聚酯反應(yīng)器的傳熱分析

聚酯反應(yīng)器的傳熱分析

在聚合物生產(chǎn)中，70%以上的熱負(fù)荷被第一反應(yīng)裝置消耗，第一酯反應(yīng)裝置的加熱能力直接影響反應(yīng)裝置的生產(chǎn)能力。因此，第一聚焦裝置的加熱能力和能耗是降低成本的關(guān)鍵。對(duì)于反應(yīng)釜的夾套傳熱,各工程公司采取了不同的加熱方式,但均以提高傳熱效率為目的。吉瑪公司在80年代承包的聚酯裝置中采用液相熱媒加熱盤管和夾套,90年代以來采用氣相熱媒夾套加熱的方式。伊文達(dá)公司采用氣相熱媒列管內(nèi)循環(huán)的加熱方式,杜邦公司采用外虹吸式反應(yīng)器并用氣相熱媒加熱。反應(yīng)器的供熱由內(nèi)加熱器提供的熱量和夾套提供的熱量?jī)刹糠纸M成。一般認(rèn)為內(nèi)加熱器的供熱為主要供熱方式,夾套供熱的影響較小。對(duì)于內(nèi)加熱器的傳熱計(jì)算,國內(nèi)已做了很多工作,在此不對(duì)它進(jìn)行過多論述,本文重點(diǎn)討論夾套的傳熱計(jì)算和設(shè)計(jì)。反應(yīng)器的夾套傳熱有兩種方式,一是液相熱媒傳熱,二是氣相熱媒冷凝傳熱。液相熱媒加熱是通過夾套外壁的螺旋導(dǎo)流板進(jìn)行的強(qiáng)制對(duì)流傳熱。氣相熱媒冷凝加熱是利用導(dǎo)生A的冷凝潛熱對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行加熱,其特點(diǎn)是加熱溫度均勻,消耗的動(dòng)力小。由于熱媒冷凝時(shí)放出大量潛熱,而且流體在傳熱過程中保持恒定的溫度,從而使壁面兩側(cè)具有較高的溫度梯度,加上氣液兩相的密度差所引起的流動(dòng)等,這些都大大促進(jìn)了熱量傳遞。因此,對(duì)于同類物質(zhì),有相變的對(duì)流給熱系數(shù)要比無相變的高得多。本文采用設(shè)計(jì)工況的數(shù)據(jù)作計(jì)算,用定量的數(shù)據(jù)比較采用液相夾套與氣相夾套的給熱系數(shù)的差異,以便說明使用氣相夾套加熱的優(yōu)勢(shì)。1給熱系數(shù)的確定根據(jù)傳熱基本方程Q=K·A·Δt,任何可以提高傳熱系數(shù)K值,增大傳熱面積A和溫差Δt的措施都能提高傳熱效率。1/K=1/α1+1/α2+δn/λn(1)式中的K為傳熱總系數(shù),α1、α2為壁面兩側(cè)的給熱系數(shù);δn/λn為固壁、熱阻等導(dǎo)熱熱阻之和。由式(1)不難得出,K<αmin,所以提高給熱系數(shù)較小一側(cè)的給熱系數(shù)才能有效地提高K值。反應(yīng)器壁采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的金屬材料,其導(dǎo)熱熱阻不會(huì)成為控制熱阻。在器壁兩側(cè)的對(duì)流給熱中的一側(cè)則會(huì)是控制熱阻。找出控制熱阻,再討論以何種方式降低控制熱阻以取得較好的換熱效果。2計(jì)算開口的公式的選擇2.1螺旋式冷凝器反應(yīng)釜內(nèi)壁的傳熱計(jì)算與物料的性質(zhì)、攪拌的形式、釜徑等諸多參數(shù)有關(guān),所以對(duì)于不同的工況有不同的計(jì)算公式。對(duì)于第一酯化釜,因它是全混釜,攪拌轉(zhuǎn)速為72～110r/min,對(duì)于螺旋槳式攪拌器可采用下列公式:αjTλ=0.74?Re0.67?Pr0.33?(μf1/μw)0.14(2)αjΤλ=0.74?Re0.67?Ρr0.33?(μf1/μw)0.14(2)式中的μf1為流體平均溫度時(shí)的粘度;μw為壁溫時(shí)的粘度;λ為液體導(dǎo)熱系數(shù);T為釜內(nèi)徑;Re為雷諾準(zhǔn)數(shù);Pr為普蘭德準(zhǔn)數(shù)。在酯化反應(yīng)過程中,生成大量的水,反應(yīng)釜內(nèi)是沸騰態(tài),因此,夾套實(shí)際給熱系數(shù)會(huì)比(2)式的計(jì)算值大。2.2旋轉(zhuǎn)式初支溫d液相熱媒在夾套中的螺旋形導(dǎo)流板中流動(dòng),其傳熱可與管內(nèi)傳熱同樣處理,用導(dǎo)流板的當(dāng)量直徑作為管徑,選用下列公式:α0dλ=0.023?Re0.6?Pr0.33?(μb/μw)0.14(3)α0dλ=0.023?Re0.6?Ρr0.33?(μb/μw)0.14(3)式中的d=4×截面面積/潤(rùn)濕周邊,螺旋導(dǎo)板的當(dāng)量直徑;μb為流體平均溫度時(shí)的粘度;μw為壁溫時(shí)的粘度;λ為液體的導(dǎo)熱系數(shù),Re為雷諾準(zhǔn)數(shù);Pr為普蘭德準(zhǔn)數(shù)。