乙酸丁酯換熱裝置和冷熱源的選擇

項(xiàng)目一釜式反應(yīng)器的操作與控制任務(wù)0103釜式反應(yīng)器換熱裝置和冷熱源的選擇

青職化工廠接到生產(chǎn)乙酸丁酯的訂單,該廠擬采用乙酸和丁醇生產(chǎn)乙酸丁酯，年產(chǎn)量1000噸。反應(yīng)在恒溫條件下進(jìn)行，溫度為373K，進(jìn)料比為乙酸:丁醇=1:5（mol），以少量硫酸作催化劑。本次任務(wù)：確定完成生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器換熱裝置和選擇冷熱源。

任務(wù)引入：

0103－1反應(yīng)器的換熱裝置選擇乙酸丁酯反應(yīng)器的換熱裝置0103－2反應(yīng)器的2冷熱源選擇乙酸丁酯反應(yīng)器的冷熱源

任務(wù)點(diǎn)及其要求0103－1釜式反應(yīng)器的換熱裝置與換熱方式(一)釜式反應(yīng)器的換熱方式

夾套式；蛇管式；列管式；外部循環(huán)式；回流冷凝式；電加熱式

夾套式（Jacketedtype）幾種加強(qiáng)夾套傳熱結(jié)構(gòu)

當(dāng)反應(yīng)器的直徑大或者加熱蒸汽壓力較高(>0.6MPa)時(shí)，夾套必須采取加強(qiáng)措施。蛇管式（coiltype)

蛇管浸沒(méi)在物料中，熱量損失少，且由于蛇管內(nèi)傳熱介質(zhì)流速高，它的給熱系數(shù)比夾套大很多。對(duì)于含有固體顆粒的物料及粘稠的物料,容易引起物料堆積和掛料,影響傳熱效果.幾種插入式傳熱構(gòu)件

當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)壁襯有橡膠、瓷磚等非金屬材料時(shí)，或反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物料容易在傳熱壁上結(jié)垢時(shí)，采用插入式結(jié)構(gòu)，檢修、除垢都比較方便。列管式(tubular)

對(duì)于大型反應(yīng)釜，需高速傳熱時(shí)，可在釜內(nèi)安裝列管式換熱器。外循環(huán)式（outsidecirculationtype）

當(dāng)反應(yīng)器的夾套和蛇管傳熱面積仍不能滿(mǎn)足工藝要求，或無(wú)法在反應(yīng)器內(nèi)安裝蛇管而夾套的傳熱面積又不能滿(mǎn)足工藝要求時(shí)，可以采用外部循環(huán)式。換熱裝置的比較換熱裝置類(lèi)型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用夾套式簡(jiǎn)單方便傳熱面積小，襯有內(nèi)襯時(shí)導(dǎo)熱系熱小優(yōu)先選用蛇管式傳熱介質(zhì)流速高，給熱系數(shù)大；熱損失少含有固體顆粒的物料及粘稠的物料,容易引起物料堆積和掛料；傳熱面積受釜體積限制單靠夾套傳熱不能滿(mǎn)足要求時(shí)，或者是反應(yīng)器內(nèi)壁襯有橡膠、瓷磚等非金屬材料列管式高速傳熱傳熱面積受釜體積限制大型反應(yīng)釜外部循環(huán)式傳熱面積不受釜體積限制，溫度可較精確控制多一臺(tái)泵和換熱器，使得流程復(fù)雜，增加了設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用反應(yīng)器的夾套和蛇管傳熱面積仍不能滿(mǎn)足工藝要求，或無(wú)法在反應(yīng)器內(nèi)安裝蛇管而夾套的傳熱面積又不能滿(mǎn)足工藝要求回流冷凝式利用物料蒸發(fā)帶走熱量，不必額外采用冷源只能用于放熱反應(yīng)反應(yīng)在沸騰下進(jìn)行或蒸發(fā)量大的場(chǎng)合

乙酸丁酯反應(yīng)釜的換熱裝置換熱裝置的選擇應(yīng)考慮1.物料性質(zhì)2.滿(mǎn)足反應(yīng)所需的換熱面積3.設(shè)備成本乙酸丁酯的換熱裝置以?shī)A套式為宜，正丁醇－水共沸物從釜頂蒸出。種類(lèi)適用溫度范圍特點(diǎn)熱水100℃以下可利用二次熱源，節(jié)約能量。缺點(diǎn)是：和蒸汽冷凝相比，給熱系數(shù)低許多，許多加熱過(guò)程中，溫度下降，不能恒定；加熱的均勻性不好。低壓飽和水蒸汽160℃以下汽化潛熱大，蒸汽消耗量相對(duì)較?。辉诮o定壓力下，冷凝溫度恒定，故在有必要時(shí)，可通過(guò)改變加熱蒸汽的壓力來(lái)調(diào)節(jié)其溫度。蒸汽冷凝時(shí)的給熱系數(shù)很大，能夠在低的溫度差下操作；價(jià)廉、無(wú)毒無(wú)失火危險(xiǎn)等。高壓飽和水蒸汽（高壓飽和汽水混合物）200-250℃飽和溫度與壓力一一對(duì)應(yīng)，且對(duì)應(yīng)的壓力較高，對(duì)設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度要求高，投資費(fèi)用大。不夠安全，且遠(yuǎn)距離輸送時(shí)熱損失大。高溫有機(jī)物(甘油、萘、乙二醇、聯(lián)苯與聯(lián)苯醚的混合物、二甲苯基甲烷、礦物油和有機(jī)硅液體等）液態(tài)聯(lián)苯混合物用于加熱250C范圍內(nèi)的場(chǎng)合。氣態(tài)聯(lián)苯混合物的加熱溫度可達(dá)到380C。甘油作為加熱劑，用于加熱220—250°C范圍內(nèi)的場(chǎng)合。聯(lián)苯混合物能在較低的壓力下得到較高的加熱溫度。熱穩(wěn)定性好無(wú)爆炸危險(xiǎn)，無(wú)腐蝕。甘油無(wú)毒、無(wú)爆炸危險(xiǎn)、易得、價(jià)格較低(僅為聯(lián)苯混合物的1／4），且加熱均勻。無(wú)機(jī)熔鹽(moltensalt)最高可達(dá)550℃由于硝酸鹽和亞硝酸鹽混合物具有強(qiáng)氧化性，應(yīng)避免和有機(jī)物質(zhì)接觸。煙道氣可達(dá)1100℃熱效率低，給熱系數(shù)小，溫度不易控制。電加熱最高可達(dá)3000℃清潔、方便、利用率高，加熱溫度可精確調(diào)節(jié)二、常用冷、熱源有機(jī)載熱體（導(dǎo)生油）

