連續(xù)換熱管式連續(xù)換熱催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

連續(xù)換熱研究背景

反應(yīng)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(guān)鍵設(shè)備，是生產(chǎn)過程中一系列設(shè)備中的核心設(shè)備，反應(yīng)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(yīng)器的選型、設(shè)計(jì)計(jì)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(yīng)器多種多樣，根據(jù)結(jié)構(gòu)型式可分為塔式反應(yīng)器、管式反應(yīng)器和釜式反應(yīng)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(yīng)器是應(yīng)用較多的一種連續(xù)操作反應(yīng)器，常用的管式反應(yīng)器有水平管式反應(yīng)器、立管式反應(yīng)器、盤管式反應(yīng)器和U形管式反應(yīng)器等型式。由于管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、加工方、便耐高壓、傳熱面積大，特別適用于強(qiáng)烈放熱和加壓下的反應(yīng)，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、節(jié)省動(dòng)力、生產(chǎn)能力高等特點(diǎn)，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(yīng)。為保證式反應(yīng)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(yīng)器，一般要求流體在管內(nèi)作高速湍流運(yùn)動(dòng)。管式連續(xù)換熱催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容是：選擇合適的反應(yīng)器型式；確定最佳的工藝條件；計(jì)算需要的反應(yīng)器體積。設(shè)計(jì)計(jì)算中所應(yīng)用的基本方程式是物料衡算式、熱量衡算式和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式，反應(yīng)過程如有較大的壓力降并影響反應(yīng)速度時(shí)，還要加上動(dòng)量衡算式。管式連續(xù)換熱催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)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(yīng)器內(nèi)溫度和反應(yīng)物濃度等參數(shù)隨空間或時(shí)間而變，化學(xué)反應(yīng)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(shí)間作為物料衡算的空間基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn)。

對(duì)理想管式流動(dòng)反應(yīng)器建立物料衡算式，可以得到理想管式流動(dòng)反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方程式。物料在管式流動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行理想置換流動(dòng)時(shí)，物料衡算式有如下特點(diǎn)：

（1）物料流動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)物料濃度、溫度和反應(yīng)速度均不隨時(shí)間而變，故可取任意時(shí)間間隔進(jìn)行衡算。

（2）沿流動(dòng)方向物料濃度、溫度和反應(yīng)速度的改變。

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

物料衡算式給出了反應(yīng)物濃度或轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)器內(nèi)位置或時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系。

連續(xù)換熱熱量衡算

反應(yīng)均有顯著的熱效應(yīng)，因此隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，物系的溫度也有所變化，而溫度變化又會(huì)影響反應(yīng)速度，必須通過熱量衡算計(jì)算反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)溫度(或各個(gè)時(shí)間的溫度)，進(jìn)而確定該點(diǎn)(或該時(shí)間)的化學(xué)反應(yīng)速度。

與物料衡算一樣，應(yīng)選取溫度和濃度等參數(shù)不變的微元時(shí)間和微元體積為基準(zhǔn)。計(jì)算熱量時(shí)，同一熱量衡算式內(nèi)各項(xiàng)熱量應(yīng)取同一基準(zhǔn)溫度。

熱量衡算式給出了溫度隨反應(yīng)器內(nèi)位置或時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系式。物料衡算式、熱量衡算式和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(shí)，必須知道反應(yīng)器內(nèi)物料流動(dòng)混合狀況，因?yàn)?

流動(dòng)混合狀況影響著反應(yīng)器內(nèi)的濃度和溫度分布。生產(chǎn)實(shí)際中，細(xì)長型的管式流動(dòng)反應(yīng)器，可以近似地看成理想置換反應(yīng)器。

連續(xù)換熱研究結(jié)論

進(jìn)行一個(gè)特定的化學(xué)反應(yīng)，采用數(shù)學(xué)模擬法完成反應(yīng)器的放大設(shè)計(jì)后，還需結(jié)合反應(yīng)特點(diǎn)通過對(duì)反應(yīng)器的性能進(jìn)行比較而選擇適宜的反應(yīng)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(shí)間單位體積反應(yīng)器所能得到的產(chǎn)物量，也就是在得到同等產(chǎn)物量時(shí)所需反應(yīng)器體積大小的比較。第二，反應(yīng)的選擇性，即主副反應(yīng)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(shè)備的大小，因此應(yīng)選擇能提高主反應(yīng)產(chǎn)物的操作方式。反應(yīng)的選擇性往往是復(fù)雜反應(yīng)的主要矛盾，采用數(shù)學(xué)模擬法可使這一反復(fù)過程變得相對(duì)簡單些。 必須指出，采用數(shù)學(xué)模擬法并不是說可以完全脫離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相反，它需要更為精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模擬計(jì)算過程和結(jié)果正確性，只是需要的實(shí)驗(yàn)量較小。 2100433B

隨著近20年來熱管技術(shù)的興起與發(fā)展，采用熱管技術(shù)實(shí)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(diǎn)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(yīng)氣體的均勻冷卻。此外，熱管的外部可加高翅片強(qiáng)化傳熱，總傳熱系數(shù)可達(dá)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(shè)備造價(jià)，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(shí)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(yīng)氣流方向分割為有限多個(gè)傳熱—反應(yīng)微元段，每經(jīng)過一微元(絕熱)反應(yīng)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(gè)反應(yīng)過程是以反應(yīng)氣溫度小階梯式跳躍貼近最佳反應(yīng)溫度曲線，見圖2。

該反應(yīng)過程比硫酸生產(chǎn)中使用的絕熱反應(yīng)—分段外部換熱過程相比，能調(diào)節(jié)控制反應(yīng)微元段的溫度波動(dòng)范圍在最佳反應(yīng)溫度曲線附近，避免絕熱反應(yīng)溫度波動(dòng)過大、偏離最佳反應(yīng)溫度曲線過遠(yuǎn)的缺點(diǎn)，可有效提高反應(yīng)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(jié)構(gòu)簡單，使用方便，氣阻小，與轉(zhuǎn)化反應(yīng)器可構(gòu)成微縮化的SO₂氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，能省去復(fù)雜龐大的外部換熱器，減小設(shè)備材耗，降低設(shè)備投資，并節(jié)省系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的操作電耗，是一舉多得的改進(jìn)方案。

連續(xù)換熱硫酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較

對(duì)年產(chǎn)4萬噸硫酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(shè)備總費(fèi)用為100.5萬元，總年費(fèi)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(shè)備總費(fèi)用為76.35萬元，總年費(fèi)為44.6萬元。設(shè)計(jì)方案的比較結(jié)果表明，采用連續(xù)換熱的SO₂轉(zhuǎn)化系統(tǒng)在設(shè)備投資與操作費(fèi)用上都顯著低于普通兩轉(zhuǎn)兩吸SO₂轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。

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(huì)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(shí)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(shí)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(gòu)成傳熱微元段，實(shí)現(xiàn)SO₂氧化過程連續(xù)換熱的方法，從而使整個(gè)反應(yīng)過程貼近最佳反應(yīng)溫度曲線。并作了設(shè)計(jì)方案的比較，結(jié)果表明，采用連續(xù)換熱的SO₂轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，催化劑用量、設(shè)備總投資及操作總年費(fèi)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(gè)塔以管道首尾相連。構(gòu)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(shè)備體積小、出水質(zhì)量好和出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但其操作復(fù)雜，樹脂耗損高。

輻射換熱是各種工業(yè)爐、鍋爐等高溫?zé)崃υO(shè)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(guān)。

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