聚酯反應器的傳熱分析

聚酯反應器的傳熱分析

在聚合物生產中，70%以上的熱負荷被第一反應裝置消耗，第一酯反應裝置的加熱能力直接影響反應裝置的生產能力。因此，第一聚焦裝置的加熱能力和能耗是降低成本的關鍵。對于反應釜的夾套傳熱,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。伊文達公司采用氣相熱媒列管內循環(huán)的加熱方式,杜邦公司采用外虹吸式反應器并用氣相熱媒加熱。反應器的供熱由內加熱器提供的熱量和夾套提供的熱量兩部分組成。一般認為內加熱器的供熱為主要供熱方式,夾套供熱的影響較小。對于內加熱器的傳熱計算,國內已做了很多工作,在此不對它進行過多論述,本文重點討論夾套的傳熱計算和設計。反應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流板進行的強制對流傳熱。氣相熱媒冷凝加熱是利用導生A的冷凝潛熱對反應器進行加熱,其特點是加熱溫度均勻,消耗的動力小。由于熱媒冷凝時放出大量潛熱,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等,這些都大大促進了熱量傳遞。因此,對于同類物質,有相變的對流給熱系數要比無相變的高得多。本文采用設計工況的數據作計算,用定量的數據比較采用液相夾套與氣相夾套的給熱系數的差異,以便說明使用氣相夾套加熱的優(yōu)勢。1給熱系數的確定根據傳熱基本方程Q=K·A·Δt,任何可以提高傳熱系數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,α1、α2為壁面兩側的給熱系數;δn/λn為固壁、熱阻等導熱熱阻之和。由式(1)不難得出,K<αmin,所以提高給熱系數較小一側的給熱系數才能有效地提高K值。反應器壁采用導熱系數較高的金屬材料,其導熱熱阻不會成為控制熱阻。在器壁兩側的對流給熱中的一側則會是控制熱阻。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計算開口的公式的選擇2.1螺旋式冷凝器反應釜內壁的傳熱計算與物料的性質、攪拌的形式、釜徑等諸多參數有關,所以對于不同的工況有不同的計算公式。對于第一酯化釜,因它是全混釜,攪拌轉速為72～110r/min,對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為流體平均溫度時的粘度;μw為壁溫時的粘度;λ為液體導熱系數;T為釜內徑;Re為雷諾準數;Pr為普蘭德準數。在酯化反應過程中,生成大量的水,反應釜內是沸騰態(tài),因此,夾套實際給熱系數會比(2)式的計算值大。2.2旋轉式初支溫d液相熱媒在夾套中的螺旋形導流板中流動,其傳熱可與管內傳熱同樣處理,用導流板的當量直徑作為管徑,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/潤濕周邊,螺旋導板的當量直徑;μb為流體平均溫度時的粘度;μw為壁溫時的粘度;λ為液體的導熱系數,Re為雷諾準數;Pr為普蘭德準數。2.3凝液給熱系數當蒸氣在傳熱表面上冷凝時,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,由于傳熱面的大部分未被凝液覆蓋,傳熱阻力很小,傳熱膜系數很大。但在實際操作中滴狀冷凝是暫時的或發(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計算公式:αi=1.33(3600λ3γ2rμLΔt)0.25(4)αi=1.33(3600λ3γ2rμLΔt)0.25(4)式中的λ為凝液的導熱系數,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為流經壁面的長度。3計算和比較3.1液相熱媒的充放電性能工況條件:反應釜尺寸為?4200×3600mm,反應溫度為265℃,攪拌器直徑D=1700mm,攪拌轉速N=74r/min,反應釜盤管加熱面積為420m2,盤管進口熱媒溫度為297℃,出口熱媒溫度為274℃,液相熱媒選用加氫三聯(lián)苯,進口溫度為290℃,出口為284℃,夾套內導流板間的流速為1m/s。(注:導流板間的流速是由1號泵出口管合理流速的高限值2.3m/s折算而來,應比實際流速高。)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℃。各種給熱系數列于表1。由表1的計算結果可知,夾套液相對流給熱系數只相當于攪拌側給熱系數的1/5,提高該給熱系數就是增強傳熱總系數的關鍵。對于液相熱媒,增強傳熱最直接的方法就是提高流速,但效果不會太明顯,可以說給熱系數的提高是以能耗的急劇增加為代價的,經濟上不合理。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轉向了反應物料側。3.2壁阻和垢阻按著KT=1/(1/α0+1/αj+∑F)計算傳熱總系數列于表2。∑F為壁阻和垢阻之和,由于它對總傳熱的影響很小,在比較時不予考慮。結果表明,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高于液相盤管的傳熱系數。3.3盤管熱傳熱量比對于一個盤管加熱面積為420m2,具體尺寸為?4600×4200mm的反應器而言,計算其總傳熱量對供熱情況進行比較,按Q=K·A·ΔTm計算,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所需熱量,采用液相熱媒夾套提供的熱量相當于總傳熱量的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,即在同樣熱負荷下,可相應減少2組盤管。使最低液位降低了0.5m左右。這有利于停留時間的減少,給優(yōu)化工藝參數以更大的空間。4夾套流道設計①氣相加熱對蒸氣側壁面的要求較高,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。這一點對于設備加工而言是完全可以實現的。②對于反應器的制造而言,對于液相熱媒,不存在相變問題,但要保證一定的傳熱所需流速,要考慮夾套流道設計。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,這樣會增加反應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在設計中,應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會,增大給熱系數,提高換熱效率;減輕了內壁受力,使內壁的強度設計要求降低,現行內壁厚度不用增加;夾套體積減小,使熱媒蒸氣較易充滿夾套內部,使均勻加熱更易實現。5氣相熱媒加熱①采用液相熱媒夾套給內部傳熱提供的熱量較少,占總傳熱量的9%,但在反應器設計中