（化工过程机械专业论文）蛇形回路热管在化学反应器中的传热性能研究.pdf

英文小写字母 直径 重力加速度 长度 质量 热流密度 半径 速度 坐标轴 英文大写字母 爿 c k 国 r u 矿 w 希腊字母 a 口 o 口 “ ， 表面积 比热 填料渗透率 热量 温度 流速 体积 功率 导温系数 体积膨胀系数 厚度 过余温度；夹角 导热系数 动力粘度 运动粘度 密度 主要符号表 m m s 2 1 1 1 k g w m 2 m m s 。1 w k m s l m 3 w w m - 2 k 。 k - m k ：o w m k k g - 1 t i i s 。 m 2 s 。 k g m 3 v i i d g ， m g r 一一 k g 舒他 r w q 0 下标 d e l l o p r g w z o 时间 流函数 充液比 无量纲温度 以热管直径为名义尺寸 蒸发段 初始值；内部 液相 外部 以填料颗粒直径为名义尺寸 径向 气相 管壁 轴向 初始值 无穷远点 准则数 c a r ：2 g f l k ：a t r o v n u ：a l z p e = r e p r p r ：一v r e ：一u l 哥拉晓夫数 努谢尔特数 贝克莱数 普朗特数 雷诺数 摘要 本文首次提出并构思了一种新型热管化学反应器一蛇形回路热管化学 反应器，应用于甲基叔丁基醚( m e t h y l t e r t i a r y b u t y l e t h e r , m t b e ) 生产装置中。 蛇形回路热管化学反应器是建立在利用回路热管技术控制化学反应器内部床 层温度的基础上的，是根据工程应用需要而对热管化学反应器的创新，也是 对热管化学反应器向新的应用领域的推广。 本文的研究内容为基础试验研究，主要分为以下三个部分：第一部分为 蛇形回路热管蒸发段管内两相流的可视化研究；第二部分为蛇形回路热管在 化学反应器内的蒸发段管外换热性能研究；第三部分为热管化学器内部床层 温度场数值模拟与试验研究。 通过对蛇形回路热管的蒸发段管内两相流可视化研究，得出了其管内两 相流流型基本符合水平直管的两相流流型，主要有单相流、泡状流、柱塞状 流和分层流，不同的仅仅是流型的发生位置有所差异。同时，通过对不同结 构的蛇形蒸发段可视化研究得出了稍微改变蛇形管水平段的倾角有利于改善 整个蛇形回路热管的启动性能的事实。由此，对构思的热管化学反应器中的 蛇形回路热管结构进行了改进。 通过对蛇形回路热管埋在化学反应器内多孔介质床层中的蒸发段管外换 热性能的理论分析和实验研究，得出了定条件下的管外换热关联式，它为 下一步热管化学反应器的传热分析和工程应用奠定了基础。 通过运用f l u e n t 软件对热管化学反应器内部床层温度场进行了数值模拟 研究，然后与实验室及工厂实际应用的温度场进行了比较，最后得出应用蛇 形回路热管后基本能够满足化学反应的移热要求。 通过以上的研究，最终在实践上证明了蛇形回路热管化学反应器应用于 b l t b e 生产装置的可行性。 关键词：蛇形回路热管，化学反应器， 传热，温度场，数值模拟 an e ws t y l eo fh e a tp i p ec h e m i c a lr e a c t o ri sp u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m ei n t h i st h e s i s i ti sc a l l e ds n a k el o o ph e a tp i p e ( s l h p ) c h e m i c a lr e a c t o r i th a sb e e n u s e di nt h ep r o c e s so fm e t h y lt e r t i a r yb u t y le t h e r s ( m t b e ) p r o d u c t i o n i ti s b a s e do nc o n t r o l l i n gt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r eo ft h eb e di nt h ec h e m i c a lr e a c t o rb y u s i n gt h el o o ph e a tp i p et e c h n o l o g y t h i ss t y l eo f h e a tp i p ec h e m i c a lr e a c t o ri sa n i n n o v a t i o no ft h eh e a tp i p ec h e m i c a lr e a c t o ra c c o r d i n gt oe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ， a sw e l la san e we x t e n s i o no f t h et e c h n o l o g yo f t h eh e a tp i p ec h e m i c a lr e a c t o r t h ec o n t e n t