多臺并聯間歇反應釜換熱系統設計

黃少杰 中海油石化工程有限公司 濟南 250000

反應釜是涂料、醫藥、農藥等精細化工生產中的重要反應設備，按照操作方式分為間歇生產和連續生產，在精細化工領域，間歇生產居多。反應釜內涉及的反應多為放熱反應，如聚合、酯化等，間歇反應釜在一個生產周期內,一般包括預熱、加料升溫、反應恒溫移熱、冷卻/保溫、出料、清洗及置換等工序。

與連續反應釜相比，間歇反應釜的操作工況及操作工序多，其控溫方式更為復雜，間歇式反應釜的操作需要同時控制其加熱和冷卻速率，并同時對釜內溫度進行監控，在不同的生產工序階段需要控制的溫度不同，以保證反應釜處于最佳的操作溫度，且需設置相應的防超高溫或超低溫措施，防止釜內物料急聚反應或凝固。因此，間歇反應釜對溫控系統的穩定性、精準度等提出了更高的要求。

1 常見間歇反應釜溫控系統設計

目前，在工業裝置中常用的單臺間歇反應釜溫控系統設計方法見圖1(a)～(c)。

圖1 典型單臺間歇反應釜溫控系統示意圖

間歇反應釜常選用傳熱夾套間接換熱。有時夾套內設置有內盤管，如圖1(a)所示，夾套及內盤管內設有水蒸汽(加熱介質)、冷卻水(冷卻介質)的進出口，反應釜直徑較大、換熱介質進出口壓力較高時，常在夾套內采用強化傳熱結構設計，如設置螺旋管等。該方式優點：設備設計簡單、操作方便且造價相對較低；缺點：換熱效率低，用于反應釜較大時反應熱量移出不及時、溫控精度低、溫控魯棒性不強、無內盤管時冷熱介質存在相互串料污染(如高溫介質串入低溫側導致氣化)相互影響、冷介質切換導致反應釜過度降溫影響產品質量等問題[1]。

如上圖1(b)所示，該控溫方式新增換熱介質循環泵及側線加熱器，通過對夾套內換熱介質大流量循環，提高換熱效率，通過側線換熱器實現加熱升溫功能。在不需要冷卻或降溫時，熱介質側形成閉路循環系統；當需要降低換熱介質溫度時，通過調節與閉路循環系統連接的冷介質出口調節閥開度，減小側線加熱器熱源介質調節閥開度。該方式可提高加熱/冷卻效率，且加熱、冷卻介質公用一套系統,同種介質，減少串料風險，且適宜用于多臺并聯間歇反應釜的冷卻系統的集成設計，構成大小循環回路疊加的加熱/冷卻系統。該種設計方式在目前工業裝置上也較為常見，對放熱反應較溫和、反應釜規模不大的情況較為適用。

在圖1(b)的基礎上經過改進，部分企業采用圖1(c)所示的溫控系統設計方法，即采用“工藝介質循環閉環回路+加熱介質循環回路+冷卻介質循環回路”的疊加設計(三閉環回路設計)，通過大流量循環泵對反應釜內工藝物料進行循環移熱，增強釜內工藝物料的混合效果及移熱效率，強化反應及傳熱。同時，換熱介質采用單一介質，通過溫度串級和分程調節實現反應釜的溫度平穩控制，不會出現局部溫度過高或過低的情況；且當釜內溫度控制點發生變化時，可實現換熱介質的溫度及傳熱溫差的平穩變化，減少波動，可適用于大規模間歇釜生產，且反應釜結構簡單。

本文對擬采用圖1(c)所示控溫系統的間歇反應釜，提出一種適用于多臺間歇反應釜并聯操作可共享的“中心站式”加熱/冷卻系統的設計思路與方法。

2 “中心站式”加熱/冷卻系統設計

2.1 工藝系統設計方案

“中心站式”加熱/冷卻系統是指生產裝置內共享式換熱設施，見圖2。

圖2 “中心站式”加熱/冷卻系統流程簡圖

圖2中，以圖1(c)所示控溫系統的4臺并聯運行的間歇反應釜共享式換熱設施工藝設計為例，該設施向各反應換熱器側提供恒溫的加熱、冷卻介質(采用單一介質)，各反應換熱器側的溫度控制回路通過分程控制調節冷、熱介質流量調節閥開度(即調節不同溫度的單一換熱介質混合比例)，可得到合理溫度范圍內任何所需的溫度，分別實現反應釜單個操作周期內各操作工序溫度的精準、獨立控制，保證產品質量。

該系統設置有兩個閉式循環換熱回路，采用高位槽式設計，穩定系統壓力，降低循環回路能耗，兩回路交接點視為反應換熱器端，冷、熱介質分別設置換熱器及循環泵，同時設計有壓差控制閥，在下游換熱器開停車階段可保持低流量循環運行，降低運行負荷的同時保證反應系統供熱/冷的穩定性。

由于多臺間歇反應釜并聯操作時，受到其年設計產能、排產計劃、單釜間歇操作、工藝生產特點、上下游配套加工等多重因素的影響， 該“中心站式”加熱/冷卻系統設計的換熱負荷、換熱介質溫度及流量的確定是該系統設計的難點。本文將重點論述以上幾個重要參數的確定方法及思路。

(注：本文所述方法同樣適用于圖1(a)～(b)反應釜控溫方式中加熱/冷卻系統負荷能力計算。)

