錯(cuò)循環(huán)連通，形成多層次循環(huán)遞進(jìn)、內(nèi)外互通的換熱通道，增大換熱面積，該強(qiáng)化換熱型反應(yīng)釜中釜外換熱管的工作有兩種情況：①釜外換熱管采用雙數(shù)列時(shí)，在換熱夾套上設(shè)置有換熱介質(zhì)進(jìn)出口，換熱介質(zhì)從換熱介質(zhì)進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)最低一層的釜內(nèi)換熱管進(jìn)入最低的所述釜外換熱管，依次往上，到達(dá)最高的釜外換熱管；然后再通過(guò)釜內(nèi)換熱管進(jìn)入次高的釜外換熱管，依次往下，形成一個(gè)循環(huán)，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后，從換熱介質(zhì)出口排出，實(shí)現(xiàn)釜外流體的循環(huán)周期。②釜外換熱管采用單數(shù)列時(shí)，在換熱夾套上設(shè)置有換熱介質(zhì)進(jìn)口，在換熱轉(zhuǎn)接管上設(shè)置有換熱介質(zhì)出口。換熱介質(zhì)從換熱介質(zhì)進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)最低一層的釜內(nèi)換熱管進(jìn)入最低的所述釜外換熱管，依次往上，到達(dá)最高的釜外換熱管；然后再通過(guò)釜內(nèi)換熱管進(jìn)入次最高的釜外換熱管，依次往下，形成一個(gè)循環(huán)，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后；最后由換熱介質(zhì)出口排出[4-5]。

具體的換熱方法主要有4個(gè)技術(shù)特點(diǎn)：①該反應(yīng)釜釜體的外表面上部設(shè)置有換熱轉(zhuǎn)接管，外表面中下部從上到下之間設(shè)置有釜外換熱管，釜體外表面底部設(shè)置有換熱夾套。上下相鄰的外換熱管之間、換熱夾套與底部的外換熱管之間、換熱管與上部釜外換熱管之間均通過(guò)釜內(nèi)換熱管連通，釜內(nèi)換熱管沿圓周間隙設(shè)置在釜體內(nèi)表面上，釜外換熱管、釜外轉(zhuǎn)接管和換熱夾套均由至少兩個(gè)封閉腔室構(gòu)成，換熱夾套和換熱轉(zhuǎn)換管上分別設(shè)置有換熱介質(zhì)進(jìn)出口，換熱介質(zhì)在換熱夾套、釜外換熱管、釜內(nèi)換熱管和換熱轉(zhuǎn)換管內(nèi)依次交錯(cuò)流通，形成層層遞進(jìn)式換熱循環(huán)。②釜外換熱管的封閉腔室數(shù)量與換熱夾套相同，并且釜外換熱管的封閉腔室數(shù)量為偶數(shù)時(shí)，換熱轉(zhuǎn)換管的封閉腔室數(shù)量為釜外的封閉腔室數(shù)量的一半，釜外換熱管的封閉腔室數(shù)量為奇數(shù)時(shí)，換熱轉(zhuǎn)換管的封閉腔室數(shù)量為釜外的封閉腔室數(shù)量加一的一半。③釜內(nèi)換熱管的分組設(shè)置，其分組數(shù)量與釜外換熱管的封閉腔室數(shù)量也相同，釜內(nèi)換熱管分組有雙數(shù)列或單數(shù)列兩種情況；換熱夾套的封閉腔室相互獨(dú)立，換熱夾套的封閉腔室中部分封閉腔室相互連通。④釜外換熱管為半管式結(jié)構(gòu)，焊接固定在釜體外表面上，釜內(nèi)換熱管為U形圓管；釜內(nèi)換熱管的下端管口與下釜外換熱管或換熱夾套的高位連通，釜內(nèi)換熱管的上端管口與上釜外換熱管或換熱轉(zhuǎn)接管的低位連通[6-7]。

以上采用釜外半管換熱與釜內(nèi)蛇管共用技術(shù)可使用于各常規(guī)及非標(biāo)型號(hào)的換熱反應(yīng)釜，換熱管道可根據(jù)反應(yīng)釜型號(hào)或反應(yīng)工藝條件需要選擇不同規(guī)格、壓力的及相應(yīng)的管徑管道，2 000 L以上反應(yīng)釜內(nèi)管長(zhǎng)度一般可在5～10 cm。以3 000 L反應(yīng)釜為例，換熱管為DN50，相鄰管道中心距為10 cm，釜內(nèi)部分管道長(zhǎng)度5 cm，釜體布管總高為150 cm，需總布管點(diǎn)位為750個(gè)，連接彎頭管道總面積約10.79 m2，釜體璧外部分面積5.39 m2左右，釜體部分總面積為16.18 m2左右，正常的3 000 L反應(yīng)釜夾套面積為8.4 m2左右，不含釜底封頭部分，換熱面積增加明顯，基本增加近一倍的換熱面積。若根據(jù)各類反應(yīng)工藝不同，為了便于設(shè)備制作，管道焊接等因素，選擇的換熱管徑及布管中心距不同，增加換熱面積也至少30%以上，其同等換熱面積下?lián)Q熱效果也增加30%以上。

3 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)常用的換熱反應(yīng)釜進(jìn)行創(chuàng)新性改進(jìn)，采用釜外半管換熱與釜內(nèi)蛇管共用技術(shù)，可減少因局部過(guò)熱而發(fā)生的副反應(yīng)，增大換熱面積，加強(qiáng)了傳質(zhì)、傳熱和返混，增加釜內(nèi)反應(yīng)液的混合與分散，減少釜內(nèi)反應(yīng)液的流動(dòng)阻力和流動(dòng)死角，縮短反應(yīng)時(shí)間，提高換熱效果。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)反應(yīng)計(jì)算，可提高換熱效果30 %以上，由于新型強(qiáng)化換熱反應(yīng)釜可快速進(jìn)行熱交換，使反應(yīng)溫度穩(wěn)定的同時(shí)減少了溫度波動(dòng)，為工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程提供有力的安全保障。