so f t h i st h e s i sm a i n l yc o n s i s to f t h r e es e c t i o n s f i r s t l y , t h es t u d yi s o nt h et w o p h a s ef l o wi n s i d et h es n a k et u b eo ft h ee v a p o r a t o ro fs l h p a n d s e c o n d l y ，t h es t u d yi so nt h ep e r f o r m a n c eo f h e a tt r a n s f e ro u t s i d et h es n a k et u b eo f t h ee v a p o r a t o ro fs l h pi nt h ec h e m i c a lr e a c t o r t h i r d l y , t h es t u d yi st h en u m e r i c a l a n de x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o no nt h a tt h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h eb e di nt h es n a k e l o o ph e a tp i p ec h e m i c a lr e a c t o r f i r s t ，as e r i e so fv i s u a le x p e r i m e n t so nt h et w o - p h a s ef l o wi n s i d et h et u b eo f t h ee v a p o r a t o ro fs l h pw e r ec o n d u c t e d i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h em o d e lo f t h e t w o p h a s ef l o wi n s i d et h et u b eo ft h ee v a p o r a t o ro fs l h p , i n c l u d e ds i n g l e 。p h a s e f l o w , d i s p e r s e db u b b l ef l o w , p l u ga n ds l u gf l o wa n dl a y e r e df l o w , i s i na c c o r dw i t h i ti n s i d et h el e v e lt u b eo nt h ew h o l e t h ed i f f e r e n c ei st h el o c a t i o no ft h em o d e lo f f l o wt h a ti so c c u r r e d i na d d i t i o n ，t h r o u g hv i s u a le x p e r i m e n t so fv a r i o u ss t r u c t u r e d e v a d o r a t o rs e c t i o no f s l h p , t h ef a c ti sf o u n dt h a tt h es t a r t u pp e r f o r m a n c eo fs l h p c a nb ei m p r o v e di ft 1 1 em ta n g l eo ft h el e v e ls e c t i o no ft h es n a k et u b ei sc h a n g e d s l i g h t l y o nt h ea b o v ef o u n d a t i o n ，i m p r o v e m e n t sa l e m a d eo nt h es t r u c t u r eo f s l h pi nt h eh e a tp i p ec h e m i c a lr e a c t o r s e c o n d ，t h es t u d y , o i lt h ep e r f o r m a n c eo f h e a tt r a n s f e ro u t s i d et h es n a k et u b e o ft h ee v a p o r a t o rs e c t i o no fs l h pt h a ti si m b e d d e dp o r o u sm e d i ai nt h ec h e m i c a l r e a c t o r , i sc a r r i e do u t ，t h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ，t h e l t e q u a t i o no fc h a r a c