黃少杰 中海油石化工程有限公司 濟南 250000

反應釜是涂料、醫(yī)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(xù)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(xù)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(jiān)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(wěn)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(yè)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(yōu)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(huán)泵及側線加熱器，通過對夾套內換熱介質大流量循環(huán)，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(huán)系統；當需要降低換熱介質溫度時，通過調節(jié)與閉路循環(huán)系統連接的冷介質出口調節(jié)閥開度，減小側線加熱器熱源介質調節(jié)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(huán)回路疊加的加熱/冷卻系統。該種設計方式在目前工業(yè)裝置上也較為常見，對放熱反應較溫和、反應釜規(guī)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(yè)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(huán)閉環(huán)回路+加熱介質循環(huán)回路+冷卻介質循環(huán)回路”的疊加設計(三閉環(huán)回路設計)，通過大流量循環(huán)泵對反應釜內工藝物料進行循環(huán)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(jié)實現反應釜的溫度平穩(wěn)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(fā)生變化時，可實現換熱介質的溫度及傳熱溫差的平穩(wěn)變化，減少波動，可適用于大規(guī)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(jié)冷、熱介質流量調節(jié)閥開度(即調節(jié)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(huán)換熱回路，采用高位槽式設計，穩(wěn)定系統壓力，降低循環(huán)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(huán)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(huán)運行，降低運行負荷的同時保證反應系統供熱/冷的穩(wěn)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(guī)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(jié)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(qū)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(wěn)定性及熱穩(wěn)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(yōu)。從本質安全的角度來降低反應換熱器發(fā)生泄漏時的危險程度[2]，工業(yè)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(huán)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(huán)流量的確定

冷熱介質循環(huán)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(huán)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(huán)量m。

2.5 循環(huán)壓力的確定

冷/熱循環(huán)介質分別采用冷/熱輸送泵進行閉式循環(huán)，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(huán)回路操作壓力的關鍵。

一般，高位槽應高于循環(huán)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(huán)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(guī)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(huán)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(wěn)、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(yōu)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(wěn)定性及較強可操作性。