常書浩，鄒永浩，趙東璞，王延花，程偉琴*

(1.鄭州蘭博爾科技有限公司，河南 鄭州 450000；2.河南省化工研究所有限責任公司，河南 鄭州 450052；3.河南省科學院質(zhì)量檢驗與分析測試研究中心，河南 鄭州 450008)

1 改進前常用換熱反應釜存在的問題

化工反應往往伴隨著吸熱和放熱過程，為了保證反應順利進行，吸熱反應就需要不斷提供熱能來保持反應所需要的溫度條件，放熱反應需要有將反應放出的熱量及時轉(zhuǎn)移走來維持反應的持續(xù)進行[1]。對于吸熱和放熱反應的化工生產(chǎn)需要的設備也很多，而反應釜是此類反應使用最普通的一種，反應釜包括釜體、傳熱裝置、攪拌裝置，傳動裝置和軸封裝置，其傳熱裝置有的采用釜體外夾套換熱，有的采用釜體內(nèi)蛇管換熱，有的甚至既采用釜體外夾套換熱又采用釜體內(nèi)蛇管換熱[2]。但是，隨著技術發(fā)展及對反應工藝條件更高換熱的要求，現(xiàn)在常規(guī)使用的是釜體外夾套換熱反應釜仍存在以下不足：①由于受釜體外表面局限，換熱面積有限，不能滿足對換熱要求較高的生產(chǎn)工藝條件。②受釜體殼強度影響，不能滿足一些熱介質(zhì)較高壓力和流量的工藝要求。③受釜體夾套內(nèi)部結構影響，熱介質(zhì)在夾套內(nèi)流動有部分死角，且流速及流向不均勻，影響整體熱交換效果[3]。

本文創(chuàng)新性地采用半管和蛇管一體化的設計，改進后的強化換熱型反應釜可有效解決只能用反應釜的化工反應且對反應熱交換要求條件較高，反應劇烈，放出或吸收的能量較大及需要及時快速升溫或降溫的反應工藝問題。

2 改進后的強化換熱型反應釜

本次設計改進主要是在常規(guī)換熱反應釜結構基礎上將半管和蛇管一體化，改進后的強化換熱型反應釜如圖1所示，其剖視圖如圖2所示。

圖1 改進后的強化換熱型反應釜結構示意圖

圖2 改進后的強化換熱型反應釜結構剖視圖

由圖1知，釜外換熱管與釜內(nèi)換熱管交錯循環(huán)連通，形成多層次循環(huán)遞進、內(nèi)外互通的換熱通道，增大換熱面積，該強化換熱型反應釜中釜外換熱管的工作有兩種情況：①釜外換熱管采用雙數(shù)列時，在換熱夾套上設置有換熱介質(zhì)進出口，換熱介質(zhì)從換熱介質(zhì)進口進入，通過最低一層的釜內(nèi)換熱管進入最低的所述釜外換熱管，依次往上，到達最高的釜外換熱管；然后再通過釜內(nèi)換熱管進入次高的釜外換熱管，依次往下，形成一個循環(huán)，經(jīng)過多次循環(huán)后，從換熱介質(zhì)出口排出，實現(xiàn)釜外流體的循環(huán)周期。②釜外換熱管采用單數(shù)列時，在換熱夾套上設置有換熱介質(zhì)進口，在換熱轉(zhuǎn)接管上設置有換熱介質(zhì)出口。換熱介質(zhì)從換熱介質(zhì)進口進入，通過最低一層的釜內(nèi)換熱管進入最低的所述釜外換熱管，依次往上，到達最高的釜外換熱管；然后再通過釜內(nèi)換熱管進入次最高的釜外換熱管，依次往下，形成一個循環(huán)，經(jīng)過多次循環(huán)后；最后由換熱介質(zhì)出口排出[4-5]。