t e r i s t i cn u m b e rw a sf i t t e d t h ew o r ki nt h i st h e s i sh a sl a i dt h e f o u n d a t i o nf o r t h eh e a tt r a n s f e ra n a l y s e sa n da p p l i c a t i o n so fs l h pc h e m i c a l r e a c t o rt op r a c t i c e f i n a l l y , u s i n gac f ds o f t w a r ef l u e n tv 6 1 2 2 ，t h em e t h o do fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nw a se m p l o y e dt oi n v e s t i g a t et h et e m p e r a t u r ef i e l di nt h eb e do ft h e s l h pc h e m i c a lr e a c t o r t h r e ed i f f e r e n tc a s e sw e r es i m u l a t e d t h ed i s t r i b u t i o n so f t h et e m p e r a t u r ei nt h eb e dw e r eo b t a i n e da n da n a l y z e d a n dt h e nac o m p a r i s o n b e t w e e nt h en u m e r i c a lr e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u r sw h i c ha r eo b t a i n e di n l a ba n di nf a c t o r yi sd r a w n i ti sc o n c l u d e dt h a tt h es l h pc a nw e l lm e e ta l l d e m a n d sw h i c ha r em o v e dt h eh e a tt h a ti sg i v e no u tb yc h e m i c a lr e a c t i o n b y t h e s es t u d i e sm e n t i o n e dp r e v i o u s l y , f a c t sh a v eb e e np r o v e dt h a tt h es l h p c h e m i c a lr e a c t o ri sh i g h l ye f f e c t i v ei nt h ep r o c e s so f m t b e sp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：s n a k el o o ph e a tp i p e ，c h e m i c a lr e a c t o r , h e a tt r a n s f e r , t e m p e r a t u r e f i e l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 第一章课题背景 热管是利用自身内部工作介质的相变进行热量传递的一种新型高效传热元 件。它具有高效的导热性、优良的等温性、灵活的结构变异性及高度的安全可 靠性等一系列基本特性2 】吼因此热管技术以其独特的结构和传热特性在工程中 逐渐得到了广泛的应用和研究，在各种节能、环保设备中发挥起越来越重要的作 用 4 1 。 1 1 本课题的背景 1 1 1 理论研究背景 从1 9 6 5 年c o t t e r 首次提出比较完善的热管理论1 1 1 至今的近半个世纪以来， 国内外的学者及研究人员对这新型传热元件进行了广泛而深入的研究及应用。 1 9 6 6 年，k a t z o f f 发明了有干道热管1 2 】；1 9 6 7 年，第一根不锈钢一水热管在空间 无重力条件下运行成功【3 】；1 9 6 9 年，前苏联和日本出现了带翅片热管束的空气加 热器【4 】；1 9 7 6 年，美国将热管应用于横穿阿拉斯加输油管线工程中【5 l ；1 9 8 0 年， 美国生产了热管废热锅炉【6 1 ；1 9 8 4 年，c o t t e r 提出了微型热管的理论口】【3 2 1 。而 我国自上个世纪七十年代开始，在冶金、石油化工、动力、建材等工业领域得到 了充分的应用嘲【3 1 1 1 3 ”。热管技术已经日趋成熟，应用领域逐步扩大。回顾过去， 展望未来，根据当今集约型经济发展的国策，结合目前过程控制装备中技术发展 的趋势一绿色、可靠、高效和运用新技术进行创新的要求，2 0 1 0 年，我国热管 技术发展的两大主题1 9 】：一是推广应用，将现有较为成熟的热管产品标准化、系 列化；二是开发研究，充分发挥热管技术的特点，综合其它学科，进一步开发研 究新型高效传热传质及反应设备，对一些传统设备进行技术革新，真正把科教兴 国落在实处。