酯化反应釜夹套的传热计算

酯化反应釜夹套的传热计算 马欣 (中国纺织工业设计院 ,北京 　100037) 摘要 :通过计算液相热媒夹套和气相热媒冷凝夹套的给热系数 ,进行定量的比较。指出应用气相热媒冷凝夹套的优点 ,并对 它的设计进行了讨论。 关键词 :酯化反应釜 ;夹套换热器 ;气相热媒冷凝传热 ;液相热媒传热 中图分类号 :TQ 342. 2. 635. 2 　　文献标识码 :B 　　　文章编号 :100828261(2001) 0320024203 　　在聚酯生产中 ,70 %以上的热负荷被第一酯化 釜所消耗 ,第一酯化釜的加热能力直接影响到反应 器的生产能力 ,所以 ,提高第一酯化反应器的换热效 率 ,减少动力消耗是节能降耗的关键。 对于反应釜的夹套传热 ,各工程公司采取了不 同的加热方式 ,但均以提高传热效率为目的。吉玛 公司在 80 年代承包的聚酯装置中采用液相热媒加 热盘管和夹套 ,90 年代以来采用气相热媒夹套加热 的方式。伊文达公司采用气相热媒列管内循环的加 热方式 ,杜邦公司采用外虹吸式反应器并用气相热 媒加热。 反应器的供热由内加热器提供的热量和夹套提 供的热量两部分组成。一般认为内加热器的供热为 主要供热方式 ,夹套供热的影响较小。对于内加热 器的传热计算 ,国内已做了很多工作 ,在此不对它进 行过多论述 ,本文重点讨论夹套的传热计算和设计。 反应器的夹套传热有两种方式 ,一是液相热媒 传热 ,二是气相热媒冷凝传热。液相热媒加热是通 过夹套外壁的螺旋导流板进行的强制对流传热。气 相热媒冷凝加热是利用导生 A 的冷凝潜热对反应 器进行加热 ,其特点是加热温度均匀 ,消耗的动力 小。由于热媒冷凝时放出大量潜热 ,而且流体在传 热过程中保持恒定的温度 ,从而使壁面两侧具有较 高的温度梯度 ,加上气液两相的密度差所引起的流 动等 ,这些都大大促进了热量传递。因此 ,对于同类 物质 ,有相变的对流给热系数要比无相变的高得多。 本文采用设计工况的数据作计算 ,用定量的数据比 较采用液相夹套与气相夹套的给热系数的差异 ,以 便说明使用气相夹套加热的优势。 1 　强化传热的理论依据 根据传热基本方程 Q = K·A·Δt ,任何可以提 高传热系数 K值 ,增大传热面积 A 和温差Δt 的措 施都能提高传热效率。 　　1/ K = 1/α1 + 1/α2 +δn/λn (1) 式中的 K为传热总系数 ,α1、α2 为壁面两侧的 给热系数 ;δn/λn 为固壁、热阻等导热热阻之和。 由式 (1)不难得出 , K <αmin ,所以提高给热系数 较小一侧的给热系数才能有效地提高 K 值。反应 器壁采用导热系数较高的金属材料 ,其导热热阻不 会成为控制热阻。在器壁两侧的对流给热中的一侧 则会是控制热阻。找出控制热阻 ,再讨论以何种方 式降低控制热阻以取得较好的换热效果。 2 　传热计算公式的选择 211 　夹套内壁搅拌侧给热系数αj 的计算 反应釜内壁的传热计算与物料的性质、搅拌的 形式、釜径等诸多参数有关 ,所以对于不同的工况有 不同的计算公式。对于第一酯化釜 ,因它是全混釜 , 搅拌转速为 72～110 r/ min ,对于螺旋桨式搅拌器可 采用下列公式[1 ] : 　　αj Tλ = 0. 74·Re 0. 67·Pr0. 33·(μf1/μw) 0. 14 (2) 式中的μf1为流体平均温度时的粘度 ;μw 为壁温时 的粘度 ;λ为液体导热系数 ; T 为釜内径 ; Re 为雷诺 准数 ; Pr 为普兰德准数。 在酯化反应过程中 ,生成大量的水 ,反应釜内是 沸腾态 ,因此 ,夹套实际给热系数会比 (2) 式的计算 值大。 212 　夹套外壁液相热媒对流给热系数α0 的计算 液相热媒在夹套中的螺旋形导流板中流动 ,其 传热可与管内传热同样处理 ,用导流板的当量直径 作为管径 ,选用下列公式[2 ] : 　　α0 dλ = 0. 023·Re 0. 6·Pr0. 33·(μb/μw) 0. 14 (3) 收稿日期 :2001201202 ;修回日期 :2001204204。 作者简介 :马欣 (19752)男 ,陕西人 ,助理工程师 ,工学学士 ,从事聚酯 设计工作。 第 14 卷第 3 期 　2001206 　　　　　　　　　　　　聚 　酯 　工 　业Po l y e s t e r In d u s t r y 　　　　　　　　　　　　Vol 14 ,No. 3　2001206 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 式中的 d = 4 ×截面面积/ 润湿周边 ,螺旋导板的当 量直径 ;μb 为流体平均温度时的粘度 ;μw 为壁温时 的粘度 ;λ为液体的导热系数 , Re 为雷诺准数 ; Pr 为普兰德准数。 