搅拌釜式反应器的传热

化学反应需要维持在一定的温度下进行，在反应过程中常伴随着热效应的产生（放热或吸热），因此，搅拌釜式反应器大多设有传热装置，以满足加热或冷却的需要。传热方式、传热结构形式和载热体的选择，主要决定于所需控制温度、反应热、传热速率和工艺上的要求等。对于间歇反应过程，在反应未开始时，由于料液的初始温度与反应温度有较大的差别，应先对它进行加热或冷却，使之达到反应所需的温度。当反应开始后，由于反应热效应的存在，需要调整传热量的大小使反应仍然能够维持一定的反应温度。釜式反应器的传热，对于维持最佳的反应条件，取得最好的反应效果是很重要的。不良的传热不仅会影响反应效果，有时甚至会引起爆炸。因此，反应器的传热操作对于维持化学反应的顺利进行是极其重要的。

一、反应釜的传热装置反应釜的传热装置主要是夹套和蛇管。

（1）夹套

当传热速率要求不高和载热体工作压力低于0.6MPa （158°C饱和水蒸气压力）时，常用夹套传热结构。传热夹套一般由钢板焊接而成，它是套在反应器筒体外面能形成密封空间的容器，既简单又方便。夹套内通蒸汽时，其蒸汽压力一般不超过0.6MPa。当夹套内载热体工作压力大于0.6MPa 或反应器的直径较大时，夹套必须采取加强措施。图1-1表示一种用支撑短管加强的蜂窝夹套，可用1.0MPa 的饱和水蒸气加热至180°C。图1-2表示的冲压式蜂窝夹套可耐受更高压力。

图 1-1支撑短管加强蜂窝夹套

图 1-2冲压式蜂窝夹套

另一种耐压加热结构是用角钢焊在釜的外壁上，如图1-3 和图1-4所示。

图 1-3角钢夹套构型之一

图 1-4角钢夹套构型之二

夹套与反应釜内壁的间距视反应釜直径的大小采用不同的数值，一般取25～100mm。夹套的高度取决于传热面积，而传热面积由工艺要求确定，但需注意夹套高度一般应高于料液的高度，应比釜内液面高出50~100mm 左右，以保证充分传热。

(2)蛇管

当工艺需要的传热面积大，不能用夹套传热或单靠夹套传热不能满足要求时，或者是反应器内壁衬有橡胶、瓷砖等非金属材料时，可采用蛇管、插人套管、插入D形管等传热。

工业上常用的蛇管有两种：水平式蛇管如图1-5（a）所示；直立式蛇管如图1-5（b）所示。排列紧密的水平式蛇管能同时起到导流筒的作用，排列紧密的直立式蛇管同时可以起到挡板的作用，它们对于改善流体的流动状况和搅拌的效果起积极的作用。

蛇管浸没在物料中，热量损失少，且由于蛇管内传热介质流速高，它的传热系数比夹套大很多。但对于含有固体颗粒的物料及黏稠的物料，容易引起物料堆积和挂料，影响传热效果。

图 1-6几种插入式传热构件

工业上常用的几种插入式传热构件如图1-6所示。图1-6（a）为垂直管，图1-6（b）为指形管，图1-6（c）为D形管。这些插入式结构适用于反应物为容易在传热壁上结垢的场合，检修、除垢都比较方便。

对于大型搅拌反应釜，需要高速传热时，可在釜内安装列管式换热器，如图 1-7所示。

图 1-7内部安装列管传热的反应釜

例如在30m3的反应釜内，安装多组列管式换热器，总传热面积可达100m2。

（3）其他型式传热装置

除了采用夹套和蛇管等内插传热构件使反应物料在反应器内进行换热之外，还可以采用各种类型的换热器使反应物料在反应器外进行换热，即将反应器内的物料移出反应器换热后再循环回反应器。当反应器的夹套和蛇管传热面积仍不能满足工艺要求，或由于工艺的特殊要求无法在反应器内安装蛇管而夹套的传热面积又不能满足工艺要求时，可以通过泵将反应器内的料液抽出，经过外部换热器换热后再循环回反应器中。另外，当反应在沸腾温度下进行且反应热效应很大时，可以采用回流冷凝法进行换热，即使反应器内产生的蒸汽通过外部的冷凝器加以冷凝，冷凝液返回反应器中。采用这种方法进行传热，由于蒸汽在冷凝器中以冷凝的方式散热，可以得到很高的传热系数。

2、高温热源的选择

加热温度不超过150°C，用热水和低压饱和蒸汽作载热体就可满足要求。160°C以上的高温加热常常面临高温热源的选择问题。过程工业生产中常用到以下高温热源。

（1） 高压饱和水蒸气

指蒸汽压力大于0.6MPa（表压）的饱和水蒸气，其来源于高压蒸汽锅炉、利用反应热的废热锅炉或热电站的蒸汽透平。用高压蒸汽作热源，需采用高压管道输送蒸汽，建设投资费用大。但如果车间内部能设置利用反应热的废热锅炉产生高压蒸汽供给本车间使用时，则较为合理。