本论文的研究任务就是把热管技术运用到生产m t b e 生产装置的化 学反应器中，并对其蛇形蒸发段进行传热性能研究。 化学反应器在工业上是一种进行化学反应的重要设备，它作为一种相当古 老的设备至今仍被广泛的应用于有机、无机化工及制药行业。它是化工生产的“心 脏”，是化工生产装置的核心1 1 0 】，化学反应器技术先进与否对整个工业生产有着 重要的影响，会直接影响装置的投资和生产成本。对与伴随有热量的吸收或放出 的化学反应器，其内部热量传递及温度分布对化学反应过程和结果有非常重要的 影响【l l 】【1 2 】。因此，将热管独特的传热性能及灵活的结构特点与化学反应工程有 机结合，设计并制造新型热管化学反应器，提高化学反应的转化率、选择性和收 率是广大化学工程师和传热研究人员的共同愿望f j 3 】。 把热管技术应用到化学反应器中，国内外的学者和研究人员已经提出了一系 列热管化学反应器的专利和设计。在国外，1 9 7 6 年，美国加利福尼亚大学的 w i l i o n 和r a n k e n 首先发表了热管煤气化炉及三合一热管甲烷转化反应器的研究 结果【】4 ；日本于1 9 7 9 年公开了热管固定床反应器的专利 1 5 】；1 9 8 1 年英国公开 了热管流化床反应器专利1 6 1 ；1 9 8 2 年日本公开了热管裂解炉的专利1 刀；1 9 8 3 年 y 0 p a r e n t 等人研究了径向热管的氧化反应器【1 8 】；1 9 8 8 年r i c h a r d s o n 等人研究 了用于甲烷转化吸热反应的热管反应器【1 9 】。在国内，从1 9 8 0 年开始南京化工学 院庄骏等人将热管技术应用于乙苯脱氢反应、环己醇脱氢反应和均四甲苯氧化制 均苯四酸二酐工艺试验【2 0 】一 2 4 1 ：1 9 9 7 年，江苏石油化工学院的顾平道等人发表了 热管型固定床反应器应用在苯氧化生产顺酐过程的中试实验报告【2 5 】；近年来，华 南理工大学的张皿君等人在连续移热二氧化硫转化中应用了热管化学反应器1 2 6 j ： 另外，南京化工大学张红和赵孝保分别对热管式氨合成塔口刀和热管式环己醇脱氢 反应器【1 3 】进行了深入的研究和探索【2 8 l 。 这些研究与设计的主要思想是：利用热管的等温性合理地均匀床层温度得到 较高的转化率和收率；利用热管的可变导特性控制反应器床层温度使其不超温或 不过冷；利用热管的源汇分隔特性提高设备的可靠性；利用热管热流密度可变的 特点改善和强化反应设备的传热条件1 2 ”。 因此，利用热管技术改造化学反应器的加热或冷却装置，设计热管固定床反 应器将有利于改进常规固定床反应器存在的传热能力差的缺点。 l 1 2 本课题的工程背景 ( 1 ) 工厂背景 目前泰州石化总厂运行的甲基叔丁基醚( m e t h y lt e r t i a r yb u t y le t h e r , m t b e ) 装 置采用混相床催化蒸馏组合工艺，一反四塔流程。由原料配置、混相催化反应、 蒸馏、以及甲醇萃取和回收等部分组成，年生产能力为1 0 0 0 0 吨年。整体装置 如图1 1 所示。 图l - lm t b e 装置 f i g 1 1m t b ee q u i p m e n t s m t b e 预反应器处于在整个装置群中的最开始，目前是一台混相床反应器，其 中充填满阳离子交换树脂催化剂，进料温度为3 0 。c 3 5 。c ，正常工作压力 0 6 m p a - o 7 m p a ，正常工作温度6 0 7 0 。在正常工作压力下，进料温度时的甲 醇与c t 均为液态，但是进入反应器内后在树脂催化剂作用下发生强放热反应，生 成气液混相的m t b e 粗产品，其反应式如下 2 9 1 。该反应是发生在液相中的可逆反 应。 c h 3 h +c h 3 ch 3 。h +ch 3 c c h 2 = = = ) ch j 。一r c h j c h 3 由于这个反应中催化剂在较高温度下会失去活性并且其寿命也会相应缩短， 所以必须控制其内部温度不能高于催化剂的失活温度。现在大多数工厂普遍采用 的控温方式都是通过外加动力循环冷料方式实现反应热的外移来实现控温。由于 使用这种传统方式需要耗费大量的电能及昂贵的设备费用，另外由于化学反应的 放热和床层温度的关系是非线性的，而应用于过程中移热的冷却规律是线性的， 两者共同作用于反应器床层而使得反应器中的床层温度分布呈现出非线性分布， 具体表现为床层温度局部有“热点”温度及多态行为。这些使得反应器的速率与 使用效率受到很大限制，因此为了使反应器内部温度场分布均匀并且拓宽有效 反应温度区域从而达到提高生产能力和反应效率，进一步节约能源的目的，必 须积极寻找和利用各种高效的传热元件，对原有化学反应器进行技术改造。 工艺流程见图1 2 所示： 图1 2m t b e - t b a 联合装置生产工艺流程示意图 f i g 1 2t h es c h e m eo f p r o d u c i n gm t b e - t b a ( 2 ) 技改目标 为配合泰州石化厂扩能改造工程，经工艺计算，扩能改造工程的“瓶颈”在 m t b e 预反应器上。