强化换热型反应釜技术改进

常书浩，邹永浩，赵东璞，王延花，程伟琴*

(1.郑州兰博尔科技有限公司，河南 郑州 450000；2.河南省化工研究所有限责任公司，河南 郑州 450052；3.河南省科学院质量检验与分析测试研究中心，河南 郑州 450008)

1 改进前常用换热反应釜存在的问题

化工反应往往伴随着吸热和放热过程，为了保证反应顺利进行，吸热反应就需要不断提供热能来保持反应所需要的温度条件，放热反应需要有将反应放出的热量及时转移走来维持反应的持续进行[1]。对于吸热和放热反应的化工生产需要的设备也很多，而反应釜是此类反应使用最普通的一种，反应釜包括釜体、传热装置、搅拌装置，传动装置和轴封装置，其传热装置有的采用釜体外夹套换热，有的采用釜体内蛇管换热，有的甚至既采用釜体外夹套换热又采用釜体内蛇管换热[2]。但是，随着技术发展及对反应工艺条件更高换热的要求，现在常规使用的是釜体外夹套换热反应釜仍存在以下不足：①由于受釜体外表面局限，换热面积有限，不能满足对换热要求较高的生产工艺条件。②受釜体壳强度影响，不能满足一些热介质较高压力和流量的工艺要求。③受釜体夹套内部结构影响，热介质在夹套内流动有部分死角，且流速及流向不均匀，影响整体热交换效果[3]。

本文创新性地采用半管和蛇管一体化的设计，改进后的强化换热型反应釜可有效解决只能用反应釜的化工反应且对反应热交换要求条件较高，反应剧烈，放出或吸收的能量较大及需要及时快速升温或降温的反应工艺问题。

2 改进后的强化换热型反应釜

本次设计改进主要是在常规换热反应釜结构基础上将半管和蛇管一体化，改进后的强化换热型反应釜如图1所示，其剖视图如图2所示。

图1 改进后的强化换热型反应釜结构示意图

图2 改进后的强化换热型反应釜结构剖视图

由图1知，釜外换热管与釜内换热管交错循环连通，形成多层次循环递进、内外互通的换热通道，增大换热面积，该强化换热型反应釜中釜外换热管的工作有两种情况：①釜外换热管采用双数列时，在换热夹套上设置有换热介质进出口，换热介质从换热介质进口进入，通过最低一层的釜内换热管进入最低的所述釜外换热管，依次往上，到达最高的釜外换热管；然后再通过釜内换热管进入次高的釜外换热管，依次往下，形成一个循环，经过多次循环后，从换热介质出口排出，实现釜外流体的循环周期。②釜外换热管采用单数列时，在换热夹套上设置有换热介质进口，在换热转接管上设置有换热介质出口。换热介质从换热介质进口进入，通过最低一层的釜内换热管进入最低的所述釜外换热管，依次往上，到达最高的釜外换热管；然后再通过釜内换热管进入次最高的釜外换热管，依次往下，形成一个循环，经过多次循环后；最后由换热介质出口排出[4-5]。

具体的换热方法主要有4个技术特点：①该反应釜釜体的外表面上部设置有换热转接管，外表面中下部从上到下之间设置有釜外换热管，釜体外表面底部设置有换热夹套。上下相邻的外换热管之间、换热夹套与底部的外换热管之间、换热管与上部釜外换热管之间均通过釜内换热管连通，釜内换热管沿圆周间隙设置在釜体内表面上，釜外换热管、釜外转接管和换热夹套均由至少两个封闭腔室构成，换热夹套和换热转换管上分别设置有换热介质进出口，换热介质在换热夹套、釜外换热管、釜内换热管和换热转换管内依次交错流通，形成层层递进式换热循环。②釜外换热管的封闭腔室数量与换热夹套相同，并且釜外换热管的封闭腔室数量为偶数时，换热转换管的封闭腔室数量为釜外的封闭腔室数量的一半，釜外换热管的封闭腔室数量为奇数时，换热转换管的封闭腔室数量为釜外的封闭腔室数量加一的一半。③釜内换热管的分组设置，其分组数量与釜外换热管的封闭腔室数量也相同，釜内换热管分组有双数列或单数列两种情况；换热夹套的封闭腔室相互独立，换热夹套的封闭腔室中部分封闭腔室相互连通。④釜外换热管为半管式结构，焊接固定在釜体外表面上，釜内换热管为U形圆管；釜内换热管的下端管口与下釜外换热管或换热夹套的高位连通，釜内换热管的上端管口与上釜外换热管或换热转接管的低位连通[6-7]。

以上采用釜外半管换热与釜内蛇管共用技术可使用于各常规及非标型号的换热反应釜，换热管道可根据反应釜型号或反应工艺条件需要选择不同规格、压力的及相应的管径管道，2 000 L以上反应釜内管长度一般可在5～10 cm。以3 000 L反应釜为例，换热管为DN50，相邻管道中心距为10 cm，釜内部分管道长度5 cm，釜体布管总高为150 cm，需总布管点位为750个，连接弯头管道总面积约10.79 m2，釜体璧外部分面积5.39 m2左右，釜体部分总面积为16.18 m2左右，正常的3 000 L反应釜夹套面积为8.4 m2左右，不含釜底封头部分，换热面积增加明显，基本增加近一倍的换热面积。若根据各类反应工艺不同，为了便于设备制作，管道焊接等因素，选择的换热管径及布管中心距不同，增加换热面积也至少30%以上，其同等换热面积下换热效果也增加30%以上。

3 结论

综上所述，通过对常用的换热反应釜进行创新性改进，采用釜外半管换热与釜内蛇管共用技术，可减少因局部过热而发生的副反应，增大换热面积，加强了传质、传热和返混，增加釜内反应液的混合与分散，减少釜内反应液的流动阻力和流动死角，缩短反应时间，提高换热效果。根据实际生产反应计算，可提高换热效果30 %以上，由于新型强化换热反应釜可快速进行热交换，使反应温度稳定的同时减少了温度波动，为工业化生产过程提供有力的安全保障。