2.3凝液給熱系數(shù)當(dāng)蒸氣在傳熱表面上冷凝時(shí),形成的冷凝液可以有兩種不同的狀態(tài),一種是形成膜狀,另一種是形成滴狀。滴狀冷凝時(shí),由于傳熱面的大部分未被凝液覆蓋,傳熱阻力很小,傳熱膜系數(shù)很大。但在實(shí)際操作中滴狀冷凝是暫時(shí)的或發(fā)生在局部,大部分情況是膜狀冷凝,所以采用膜狀冷凝給熱系數(shù)計(jì)算公式:αi=1.33(3600λ3γ2rμLΔt)0.25(4)αi=1.33(3600λ3γ2rμLΔt)0.25(4)式中的λ為凝液的導(dǎo)熱系數(shù),γ為凝液的密度;r為冷凝潛熱;μ為冷凝液的粘度;Δt為蒸氣與壁面的溫度差;L為流經(jīng)壁面的長(zhǎng)度。3計(jì)算和比較3.1液相熱媒的充放電性能工況條件:反應(yīng)釜尺寸為?4200×3600mm,反應(yīng)溫度為265℃,攪拌器直徑D=1700mm,攪拌轉(zhuǎn)速N=74r/min,反應(yīng)釜盤管加熱面積為420m2,盤管進(jìn)口熱媒溫度為297℃,出口熱媒溫度為274℃,液相熱媒選用加氫三聯(lián)苯,進(jìn)口溫度為290℃,出口為284℃,夾套內(nèi)導(dǎo)流板間的流速為1m/s。(注:導(dǎo)流板間的流速是由1號(hào)泵出口管合理流速的高限值2.3m/s折算而來,應(yīng)比實(shí)際流速高。)氣相熱媒選用聯(lián)苯-聯(lián)苯醚,飽和蒸氣溫度取280℃,并保持凝液溫度為280℃。各種給熱系數(shù)列于表1。由表1的計(jì)算結(jié)果可知,夾套液相對(duì)流給熱系數(shù)只相當(dāng)于攪拌側(cè)給熱系數(shù)的1/5,提高該給熱系數(shù)就是增強(qiáng)傳熱總系數(shù)的關(guān)鍵。對(duì)于液相熱媒,增強(qiáng)傳熱最直接的方法就是提高流速,但效果不會(huì)太明顯,可以說給熱系數(shù)的提高是以能耗的急劇增加為代價(jià)的,經(jīng)濟(jì)上不合理。若將夾套熱媒改為氣相,由表1可以看出,給熱系數(shù)為液相的6倍,其提高是十分明顯的,這樣控制熱阻由液相熱媒側(cè)轉(zhuǎn)向了反應(yīng)物料側(cè)。3.2壁阻和垢阻按著KT=1/(1/α0+1/αj+∑F)計(jì)算傳熱總系數(shù)列于表2?！艶為壁阻和垢阻之和,由于它對(duì)總傳熱的影響很小,在比較時(shí)不予考慮。結(jié)果表明,采用氣相夾套傳熱效果改變明顯,且可以看出氣相夾套的傳熱系數(shù)高于液相盤管的傳熱系數(shù)。3.3盤管熱傳熱量比對(duì)于一個(gè)盤管加熱面積為420m2,具體尺寸為?4600×4200mm的反應(yīng)器而言,計(jì)算其總傳熱量對(duì)供熱情況進(jìn)行比較,按Q=K·A·ΔTm計(jì)算,總傳熱量比較如表3所示。由表3可以看出,若以盤管的傳熱量作為反應(yīng)所需熱量,采用液相熱媒夾套提供的熱量相當(dāng)于總傳熱量的9%,而氣相夾套可提供的熱量是液相的2倍以上,且在氣相熱媒溫度取值比液相低10℃的情況下,可減少盤管加熱面積50m2以上,即在同樣熱負(fù)荷下,可相應(yīng)減少2組盤管。使最低液位降低了0.5m左右。這有利于停留時(shí)間的減少,給優(yōu)化工藝參數(shù)以更大的空間。4夾套流道設(shè)計(jì)①氣相加熱對(duì)蒸氣側(cè)壁面的要求較高,需要保證較高的光潔度,有利于壁面上滴狀冷凝的形成,提高給熱效率。這一點(diǎn)對(duì)于設(shè)備加工而言是完全可以實(shí)現(xiàn)的。②對(duì)于反應(yīng)器的制造而言,對(duì)于液相熱媒,不存在相變問題,但要保證一定的傳熱所需流速,要考慮夾套流道設(shè)計(jì)。封頭處采用同心圓形密封流道,筒體處采用螺旋形密封流道,這樣會(huì)增加反應(yīng)釜的成本和制造難度。若采用氣相熱媒,則不必考慮流形,采用空夾套可降低制造成本,且外筒夾套加工的復(fù)雜性降低。但空夾套并不意味著全空,需要一些必要的支撐。③在設(shè)計(jì)中,應(yīng)考慮將夾套分成由上至下的幾段加支撐隔板,則可減少L值,降低凝液膜生成厚度和機(jī)會(huì),增大給熱系數(shù),提高換熱效率;減輕了內(nèi)壁受力,使內(nèi)壁的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求降低,現(xiàn)行內(nèi)壁厚度不用增加;夾套體積減小,使熱媒蒸氣較易充滿夾套內(nèi)部,使均勻加熱更易實(shí)現(xiàn)。5氣相熱媒加熱①采用液相熱媒夾套給內(nèi)部傳熱提供的熱量較少,占總傳熱量的9%,但在反應(yīng)器設(shè)計(jì)中