现有设备不能达到设计要求的处理能力。因此，中国石油化 工股份有限公司齐鲁分公司研究院和南京工业大学热管技术研究所联合对其进 行热管改造，以提高其处理能力。因为热管是最有效的传热元件之一，它可以将 大量的热量通过其很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。所以把图1 2 中 4 虚线框内的预反应器改造为热管化学反应器，充分利用热管的高效传热能力和 等温性，在不改变原设备正常运行的基础上同时把反应热迅速取出，使化学反应 离效快速进行，保证化学反应器内反应温度控制在最佳反应温度范围，并使反 应器内保持在全液相操作，以满足设计生产量2 0 0 0 0 吨年的需要。 ( 3 ) 工程应用价值 由于车用汽油中加入m t b e 后，可以使汽油在气缸中燃烧得更彻底，汽车 尾气不含铅，c o 排放量减少3 0 ，对净化城市空气，保护人类健康功不可没。 随着国际上汽油无铅化进程的加速及国家环保政策的出台，也给m t b e 做为一种 高标号汽油的添加剂带来了商机。此外，随着我国私家汽车的大量普及，汽油需 求的上升，也会带动i t b e 的需求增长。所以，国内各地还在不断新建啪b e 装置 或者进行扩能改造。 表1 _ 1 我国l k i b e 主要生产厂家和生产能力( k t a ) t a b l e1 1t h em a i nf a c t o r i e sa n dt h ep r o d u c t i v ec a p a c i t i e si nc h i n o g ( k t a ) 目前国内外正在使用的此类m t b e 装置总计有上百套，分布在全球几十个国 家【2 9 】。表1 1 为我国m t b e 主要生产厂家和生产能力。各厂虽然采用的生产工艺 各不相同，几乎全部都是使用的传统各类化学反应器。它具有投资成本高、运行 费用大及难以调控反应温度等缺点。与之相比，热管型化学反应器具有可调控床 层反应温度趋于最佳反应温度而且设备结构灵活，运行无须耗费动力等诸多优 点。另外，在石化行业中还有其他类似装置很多如甲乙酮装置中均使用相似的反 应器，因此研究开发一种新型的热管化学反应器具有广阔的应用前景。 1 2 本课题的研究目的及意义 本课题是由南京工业大学热管技术研究所与中国石油化工股份有限公司齐 鲁分公司研究院共同合作进行的试验基础研究。 本文将利用热管技术对传统的m t b e 生产装置中的化学反应器进行革新，并 对其在无化学反应的条件下的热量传递进行模拟实验研究。通过这些研究得到对 此种形式的热管化学反应器的传热性能的估计，它将增强对化学反应器内传热过 程和床层温度的控制，可以避免化学反应器内部局部过热，减少副反应，提高化 学反应器的处理能力，延长催化剂的寿命。因此本课题的研究和开发具有重大的 理论研究和经济社会价值，同时本文的研究将为放热反应过程中热管化学反应器 的设计和应用奠定理论和试验基础。 1 3 参考文献 1 】c o t t e rt p t h e o r y o fh e a t p i p e s ，l o s a l a m o ss c i e n t i f i c l a b r e p o r t n o l a 一3 2 4 6 m s 1 9 6 5 2 d u n np ，r e a yda ，h e a tp i p e s ，p e r g a m o np r e s s ，1 9 7 8 ，3 5 3 3t i e ncl ，s u nkh m i n i m u mm e n i s c u sr a d i u so f h e a tp i p ew i c k i n g m a t e r i a l s i n t j h e a tm a s st r a n s f e r , 1 9 7 1 ，1 4 ( 1 ) 4 庄骏，张红热管技术及其工程应用北京：化学工业出版社，2 0 0 0 5 c h isw ，h e a tp i p et h e o r ya n dp r a t i c e ，m eg r a w - h i l l ，1 9 7 6 6 l i t t w i nda ，m c c u r l e yj p r o c 4 t hi n t h e a tp i p ec o n e 1 9 8 1 ，2 1 3 - 2 2 4 7 c o r e rtpp r i n c i p l e sa n dp r o s p e c t so fm i c r oh e a tp i p e s p r o c 5 t hi n t h e a tp i p e c o r e t s u k u b a ，j a p a n ：19 8 4 8 3h o n gz h a n g ，j u nz h u a n g r e s e a r c h , d e v e l o p m e n ta n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o no f 6 h e a tp i p et e c h n o l o g yi