（2）高压汽水混合物

当车间内有个别设备需高温加热时，设置一套专用的高压汽水混合物作为高温热源，可能是比较经济可行的。图1-8表示一种高压汽水混合物作为热源的流程示意图。从加热炉到加热设备这一段管道内，蒸汽比例高，而水的比例低；从冷却器返回加热炉这一段管道内，蒸汽比例较少，而水的比例大，于是形成一个自然循环系统。循环速率的大小决定于加热设备与加热炉之间的高位差及汽水比例。

这种高温加热装置可用于温度200～250°C的加热。当汽水混合物的温度为250°C时，管内压力达20MPa。汽水混合物的传热系数可达3.7X104～4.2X104kJ/（m2•h •K），加热炉可利用气体或液体燃料加热，炉温达 800~900°C，炉内加热蛇管必须采用耐热合金钢材。

（3）有机载热体

利用某些有机物常压沸点高、熔点低、热稳定性好等特点可提供高温的热源。如联苯混合物（道生油）。联苯混合物是一种目前应用较普遍的高温有机载热体，它是含联苯26.5%、二苯醚73.5%的低共熔和低共沸混合物，熔点 12.3°C，沸点 258°C。它的突出优点是能在较低的压力下得到较高的加热温度。在同样的温度下，它的饱和蒸气压力只有水蒸气压力的1/60~1/30。表1-1给出了联苯混合物的饱和蒸气压力。

当加热温度在250°C以下时，可采用液体联苯混合物加热，有三种加热方案：a.液体联苯混合物自然循环加热，如图1-9所示，加热设备与加热炉之间要保证一定的高位差，才能使液体有良好的自然循环，其传热系数约 800~2000kJ/（m2•h •K）。b. 液体联苯混合物强制循环加热，可采用屏蔽泵或者用液下泵使液体作强制循环，其传热系数可提高到2000～8000kJ/（m2•h•K）。c.夹套内盛联苯混合物，将管状电热器插入液体内加热。这种方法简便，适用于传热速率要求不同的场合，如图 1-10所示。

图1-9 液体联苯混合物自然循环加热装置

1一加热设备：2—加热炉；3一膨胀器；4一回流冷凝器；5—熔化槽；6一事故槽；7一温度自控装置

图1-9 液体联苯混合物自然循环加热装置

1一加热设备：2—加热炉；3一膨胀器；4一回流冷凝器；5—熔化槽；6一事故槽；7一温度自控装置

图1-10 液体联苯混合物夹套浴电加热装置

1—加热设备；2—加热夹套；3—管式电热器

当加热温度超过250°C时，可采用联苯混合物的蒸汽加热，其传热系数约力4000～8000kJ/（m2•h•K），根据其冷凝液回流方法的不同，也分为自然循环与强制循环两种方案。自然循环法设备简单，但要求加热器与加热炉之间有一定的位差，以保证冷凝液的自然循环。位差的高低决定于循环系统的阻力的大小，一般可取3～5m。如果厂房高度不够时，可以适当放大循环液的管径，以减少阻力。

当受条件限制不能达到自然循环要求时，或者在加热设备较多，操作中容易产生相互干扰等情况下，可用强制循环流程。

另一种较为简易的联苯混合物蒸汽加热装置是将蒸汽发生器直接附在加热设备上面，用电热棒加热液体联苯混合物，使它沸腾生成蒸汽，如图1-11所示。

图1-11联苯混合物蒸汽夹套浴加热装置

1一加热设备；2—液面计；3—电加热棒：4一回流冷凝器

（4）电加热

电加热是一种热效率高、操作简单、便于实现自控和遥控的高温加热方法。常用的电加热方法可分为以下三种类型。

1） 电阻加热

电流通过电阻产生热量实现加热，可采用以下几种结构形式。

电阻加热可采用可控硅电压调节器自动调节加热温度，实现较为平稳的温度控制。

2）感应电流加热

交流电引起的磁通量变化在被加热体中感应产生的涡流损耗而变为热能，感应电流在加热体中透入的深度与设备的形状以及电流的频率有关。在化工生产上应用较方便的是用普通的工业交流电产生感应电流加热，称为工频感应电流加热法。它适用于壁厚5～8mm 以上的圆筒形设备的加热，加热温度在500°C以下。工频感应电流加热近年来在化工生产中（如医药、化纤、石油化工等部门》已推广使用，如已被用于间苯二磺酸钠碱熔（340°C）、癸二酸氨化（280°C）、绵纶聚合（290°C）、尼龙66 聚合（240°C）等反应釜的加热。

3）短路电流加热

将低压的交流电直接通到被加热的设备上，利用短路电流产生的热量进行高温加热。这种电加热法适用于加热细长的管式反应器或塔式反应器。

（5）烟道气加热

用煤气、天然气、石油加工废气或燃料油等燃烧时产生的高温烟道气作为热源加热设备，可用于300°C以上的高温加热。但烟道气加热具有效率低、传热系数小、温度不易控制等缺点。