2.2 換熱負荷的確定

常規放熱間歇反應釜操作溫度及熱流量需求變化情況見圖3(a)～(b)。

圖3 間歇反應釜溫度及熱流量變化曲線

“中心站式”加熱/冷卻系統負荷是由反應釜側熱負荷需求情況決定的，單個反應釜在一個生產周期內的熱流量情況較易確定。如圖3(b)所示的各工序間熱流量隨時間的變化情況，升溫工序熱需求量Q2與恒溫工序冷需求量Q4分別為加熱/冷卻負荷的最大值。

對4臺并聯反應釜在一個大生產周期內生產情況進行梳理，充分考慮生產排產計劃、反應特性、工藝操作與控制特點等要求，繪制并聯反應釜熱流量疊加分析圖，見圖4。

對一個大生產周期內各反應釜的生產及排產情況進行排列，并結合圖3(b)所示單釜熱流量-時間表，繪制熱流量-時間累計曲線，見圖5。

圖5 熱流量-時間疊加累計曲線

從圖4中可以較清晰地找到一個大生產周期內所需加熱/冷卻負荷的累計最大值Qh,max與Qc,max，此值可作為“中心站式”加熱/冷卻系統加熱器、冷卻器最大熱負荷確定的依據，也能明顯看出整個系統的熱量變化情況，其冷熱負荷波動范圍較大。

圖4 排產計劃排列圖

當并聯反應器臺數較少時，也可直接選用各工序中加熱/冷卻最大熱流量疊加，但該方法在并聯的反應釜臺數較多時，會造成換熱系統設計能力過大、較大設計偏差導致設備建造及運行成本較高的問題。

2.3 介質選擇及冷/熱媒溫度的確定

在2.2節通過計算與分析確定Qh,max與Qc,max后，充分考慮換熱效率因素，即“中心站式”加熱/冷卻系統已知加熱器與冷卻器的最大換熱負荷，可作為設計依據。依據傳熱方程：

Q=KA△t=mCp△t′

(1)

式中，Q為加熱器/冷卻器傳熱量；K為傳熱系數；A為換熱面積；△t為傳熱溫差；M為換熱介質流量；Cp為比熱；△t′為換熱介質溫差。

其中，該系統選用單一介質作為換熱媒介，其正確選擇對系統的運行成本、安全性等方面均有一定的影響。依據反應系統所需溫度的區間情況，要求選用的傳熱介質要有較廣的溫度使用范圍、較好的化學穩定性及熱穩定性、腐蝕性低、在溫度范圍內輸送粘度較小、比熱值大、與反應系統內介質不產生化學反應的介質最優。從本質安全的角度來降低反應換熱器發生泄漏時的危險程度[2]，工業上常見的是使用脫鹽水、乙二醇水溶液、導熱油、白油等介質。

在已知Q值后需充分考慮反應釜內工藝介質溫度情況、反應換熱器換熱溫差及進出口溫度值要求，可獲得公用工程(加熱蒸汽、循環冷卻水或冷凍水)溫度、壓力參數、換熱器尺寸設計經濟性等多個方面參數，作為確定△t及△t′值的依據。

2.4 循環流量的確定

冷熱介質循環流量在已確定傳熱介質、換熱負荷Q值后，根據方程(1)，傳熱溫差△t/△t’及最大冷熱介質循環流量m之間呈反比關系，合理、經濟的傳熱溫差選擇有利于降低換熱器的換熱面積，進而確定循環量m。

2.5 循環壓力的確定

冷/熱循環介質分別采用冷/熱輸送泵進行閉式循環，泵動力消耗主要為克服回路阻力降即可，高位槽布置高度及壓力的選擇是決定整個循環回路操作壓力的關鍵。

一般，高位槽應高于循環管路最高點，起到保障系統滿液密封的作用，其壓力或布置標高越大，相關換熱器及管道、閥門、管件、儀表等設計壓力越大，成本增加。另外，冷/熱循環介質系統操作壓力與工藝反應換熱器側操作壓力相差不可過大，以免增加換熱器設備成本，因此，高位槽的高度和壓力不可選取過大，滿足工藝要求即可。但是，在某些情況下，還需考慮工藝物料對冷卻/加熱介質操作壓力的特殊要求，如工藝物料側為含光氣的換熱器，相關規范要求工藝側壓力大于冷卻水側壓力以防止水進入工藝側。

2.6 小結

綜上所述，多臺并聯間歇反應釜“中心站式”加熱/冷卻系統設計依據圖6所示程序進行即可。

圖6 加熱/冷卻系統設計的基本思路

3 結語

(1)多臺并聯間歇反應釜采用工藝物料大流量循環移熱控溫方式時，建議采用“中心站式”加熱/冷卻系統，可避免傳統夾套反應釜溫度控制精度不高、效率低、冷熱介質串料污染等問題，使各并聯操作反應釜獨立操作、運行，不互相干擾，實現各反應釜溫度的平穩、精確控制，保證產品質量。

(2)本文提出“中心站式”共享加熱/冷卻系統設計方法，具有較強的自適應性，換熱介質溫度及熱流量可調范圍較寬，針對下游多臺并聯反應釜多樣的間歇操作工序疊加工況，給出了一套可沿用的換熱系統設計方案及思路。

(3)本文以4臺并聯間歇反應釜為例，說明其“中心站式”共享加熱/冷卻系統的計算方法，從工藝設計產能、排產計劃、工況分析、溫度分布情況、公用工程、設備經濟性、運行成本等多個方面系統考慮，優化該系統各參數的選擇，使該換熱系統實現集約化、低能耗、低成本、高穩定性及較強可操作性。