nc h i n a a p p l i e dt h e r m a le n g i n e e r i n g2 3 ( 2 0 0 3 ) ，1 0 6 7 - 1 0 8 3 9 庄骏，张红2 0 1 0 年热管技术展望化工机械，1 9 9 8 ，2 5 ( 1 ) 1 0 黄恩才，刘国际化学反应工程北京：化学工业出版社，1 9 9 6 1 1 袁谓康，朱开宏化学反应工程分析上海：华东理工大学出版社，1 9 9 5 1 2 都拉斯瓦梅，马歇卡尔著：邹仁均，陆乃宸译世界化学反应工程新进展 北京：烃加工出版社，1 9 8 8 1 3 赵孝保、庄骏热管技术在化学反应器中的应用研究， 博士论文 ，南京： 南京化工大学，2 0 0 1 1 4 r a l k e nwa t h ep o t e n t i a lo f t h eh e a tp i p ei nc o a lg a s i f i c a t i o np r o c e s s e s 1 l t h i e c e cs e p ，19 7 6 8 7 6 - 8 8 2 1 5 特开昭5 4 1 0 7 9 0 3 1 6 英国专利1 5 9 9 3 9 8 1 7 特开昭5 7 - 1 2 7 4 4 3 1 8 p a r e n tyo ，c a r a mhs ，c o u g h l i nrwt u b e r - w a l lc a t a l y t i cr e a c t o rc o o l e db ya i l a n n u l a r h e a t p i p e a i c h ej o u r n a l ，1 9 8 3 ，2 9 ( 3 ) ：4 4 3 _ 4 5 1 1 9 r i c h a r d s o njt p a r i p a t y a d a rsa ，s h e njc d y n a m i c so fas o d i u mh e a tp i p e r e f o r m i n gr e a c t o r a i c h ej o u r n a l ，19 8 8 ，3 4 ( 5 ) ：7 4 3 7 5 2 2 0 庄骏环己醇脱氢热管反应器研究试验最终报告南京化工学院内部资料， 1 9 8 3 2 1 y u a n t a oq i u ，j u nz h u a n g e x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h eh e a tp i p er e a c t o rf o rt h e c a t a l y t i cd e h y d r o g e n a t i o no fe t h y lb e n z e n e 3 r di h p s ，1 9 8 8 ，2 6 1 - 2 6 5 2 2 x u e z h o n gy a n g ，j u nz h u a n g ，b i a oc h e n i n v e s t i g a t i o no nt h ea p p l i c a t i o n s o f h e a tp i p cc h e m i c a lr e a c t o r i h t e c c ，1 9 8 8 ，l9 1 1 9 4 2 3 3 胡家桢关于热管反应器用于均四甲苯氧化制均苯四酸二酐工艺试验的报 告，南京化工学院内部资料，1 9 8 4 2 4 吴寿辉热管化学反应器试验阶段报告环己醇脱氢反应试验南京化 工学院学报，1 9 8 0 ( 2 ) ：1 3 0 - 1 3 2 2 5 顾平道等热管固定床反应器中试高校化学工程学报1 9 9 7 ( 3 ) 9 7 - 9 9 2 6 张亚君连续移热式二氧化硫转化系统研究无锡：全国第二届强化传热 会议论文集，2 0 0 1 ：1 9 _ 2 1 2 7 张红，庄骏热管式氨合成塔的研究， 博士论文 ，南京：南京化工大学， 1 9 9 9 2 8 h o n gz h a n g ，j u nz h u a n g r e s e a r c h ，d e v e l o p m e n ta n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o no f h e a tp i p et e c h n o l o g yi nc h i n a a p p l i e dt h e r m a le n g i n e e r i n g 2 0 0 3 ：1 0 6 7 - 1 0 8 3 2 9 谢克昌，李忠编著甲醇及其衍生物北京：化学工业出版社，2 0 0 2 ， 1 0 0 - 1 1 2 3 0 李绍芬主编反应工程北京：化学工业出版社，1 9 9 0 3 1 庄骏，徐通明，石寿椿热管与热管换热器上海：上海交通大学出版社， 1 9 8 9 3 2 s u n gj i nk i m , j o u n gk is e o ，k y uh y u n gd o a n a l y t i c a la n de x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o