連續(xù)換熱

隨著近20年來熱管技術的興起與發(fā)展，采用熱管技術實現(xiàn)SO₂氧化過程連續(xù)換熱將成為可能。熱管的最大優(yōu)點在于，它是依靠管內(nèi)介質(zhì)的相變熱移送熱量，不但移送熱流率大，而且溫度均勻，冷熱兩端溫差僅1℃左右，有利于反應氣體的均勻冷卻。此外，熱管的外部可加高翅片強化傳熱，總傳熱系數(shù)可達100W/(m²·℃)以上，比現(xiàn)有管殼式換熱器的總傳熱系數(shù)提高數(shù)倍，可大大縮小換熱面積，簡化生產(chǎn)流程，降低設備造價，減少系統(tǒng)氣阻，因此，熱管將成為一種很有前途的SO₂氧化過程連續(xù)換熱元件。

連續(xù)換熱SO2氧化過程的連續(xù)換熱方法討論

實施該過程的流程示意圖見圖1。該過程將熱管與觸媒沿反應氣流方向分割為有限多個傳熱—反應微元段，每經(jīng)過一微元(絕熱)反應段，氣溫就沿絕熱線有一小階梯躍升，而緊接一微元傳熱段，將氣體沿水平線冷卻降溫一小階梯，整個反應過程是以反應氣溫度小階梯式跳躍貼近最佳反應溫度曲線，見圖2。

該反應過程比硫酸生產(chǎn)中使用的絕熱反應—分段外部換熱過程相比，能調(diào)節(jié)控制反應微元段的溫度波動范圍在最佳反應溫度曲線附近，避免絕熱反應溫度波動過大、偏離最佳反應溫度曲線過遠的缺點，可有效提高反應過程的平均轉(zhuǎn)化溫度，增大轉(zhuǎn)化速率。由于熱管是一種高效傳熱元件，結構簡單，使用方便，氣阻小，與轉(zhuǎn)化反應器可構成微縮化的SO₂氧化反應轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，能省去復雜龐大的外部換熱器，減小設備材耗，降低設備投資，并節(jié)省系統(tǒng)風機的操作電耗，是一舉多得的改進方案。

連續(xù)換熱硫酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)設計方案比較

對年產(chǎn)4萬噸硫酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進行了設計比較，在相同的產(chǎn)酸量及8.5%SO₂入口氣體濃度的條件下，采用外部換熱式的普通兩轉(zhuǎn)兩吸SO₂轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，觸媒用量為31.08m³，換熱面積為1077m²，設備總費用為100.5萬元，總年費為48.9萬元。而采用內(nèi)部換熱式連續(xù)換熱兩轉(zhuǎn)兩吸SO₂轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，觸媒用量僅為17.37m³，轉(zhuǎn)化器外換熱器面積為 782.57m²，設備總費用為76.35萬元，總年費為44.6萬元。設計方案的比較結果表明，采用連續(xù)換熱的SO₂轉(zhuǎn)化系統(tǒng)在設備投資與操作費用上都顯著低于普通兩轉(zhuǎn)兩吸SO₂轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。

連續(xù)換熱研究背景

反應器是食品添加劑、芳香除臭劑、脂肪酸及其衍生物等行業(yè)生產(chǎn)中的關鍵設備，是生產(chǎn)過程中一系列設備中的核心設備，反應器的型式、尺寸大小等，在很大程度上決定著產(chǎn)量和質(zhì)量，因此反應器的選型、設計計算和選擇最優(yōu)化的操作條件，是化工生產(chǎn)中極為重要的課題。

反應器多種多樣，根據(jù)結構型式可分為塔式反應器、管式反應器和釜式反應器。根據(jù)操作方式可分為間歇、連續(xù)、半連續(xù)(或半間歇)三種方式。管式反應器是應用較多的一種連續(xù)操作反應器，常用的管式反應器有水平管式反應器、立管式反應器、盤管式反應器和U形管式反應器等型式。由于管式反應器結構簡單、加工方、便耐高壓、傳熱面積大，特別適用于強烈放熱和加壓下的反應，易實現(xiàn)自動控制、節(jié)省動力、生產(chǎn)能力高等特點，因此廣泛用于氣相、均液相、非均液相、氣液相、氣固相、固相等反應。為保證式反應器內(nèi)具有良好的傳熱與傳質(zhì)條件，使之接近于理想置換反應器，一般要求流體在管內(nèi)作高速湍流運動。管式連續(xù)換熱催化反應器設計的基本內(nèi)容是：選擇合適的反應器型式；確定最佳的工藝條件；計算需要的反應器體積。設計計算中所應用的基本方程式是物料衡算式、熱量衡算式和反應動力學方程式，反應過程如有較大的壓力降并影響反應速度時，還要加上動量衡算式。管式連續(xù)換熱催化反應器的設計計算也就是上述方程組的求解。