213 　夹套外壁气相热媒冷凝给热系数αi 的计算 当蒸气在传热表面上冷凝时 ,形成的冷凝液可 以有两种不同的状态 ,一种是形成膜状 ,另一种是形 成滴状。滴状冷凝时 ,由于传热面的大部分未被凝 液覆盖 ,传热阻力很小 ,传热膜系数很大。但在实际 操作中滴状冷凝是暂时的或发生在局部 ,大部分情 况是膜状冷凝 ,所以采用膜状冷凝给热系数计算公 式[3 ] : 　　αi = 1. 33 (3600λ 3γ2 r μLΔt ) 0. 25 (4) 　　式中的λ为凝液的导热系数 ,γ为凝液的密 度 ; r 为冷凝潜热 ;μ为冷凝液的粘度 ;Δt 为蒸气与 壁面的温度差 ; L 为流经壁面的长度。 3 　计算和比较 311 　给热系数比较 工况条件 :反应釜尺寸为 <4 200 ×3 600 mm ,反 应温度为 265 ℃,搅拌器直径 D = 1 700 mm ,搅拌转 速 N = 74 r/ min ,反应釜盘管加热面积为 420 m2 ,盘 管进口热媒温度为 297 ℃,出口热媒温度为 274 ℃, 液相热媒选用加氢三联苯 ,进口温度为 290 ℃,出口 为 284 ℃,夹套内导流板间的流速为 1 m/ s。(注 :导 流板间的流速是由 1 号泵出口管合理流速的高限值 213 m/ s 折算而来 ,应比实际流速高。)气相热媒选用 联苯2联苯醚 ,饱和蒸气温度取 280 ℃,并保持凝液 温度为 280 ℃。各种给热系数列于表 1。 表 1 　给热系数的比较 Tab. 1 　Comparison of heat transfer coefficient 搅拌侧给热系数 αj/ W·m - 2·K- 1 夹套液相对流给热系数 α0/ W·m - 2·K- 1 夹套气相冷凝给热系数 αi/ W·m - 2·K- 1 979 198 1240 　　由表 1 的计算结果可知 ,夹套液相对流给热系 数只相当于搅拌侧给热系数的 1/ 5 ,提高该给热系 数就是增强传热总系数的关键。对于液相热媒 ,增 强传热最直接的方法就是提高流速 ,但效果不会太 明显 ,可以说给热系数的提高是以能耗的急剧增加 为代价的 ,经济上不合理。若将夹套热媒改为气相 , 由表 1 可以看出 ,给热系数为液相的 6 倍 ,其提高是 十分明显的 ,这样控制热阻由液相热媒侧转向了反 应物料侧。 312 　传热总系数的比较 按着 KT = 1/ (1/α0 + 1/αj + ∑F) 计算传热总系 数列于表 2 。∑F 为壁阻和垢阻之和 ,由于它对总 传热的影响很小 ,在比较时不予考虑。 表 2 　传热总系数的比较 Tab. 2 　Comparison of total heat transfer coefficent 液相盘管 KT[4 ] 液相夹套 KT 气相夹套 KT 361. 1 164. 7 547 　　结果表明 ,采用气相夹套传热效果改变明显 ,且 可以看出气相夹套的传热系数高于液相盘管的传热 系数。 313 　总传热量的比较 对于一个盘管加热面积为 420 m2 ,具体尺寸为<4 600 ×4 200 mm 的反应器而言 ,计算其总传热量 对供热情况进行比较 ,按 Q = K·A·ΔTm 计算 ,总传 热量比较如表 3 所示。 表 3 　总传热量的比较 Tab. 3 　Comparison of total heat transfer capacity 盘管总传热量 / GJ·h - 1 液相夹套总传热量 / GJ·h - 1 气相夹套总传热量 / GJ·h - 1 11. 34 1. 01 2. 4 　　由表 3 可以看出 ,若以盘管的传热量作为反应 所需热量 ,采用液相热媒夹套提供的热量相当于总 传热量的 9 % ,而气相夹套可提供的热量是液相的 2 倍以上 ,且在气相热媒温度取值比液相低 10 ℃的 情况下 ,可减少盘管加热面积 50 m2 以上 ,即在同样 热负荷下 ,可相应减少 2 组盘管。使最低液位降低 了 015 m 左右。这有利于停留时间的减少 ,给优化 工艺参数以更大的空间。 4 　气相热媒夹套设计的讨论 ①气相加热对蒸气侧壁面的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 较高 ,需要保 证较高的光洁度 ,有利于壁面上滴状冷凝的形成 ,提 高给热效率。这一点对于设备加工而言是完全可以 实现的。 ②对于反应器的制造而言 ,对于液相热媒 ,不存 在相变问题 ,但要保证一定的传热所需流速 ,要考虑 夹套流道设计。封头处采用同心圆形密封流道 ,筒 体处采用螺旋形密封流道 ,这样会增加反应釜的成 本和制造难度。若采用气相热媒 ,则不必考虑流形 , 采用空夹套可降低制造成本 ,且外筒夹套加工的复 杂性降低。但空夹套并不意味着全空 ,需要一些必 ·52·第 3 期 　　　　　　　　　　　马欣 :酯化反应釜夹套的传热计算 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 要的支撑。 ③在设计中 ,应考虑将夹套分成由上至下的几 段加支撑隔板 ,则可减少 L 值 ,降低凝液膜生成厚 度和机会 ,增大给热系数 ,提高换热效率 ;减轻了内 壁受力 ,使内壁的强度设计要求降低 ,现行内壁厚度 不用增加 ;夹套体积减小 ,使热媒蒸气较易充满夹套 内部 ,使均匀加热更易实现。 5 　结论 ①采用液相热媒夹套给内部传热提供的热量较 少 ,占总传热量的 9 % ,但在反应器设计中 ,不宜忽 略它在传热中所起的作用。 ②气相热媒加热具有比液相热媒夹套加热高 6 倍以上的给热系数 ,且具有加热温度均匀 ,动力消耗 小的特点。采用气相热媒夹套代替液相热媒夹套可 增加传热面积 20 %左右。减轻了盘管加热的负荷 , 给工艺参数的优化提供了更大的空间。 ③反应器夹套的设计比液相夹套简单 ,使反应 釜的加工制造成本降低。 参考文献 : [1 ] 　丁绪淮 ,周理 1 液体搅拌[M]1 北京 :化学工业出版社 ,19831 [2 ] 　德意志联邦共和国工程师协会工艺与化学工程学会 1 传热手 册[M]1 化工部第 6 设计院译 1 北京 :化学工业出版社 ,19771 [3 ] 　《化学工程手册》编委会 1 化学工程手册 [ M]1 北京 :化学工业 出版社 119981 [4 ] 　张伟 ,赵玲 ,戴干策 ,等 1 酯化反应器中列管的传热分析与计算 [J ]1 聚酯工业 11996 ,9 (2) :2241 Heat transfer calculation of e sterification reactor jacket MA Xin (China Textile Industrial Engineering Institute ,Beijing　100037 ,China) Abstract :By calculating the heat transfer coefficents of liquid heating medium jacket and gas heating medium chilling jacket ,quantitative comparison was done. The advantages of gas heating medium chilling jacket were pointed out . The de2 sign of the jacket has been discussed. Key words :esterification reactor ;jacketed heat transfer ;gas heating medium chilling heat transfer ;liquid heating medium heat transfer 日本瓶用 PET树脂需求变迁 / t 1991 1995 1996 1997 1998 1999 2000 食 品 用 非 食 品 用 酱油 12 500 13 491 13 581 13 222 12 900 12 501 12 300 除酱油的调味料 1 722 9 674 11 031 10 565 11 489 14 267 13 700 食用油 1 642 1 373 1 160 1 461 1 511 2 079 2 000 酒类 5 739 9 788 10 233 10 836 10 234 11 479 11 000 清凉饮料 89 383 118 831 149 088 194 748 258 793 308 222 340 000 小计 110 986 153 157 185 093 230 832 294 927 348 584 379 000 洗涤剂 ,香波 11 358 14 472 12 052 12 807 10 657 9 630 9 000 化妆品 1 451 3 354 3 020 3 590 4 787 6 149 6 000 医药品、其他 1 960 1 847 3 258 4 500 3 528 6 159 5 000 小计 14 769 19 673 18 330 20 897 18 972 21 938 20 000 总计　　　　　 125 755 172 830 203 423 251 729 313 899 370 486 399 000 　　(注) 1)包括进口品 ; 　2) 1999 年前为实绩 ,2000 年为估计。 (王德诚　摘译自日本《纤维手册 ,2001 ,1998》) ·62· 聚 　酯 　工 　业 　　　　　　　　　　　　　　第 14 卷 　 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.