no nt h eo p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h et h e r m a lo p t i m i z a t i o no fa m i n i a t u r eh e a tp i p ew i t hag r o o v e dw i c ks t r u c t u r e i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fh e a ta n d m a s st r a n s f e r4 6 ( 2 0 0 3 ) ：2 0 51 - 2 0 6 3 3 3 靳明聪，陈远国热管与热管换热器重庆：重庆大学出版社，1 9 8 6 第二章蛇形回路热管化学反应器的可行性研究 热管技术近年来在工程领域的应用日益普及，不仅在余热回收节能方面取得 了显著成果【l j ，而且在传统的传热传质设备更新改造等方面也显示出了强大的生 命力，尤其在石油化工中的应用己愈来愈受到人们的关注【2 1 。由于热管具有均温 性、热流密度可变性、可变导性、可异形化等特点，早在上个世纪七十年代国外 一些研究者就已经注意到热管的这些特点可以在化学反应设备和原子反应堆工 程中发挥重要作用。 2 1 回路热管( l o o ph e a tp i p e ) 研究概况 按照生产现场实际需要和设备的安全可靠，m t b e 预反应器中所选用的热管 为回路热管( l o o ph e a tp i p e ) 。 2 1 1 回路热管的基本原理 回路热管的基本结构如图2 1 所示，其当工作时，在热管内加入一定量的工 作介质，这些工作介质主要积聚在蒸发段。当蒸发段工作介质受热后蒸发，其内 部蒸汽压力升高，产生的蒸汽通过蒸汽上升管到达冷凝段。然后释放出潜热而凝 结成液体，在重力作用下经液体下降管回到蒸发段，如此循环反复运行，实现传 热目的。重力式回路热管的冷凝段必须高于蒸发段，液体下降管与蒸汽上升管之 间会形成一定的密度差，这个密度差所能提供的压头与冷凝段和蒸发段的高度差 密切相关，它用以平衡蒸汽流动和液体流动的压力损失，维系着系统的正常运行 从而不再需要外加动力p 】。 9 热流体 b 图2 1 回路热管结构示意图【3 j f i g 2 1t h es t r u c t u r eo f t h el o o ph e a tp i p e p 2 1 2 回路热管的主要型式 回路热管的型式可按蒸发段的结构分类，可按冷凝段的结构分类，还可按 热管内部驱动力及循环机理分类一一重力式、毛细泵回路热管、振荡式等。下面 仅根据回路热管蒸发段的结构形式划分，主要有以下几种： ( 1 ) 列管式蒸发段回路热管，如图2 2 ( a ) 。该类型热管是开发研究最早， 应用也最广的一种回路热管。这种回路热管早在1 9 8 1 年6 月的化学装置首次报 道了在日本用于预热两种流体的实例【4 】。目前，这种形式热管已成熟应用于化工、 炼铁、电站等部门大型的分离式热管换热器中。 ( 2 ) 螺旋管蒸发段回路热管，如图2 2 ( b ) 。该类型回路热管在文献 3 中 进行了详尽的研究，并对它应用于化肥工业生产中的氨合成塔设备也进行了研 究。 ( 3 ) 其他回路振荡热管，如图2 2 ( c ) 为脉动热管。它是出现于九十年代初 的种新型热管。它虽然形式上是闭合回路热管，但是它的运行原理和传热特性 与传统热管有很大的不同。目前脉动热管在国内外研究的也较多 5 - 1 0 】，但尚未得 到广泛应用，还处于探索阶段。 此外，本文首次提出使用蛇形蒸发段形式的回路热管，并把它应用于热管化 学反应器。 胛妇幽 图2 2 各种回路热管不蒽图 f i g 2 2t h es k e t c ho f t h el o o ph e a tp i p e s 2 1 3 回路热管的传热极限 按照文献 2 回路热管内蒸汽与液体同向流动，故而不存在携带限，限制其 传热能力的主要极限为声速限、烧干限和冷凝限。下面将简要对其介绍一下： ( 1 ) 声速限在回路热管蒸汽上升管中，蒸汽的速度值最大。当蒸发段出口 处的蒸汽速度达到声速即蒸发段出口处的马赫数等于1 时，则认为是达到声速极 限。 ( 2 ) 烧干限在回路热管蒸发段中，传热恶化多发生于局部干涸或环状流区 域液膜的蒸干，即烧干限。环状流区域液膜的蒸干机理主要为：由于回流不够而 使液膜的简单烧干、液膜的溪流化、液膜破裂、蒸汽核心对液体的强烈再夹带等 等。适当加大回路热管的充液量是消除其烧干限的有效方法。 ( 3 ) 冷凝限它是指由冷凝段传热能力所制约的传热极限。 2 1 4 回路热管的充液量分析 回路热管的充液量是影响其传热效果的重要因素之一。它也是设计和应用中 必不可少的参数。充液量过大，汽液混合物会进入蒸汽上升管，甚至到冷凝段， 降低系统的传热性能；充液量过少，则会使加热段上部管内壁面缺乏液膜覆盖， 引起传热恶化。影响充液量的因素主要有工作介质特性、几何结构参数、工作状 况等。充液量是管内流动传热的参变量，同时又反过来影响管内两相流的流动传 热性质。因此必须提出合理的充液量，使其工作在最佳状态，充分发挥回路热管 的高效传热效果嘲。 