連續(xù)換熱物料衡算

由于反應器內(nèi)溫度和反應物濃度等參數(shù)隨空間或時間而變，化學反應速度也隨之改變，因而必須選取上述參數(shù)不變的微元體積和微元時間作為物料衡算的空間基準和時間基準。

對理想管式流動反應器建立物料衡算式，可以得到理想管式流動反應器的基礎設計方程式。物料在管式流動反應器內(nèi)進行理想置換流動時，物料衡算式有如下特點：

（1）物料流動處于穩(wěn)定狀態(tài)，反應器內(nèi)各點物料濃度、溫度和反應速度均不隨時間而變，故可取任意時間間隔進行衡算。

（2）沿流動方向物料濃度、溫度和反應速度的改變。

（3）穩(wěn)定狀態(tài)下，微元時間、微元體積內(nèi)反應物的積累量為零。

物料衡算式給出了反應物濃度或轉(zhuǎn)化率隨反應器內(nèi)位置或時間變化的函數(shù)關系。

連續(xù)換熱熱量衡算

反應均有顯著的熱效應，因此隨著化學反應的進行，物系的溫度也有所變化，而溫度變化又會影響反應速度，必須通過熱量衡算計算反應器內(nèi)各點溫度(或各個時間的溫度)，進而確定該點(或該時間)的化學反應速度。

與物料衡算一樣，應選取溫度和濃度等參數(shù)不變的微元時間和微元體積為基準。計算熱量時，同一熱量衡算式內(nèi)各項熱量應取同一基準溫度。

熱量衡算式給出了溫度隨反應器內(nèi)位置或時間變化的函數(shù)關系式。物料衡算式、熱量衡算式和反應動力學方程式是相互依存、緊密聯(lián)系的。在物料衡算和熱量衡算聯(lián)立方程時，必須知道反應器內(nèi)物料流動混合狀況，因為

流動混合狀況影響著反應器內(nèi)的濃度和溫度分布。生產(chǎn)實際中，細長型的管式流動反應器，可以近似地看成理想置換反應器。

連續(xù)換熱研究結論

進行一個特定的化學反應，采用數(shù)學模擬法完成反應器的放大設計后，還需結合反應特點通過對反應器的性能進行比較而選擇適宜的反應器型式和操作方式。比較的依據(jù)為：第一，生產(chǎn)能力，即單位時間單位體積反應器所能得到的產(chǎn)物量，也就是在得到同等產(chǎn)物量時所需反應器體積大小的比較。第二，反應的選擇性，即主副反應產(chǎn)物的比例。副產(chǎn)物的多少影響著原料的消耗量、分離流程的選擇及分離設備的大小，因此應選擇能提高主反應產(chǎn)物的操作方式。反應的選擇性往往是復雜反應的主要矛盾，采用數(shù)學模擬法可使這一反復過程變得相對簡單些。 必須指出，采用數(shù)學模擬法并不是說可以完全脫離實驗數(shù)據(jù)，相反，它需要更為精確的實驗數(shù)據(jù)驗證模擬計算過程和結果正確性，只是需要的實驗量較小。 2100433B

換熱系統(tǒng)是化工過程中必不可少的子系統(tǒng)，屬于工業(yè)輔助系統(tǒng)，工業(yè)中通常會采用換熱系統(tǒng)來為核心工藝單元提供能量和將產(chǎn)品冷卻到規(guī)定溫度，降低化工過程的能耗、提高能效。例如在硫酸生產(chǎn)過程中如何實現(xiàn)SO₂氧化過程的連續(xù)化換熱，幾十年來一直是硫酸行業(yè)注重的研究課題之一。實現(xiàn)過程連續(xù)換熱的好處顯而易見。探討一種采用熱管構成傳熱微元段，實現(xiàn)SO₂氧化過程連續(xù)換熱的方法，從而使整個反應過程貼近最佳反應溫度曲線。并作了設計方案的比較，結果表明，采用連續(xù)換熱的SO₂轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，催化劑用量、設備總投資及操作總年費明顯優(yōu)于普通轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。

連續(xù)離子交換rontinun}} ion exc}lan;}e離子交換過程分別在交換塔、再生塔和清洗塔中完成。三個塔以管道首尾相連。構成一循環(huán)系統(tǒng)。一與固定床相比，具有樹脂裝填量少，再生劑省、設備體積小、出水質(zhì)量好和出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點。但其操作復雜，樹脂耗損高。

輻射換熱是各種工業(yè)爐、鍋爐等高溫熱力設備中重要的換熱方式。常見的問題有兩類：固體表面間的輻射換熱，取決于輻射角系數(shù)F和黑度ε值；固體表面間夾有氣體的輻射換熱，除F和ε值外，還與氣體夾層厚度及其黑度有關。

污水換熱是指通過科學、合理的換熱技術與手段將污水中的熱能進行有效地提取與利用，從而達到節(jié)約能源，減少環(huán)境污染的目的。