具體的換熱方法主要有4個技術特點：①該反應釜釜體的外表面上部設置有換熱轉(zhuǎn)接管，外表面中下部從上到下之間設置有釜外換熱管，釜體外表面底部設置有換熱夾套。上下相鄰的外換熱管之間、換熱夾套與底部的外換熱管之間、換熱管與上部釜外換熱管之間均通過釜內(nèi)換熱管連通，釜內(nèi)換熱管沿圓周間隙設置在釜體內(nèi)表面上，釜外換熱管、釜外轉(zhuǎn)接管和換熱夾套均由至少兩個封閉腔室構成，換熱夾套和換熱轉(zhuǎn)換管上分別設置有換熱介質(zhì)進出口，換熱介質(zhì)在換熱夾套、釜外換熱管、釜內(nèi)換熱管和換熱轉(zhuǎn)換管內(nèi)依次交錯流通，形成層層遞進式換熱循環(huán)。②釜外換熱管的封閉腔室數(shù)量與換熱夾套相同，并且釜外換熱管的封閉腔室數(shù)量為偶數(shù)時，換熱轉(zhuǎn)換管的封閉腔室數(shù)量為釜外的封閉腔室數(shù)量的一半，釜外換熱管的封閉腔室數(shù)量為奇數(shù)時，換熱轉(zhuǎn)換管的封閉腔室數(shù)量為釜外的封閉腔室數(shù)量加一的一半。③釜內(nèi)換熱管的分組設置，其分組數(shù)量與釜外換熱管的封閉腔室數(shù)量也相同，釜內(nèi)換熱管分組有雙數(shù)列或單數(shù)列兩種情況；換熱夾套的封閉腔室相互獨立，換熱夾套的封閉腔室中部分封閉腔室相互連通。④釜外換熱管為半管式結構，焊接固定在釜體外表面上，釜內(nèi)換熱管為U形圓管；釜內(nèi)換熱管的下端管口與下釜外換熱管或換熱夾套的高位連通，釜內(nèi)換熱管的上端管口與上釜外換熱管或換熱轉(zhuǎn)接管的低位連通[6-7]。

以上采用釜外半管換熱與釜內(nèi)蛇管共用技術可使用于各常規(guī)及非標型號的換熱反應釜，換熱管道可根據(jù)反應釜型號或反應工藝條件需要選擇不同規(guī)格、壓力的及相應的管徑管道，2 000 L以上反應釜內(nèi)管長度一般可在5～10 cm。以3 000 L反應釜為例，換熱管為DN50，相鄰管道中心距為10 cm，釜內(nèi)部分管道長度5 cm，釜體布管總高為150 cm，需總布管點位為750個，連接彎頭管道總面積約10.79 m2，釜體璧外部分面積5.39 m2左右，釜體部分總面積為16.18 m2左右，正常的3 000 L反應釜夾套面積為8.4 m2左右，不含釜底封頭部分，換熱面積增加明顯，基本增加近一倍的換熱面積。若根據(jù)各類反應工藝不同，為了便于設備制作，管道焊接等因素，選擇的換熱管徑及布管中心距不同，增加換熱面積也至少30%以上，其同等換熱面積下?lián)Q熱效果也增加30%以上。

3 結論

綜上所述，通過對常用的換熱反應釜進行創(chuàng)新性改進，采用釜外半管換熱與釜內(nèi)蛇管共用技術，可減少因局部過熱而發(fā)生的副反應，增大換熱面積，加強了傳質(zhì)、傳熱和返混，增加釜內(nèi)反應液的混合與分散，減少釜內(nèi)反應液的流動阻力和流動死角，縮短反應時間，提高換熱效果。根據(jù)實際生產(chǎn)反應計算，可提高換熱效果30 %以上，由于新型強化換熱反應釜可快速進行熱交換，使反應溫度穩(wěn)定的同時減少了溫度波動，為工業(yè)化生產(chǎn)過程提供有力的安全保障。