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，夾套必須采取加強(qiáng)措施。蛇管式（coiltype)

蛇管浸沒在物料中，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，或反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物料容易在傳熱壁上結(jié)垢時，采用插入式結(jié)構(gòu)，檢修、除垢都比較方便。列管式(tubular)

對于大型反應(yīng)釜，需高速傳熱時，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足工藝要求，或無法在反應(yīng)器內(nèi)安裝蛇管而夾套的傳熱面積又不能滿足工藝要求時，可以采用外部循環(huán)式。換熱裝置的比較換熱裝置類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用夾套式簡單方便傳熱面積小，襯有內(nèi)襯時導(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足要求時，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足工藝要求，或無法在反應(yīng)器內(nèi)安裝蛇管而夾套的傳熱面積又不能滿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夾套式為宜，正丁醇－水共沸物從釜頂蒸出。種類適用溫度范圍特點(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，蒸汽消耗量相對較?。辉诮o定壓力下，冷凝溫度恒定，故在有必要時，可通過改變加熱蒸汽的壓力來調(diào)節(jié)其溫度。蒸汽冷凝時的給熱系數(shù)很大，能夠在低的溫度差下操作；價廉、無毒無失火危險等。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應(yīng)，且對應(yīng)的壓力較高，對設(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)定性好無爆炸危險，無腐蝕。甘油無毒、無爆炸危險、易得、價格較低(僅為聯(lián)苯混合物的1／4），且加熱均勻。無機(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金屬材料有腐蝕性，使用時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。對金屬材料無腐蝕性，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)和傳熱過程相互交聯(lián)。這種交互作用具體表現(xiàn)在對傳熱溫差的限制，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。

對一個在高溫條件下進(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