2 2 化学反应器的研究概况 化学反应器在工业上是一种化学反应的重要设备，它作为种相当古老的设 备至今仍被广泛的应用于有机、无机化工及制药行业。化学反应器技术先进与否 对整个工业生产有着重要的影响，直接影响装置的投资成本和生产成本。为了进 一步研究和开发新型实用的化学反应器，就必须了解化学反应器的现状。 2 2 1 化学反应器的分类 化学反应器的类型繁多，根据不同的特性，有不同的分类方法。 从化学反应器分析角度常采用以下的分类方法： ( 1 ) 均相和非均相反应器 均相反应器是指整个化学反应系统保持在一个相内，或者是一个气体混合 物，或者是一个均匀的液体溶液。例如，乙烷热裂解生产乙烯便使用均相气相反 应器。在硫酸催化剂存在条件下，乙酸和乙醇进行酯化反应使用均相液相反应器。 除此以外还有工业上不太常见的均相固相反应器，工业实例有在镉盐催化条件 下，邻苯二甲酸的钾盐转位变成对苯二甲酸的钾盐。非均相反应器是指亿学反应 系统包含一个以上的相，化学反应可能在某一个相内进行，也可能发生在相间的 界面上。工业生产中碰到最多的是气固相反应，其次是气液相反应。例如，在固 体活性炭一氯化汞催化剂存在条件下，乙炔和氯化氢加成生成氯乙烯的过程使用 气固相反应器。甲苯的空气液相氧化生产苯甲酸的过程使用气液相反应器。 ( 2 ) 间歇和连续反应器 间歇反应器是指反应开始前将原料进料完毕，反应结束后再将产品全部取出， 反应进行过程中间没有物料的加入和取出。连续反应器是指在反应进行的过程中 间不断地有原料的加入和产品的取出。这样，反应组分不断地连续加入到反应器 内，产物组分不停地连续从反应器内取出。 ( 3 ) 等温和绝热反应器 等温反应器严格地说是指反应器内温度始终维持不变，即系统温度不随时间 而变化，反应器内各点温度也无差异。这个要求对于工业反应器来说是很难做到 的，通常只要求工业反应器内各点的温度不随时间改变，反应器内不同位置的温 度可以有所不同。有时也说反应器能维持在某一特定的温度范围内操作，即可称 1 2 为等温反应器。绝热反应器是指反应进行过程中系统和外界没有热量的交换。工 业绝热反应器多在设备外面包有绝热或耐火材料，工业炉就是一种典型的绝热反 应器。 从结构原理的特点可分为如下几种类型： ( 1 ) 管式反应器： 管式反应器的特征是长度远较管径为大，内部中空，不设置任何构件，多用于 均相反应，由轻油裂解生产乙烯所用的裂解炉便是管式反应器。m t b e 预反应器也 是此种反应器。 ( 2 ) 釜式反应器 釜式反应器又称为反应釜或搅拌反应器。其高度一般与其直径相等或稍高， 约为直径的2 到3 倍，釜内设有搅拌装置及挡板。釜式反应器是应用十分广泛的 一类反应器，可用以进行均相反应，也可以用于多相反应，如气液反应、液液反应、 液固反应、以及气液固反应。许多酯化反应、硝化反应以及氯化反应等等，用的 是釜式反应器。 ( 3 ) 塔式反应器 塔式反应器的高度一般为直径的数倍或十余倍，内部设有为了增加两相接触 的构件如填料、筛板等。它主要用语两种流体相反应的过程，如气液反应和液液 反应。 按固体颗粒( 固体颗粒可以是反应物，也可以是催化剂) 状态来分，可分为以 下几种： ( 1 ) 固定床反应器 固定床反应器特征为反应器内填充有固定不动的固体颗粒，这些固体颗粒可 以是固体催化剂，也可以是固体反应物。固定床反应器是一种被广泛采用的多相 催化反应器，如氨合成、甲醇合成、苯氧化以及邻二甲苯氧化等等。 ( 2 ) 移动床反应器 移动床反应器是一种有固体颗粒参与的反应器，与固定床反应器相似，不同 的地方是固体颗粒自反应器顶部连续加入，自上而下移动，由底部卸出，如 固体项粒为催化剂，则用提升装置将其输送至反应器项部后返回反应器内。反应 流体与颗粒成逆流，此种反应器适用于催化剂需要连续进行再生的催化反应过程 和固相加工反应。 ( 3 ) 流化床反应器 流化床反应器也是一种有固体颗粒参与的反应器，与固定床反应器不同，这 些颗粒系处于运动状态，且其运动方向是多种多样的。一般可分为两类，一类是 团体被流体带出，经分离后固体循环使用，称为循环流化床：另一类是固体在流 化床反应器内运动，流体与固体颗粒所构成的床层犹如沸腾的液体，故又称沸腾 床反应器。流化床反应器可用于气固、液固以及气液固催化或非催化反应，是工 业生产中较广泛使用的反应器，典型的例子是催化裂化反应装置，采用循环流化 床，还有些气固相催化反应，如萘氧化，丙烯氨氧化和丁烯氧化脱氢等采用的 是这种反应器。流化床反应器用于固相加工也是十分典型的，如黄铁矿和闪锌矿 的培烧，石灰石的煅烧等等。 2 2 2 新型化学反应器的研究与开发 传统的研究方法主要是在已有的模型基础上建立的诸如参数敏感性多重定 常态等理论，这些理论在一定程度上解释了固定床反应器所表现的非线性行为。 但这些理论也存在不少问题，并且只是单纯从理论的角度去考虑而难以实现工业 操作的优化。从应用角度考虑，化学反应器作为传统设备，如何实现自我再生是 一个非常迫切的问题。开发化学反应器再生能力的一个重要方面就是研究有关的 专门技术，或利用有关的专门技术进行有效的耦合，将传统的单元过程耦合在同 一设备之内，更新化学反应器的原有面貌，使之具有多种功能。目前的专门技术 主要有( 1 ) 膜技术( 主要指反