聚酯反应器的传热分析

聚酯反应器的传热分析

在聚合物生产中，70%以上的热负荷被第一反应装置消耗，第一酯反应装置的加热能力直接影响反应装置的生产能力。因此，第一聚焦装置的加热能力和能耗是降低成本的关键。对于反应釜的夹套传热,各工程公司采取了不同的加热方式,但均以提高传热效率为目的。吉玛公司在80年代承包的聚酯装置中采用液相热媒加热盘管和夹套,90年代以来采用气相热媒夹套加热的方式。伊文达公司采用气相热媒列管内循环的加热方式,杜邦公司采用外虹吸式反应器并用气相热媒加热。反应器的供热由内加热器提供的热量和夹套提供的热量两部分组成。一般认为内加热器的供热为主要供热方式,夹套供热的影响较小。对于内加热器的传热计算,国内已做了很多工作,在此不对它进行过多论述,本文重点讨论夹套的传热计算和设计。反应器的夹套传热有两种方式,一是液相热媒传热,二是气相热媒冷凝传热。液相热媒加热是通过夹套外壁的螺旋导流板进行的强制对流传热。气相热媒冷凝加热是利用导生A的冷凝潜热对反应器进行加热,其特点是加热温度均匀,消耗的动力小。由于热媒冷凝时放出大量潜热,而且流体在传热过程中保持恒定的温度,从而使壁面两侧具有较高的温度梯度,加上气液两相的密度差所引起的流动等,这些都大大促进了热量传递。因此,对于同类物质,有相变的对流给热系数要比无相变的高得多。本文采用设计工况的数据作计算,用定量的数据比较采用液相夹套与气相夹套的给热系数的差异,以便说明使用气相夹套加热的优势。1给热系数的确定根据传热基本方程Q=K·A·Δt,任何可以提高传热系数K值,增大传热面积A和温差Δt的措施都能提高传热效率。1/K=1/α1+1/α2+δn/λn(1)式中的K为传热总系数,α1、α2为壁面两侧的给热系数;δn/λn为固壁、热阻等导热热阻之和。由式(1)不难得出,K<αmin,所以提高给热系数较小一侧的给热系数才能有效地提高K值。反应器壁采用导热系数较高的金属材料,其导热热阻不会成为控制热阻。在器壁两侧的对流给热中的一侧则会是控制热阻。找出控制热阻,再讨论以何种方式降低控制热阻以取得较好的换热效果。2计算开口的公式的选择2.1螺旋式冷凝器反应釜内壁的传热计算与物料的性质、搅拌的形式、釜径等诸多参数有关,所以对于不同的工况有不同的计算公式。对于第一酯化釜,因它是全混釜,搅拌转速为72～110r/min,对于螺旋桨式搅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为流体平均温度时的粘度;μw为壁温时的粘度;λ为液体导热系数;T为釜内径;Re为雷诺准数;Pr为普兰德准数。在酯化反应过程中,生成大量的水,反应釜内是沸腾态,因此,夹套实际给热系数会比(2)式的计算值大。2.2旋转式初支温d液相热媒在夹套中的螺旋形导流板中流动,其传热可与管内传热同样处理,用导流板的当量直径作为管径,选用下列公式: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×截面面积/润湿周边,螺旋导板的当量直径;μb为流体平均温度时的粘度;μw为壁温时的粘度;λ为液体的导热系数,Re为雷诺准数;Pr为普兰德准数。2.3凝液给热系数当蒸气在传热表面上冷凝时,形成的冷凝液可以有两种不同的状态,一种是形成膜状,另一种是形成滴状。滴状冷凝时,由于传热面的大部分未被凝液覆盖,传热阻力很小,传热膜系数很大。但在实际操作中滴状冷凝是暂时的或发生在局部,大部分情况是膜状冷凝,所以采用膜状冷凝给热系数计算公式:αi=1.33(3600λ3γ2rμLΔt)0.25(4)αi=1.33(3600λ3γ2rμLΔt)0.25(4)式中的λ为凝液的导热系数,γ为凝液的密度;r为冷凝潜热;μ为冷凝液的粘度;Δt为蒸气与壁面的温度差;L为流经壁面的长度。3计算和比较3.1液相热媒的充放电性能工况条件:反应釜尺寸为ϕ4200×3600mm,反应温度为265℃,搅拌器直径D=1700mm,搅拌转速N=74r/min,反应釜盘管加热面积为420m2,盘管进口热媒温度为297℃,出口热媒温度为274℃,液相热媒选用加氢三联苯,进口温度为290℃,出口为284℃,夹套内导流板间的流速为1m/s。(注:导流板间的流速是由1号泵出口管合理流速的高限值2.3m/s折算而来,应比实际流速高。)气相热媒选用联苯-联苯醚,饱和蒸气温度取280℃,并保持凝液温度为280℃。各种给热系数列于表1。由表1的计算结果可知,夹套液相对流给热系数只相当于搅拌侧给热系数的1/5,提高该给热系数就是增强传热总系数的关键。对于液相热媒,增强传热最直接的方法就是提高流速,但效果不会太明显,可以说给热系数的提高是以能耗的急剧增加为代价的,经济上不合理。若将夹套热媒改为气相,由表1可以看出,给热系数为液相的6倍,其提高是十分明显的,这样控制热阻由液相热媒侧转向了反应物料侧。3.2壁阻和垢阻按着KT=1/(1/α0+1/αj+∑F)计算传热总系数列于表2。∑F为壁阻和垢阻之和,由于它对总传热的影响很小,在比较时不予考虑。结果表明,采用气相夹套传热效果改变明显,且可以看出气相夹套的传热系数高于液相盘管的传热系数。3.3盘管热传热量比对于一个盘管加热面积为420m2,具体尺寸为ϕ4600×4200mm的反应器而言,计算其总传热量对供热情况进行比较,按Q=K·A·ΔTm计算,总传热量比较如表3所示。由表3可以看出,若以盘管的传热量作为反应所需热量,采用液相热媒夹套提供的热量相当于总传热量的9%,而气相夹套可提供的热量是液相的2倍以上,且在气相热媒温度取值比液相低10℃的情况下,可减少盘管加热面积50m2以上,即在同样热负荷下,可相应减少2组盘管。使最低液位降低了0.5m左右。这有利于停留时间的减少,给优化工艺参数以更大的空间。4夹套流道设计①气相加热对蒸气侧壁面的要求较高,需要保证较高的光洁度,有利于壁面上滴状冷凝的形成,提高给热效率。这一点对于设备加工而言是完全可以实现的。②对于反应器的制造而言,对于液相热媒,不存在相变问题,但要保证一定的传热所需流速,要考虑夹套流道设计。封头处采用同心圆形密封流道,筒体处采用螺旋形密封流道,这样会增加反应釜的成本和制造难度。若采用气相热媒,则不必考虑流形,采用空夹套可降低制造成本,且外筒夹套加工的复杂性降低。但空夹套并不意味着全空,需要一些必要的支撑。③在设计中,应考虑将夹套分成由上至下的几段加支撑隔板,则可减少L值,降低凝液膜生成厚度和机会,增大给热系数,提高换热效率;减轻了内壁受力,使内壁的强度设计要求降低,现行内壁厚度不用增加;夹套体积减小,使热媒蒸气较易充满夹套内部,使均匀加热更易实现。5气相热媒加热①采用液相热媒夹套给内部传热提供的热量较少,占总传热量的9%,但在反应器设计中