聯(lián)苯與聯(lián)苯醚的混合物以及以烷基萘為主的石油餾分。利用其常壓沸點(diǎn)高、熔點(diǎn)低、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)可提供高溫的熱源。優(yōu)點(diǎn)：能在較低的壓力下得到較高的加熱溫度。溫度范圍：能用于200～350℃的范圍。

導(dǎo)生油加熱方案：自然循環(huán)加熱法、強(qiáng)制循環(huán)加熱法、電加熱法。熔鹽（moltensalt）應(yīng)用最廣的是含40％NaNO2、7％NaN03和53％KN03的熔化物，其熔點(diǎn)是142℃，可用于300～400℃的情況。冷源的比較種類(lèi)適用溫度范圍特點(diǎn)

常溫冷卻劑水10～30℃最為常用，一般控制冷卻水終溫不超過(guò)40～50℃以防結(jié)水垢。生產(chǎn)上大多使用循環(huán)水，在換熱器內(nèi)用過(guò)的冷卻水，送至涼水塔內(nèi)，與空氣逆流接觸，部分汽化而冷卻，再重新作為冷卻劑使用?？諝?0～30℃不會(huì)在傳熱面產(chǎn)生污垢，但給熱系數(shù)小，比熱容較低，因此其耗量較大(達(dá)到同樣的冷卻效果，空氣的質(zhì)量流量大約是水的5倍)。載冷體冷凍鹽水（氯化鈉及氯化鈣等鹽的水溶液）一般用于-30℃以上由于鹽的存在，使水的凝固溫度大為下降(其具體數(shù)值視鹽的種類(lèi)和含量而定)。鹽水的低溫由制冷系統(tǒng)提供。氯化鈉鹽水及氯化鈣鹽水均對(duì)金屬材料有腐蝕性，使用時(shí)需加緩蝕劑重鉻酸鈉及氫氧化鈉。有機(jī)水溶液（乙二醇、丙二醇的水溶液）-10℃效果最好乙二醇和丙二醇溶液的凝固溫度隨其濃度而變。有機(jī)水溶液的低溫由制冷系統(tǒng)提供。對(duì)金屬材料無(wú)腐蝕性，但粘度大，傳熱性能較差。制冷劑（氨和氟里昂等）可達(dá)-50℃以下溫度越低,單位能量消耗越大

冷凍鹽水起始凝固溫度與濃度的關(guān)系相對(duì)密度15℃氯化鈉鹽水氯化鈣鹽水濃度%100kg水加鹽量(kg)起始凝固溫度(℃)濃度%100kg水加鹽量(kg)起始凝固溫度(℃)1.051.101.151.1751.201.251.2867.013.620.023.17.515.725.030.1-4.4-9.8-16.6-21.25.911.516.821.926.629.96.313.020.228.036.242.7-3.0-7.1-12.7-21.2-34.4-55.0

乙二醇和丙二醇溶液的凝固溫度與濃度關(guān)系容積濃度，%20253035404550凝固溫度℃乙二醇丙二醇-8.7-7.2-12.0-9.7-15.9-12.8-20.0-16.4-24.7-20.9-30.0-26.1-35.9-32.0注意：強(qiáng)放熱反應(yīng)冷源的選擇

一般的傳熱問(wèn)題，要移走熱量，可以采用很大的溫差，也可以采取增大傳熱系數(shù)或傳熱比表面積的措施。但化學(xué)反應(yīng)器中的傳熱條件不能任意選擇，因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)和傳熱過(guò)程相互交聯(lián)。這種交互作用具體表現(xiàn)在對(duì)傳熱溫差的限制，載熱體的溫度與反應(yīng)溫度的溫差宜小，以保持反應(yīng)的穩(wěn)定進(jìn)行。

對(duì)一個(gè)在高溫條件下進(jìn)行的強(qiáng)放熱反應(yīng)，必須采用高溫介質(zhì)作為冷卻劑。否則將影響穩(wěn)定操作。一般