反应器防闪爆移热研究

反应器防闪爆移热研究

唐凯 张廷芝 王涛

西安航天华威化工生物工程有限公司，陕西西安，710100

摘 要：河南某公司采购的列管式固定床反应器，由于生产工艺条件的改变，原料气经列管中催化剂反应后的生成气温度过高，易在下管箱发生闪爆，反应器现有的熔盐换热系统无法达到移热要求。因此，经过综合考虑与Aspen Plus仿真模拟，采用翅片管进行移热改造从而避免闪爆。

关键词：翅片管换热器 闪爆 移热

1前言

对现有旧反应器的改造，受到的限制条件较多。因此，依据现场提供的工艺条件及设备参数，经过综合考虑，选用翅片管进行移热改造[1]。翅片管被认为是最成功最有效地增强管式换热器传热特性的技术之一,它成功地解决了管式传热元件内外两侧换热能力不匹配的难题，在换热能力较弱的一侧用增加翅片或扩展表面的办法来提高整体传热效果，可使换热器结构更紧凑、更合理、更节约[2-5]。借助翅片管在化工反应器下封头直筒段内进行换热改造，使反应生成的高温气体温度显著降低从而脱离闪爆温度范围，避免发生闪爆，影响正常生产。

2防闪爆移热设计

2.1设计计算

    经过与业主沟通，最终决定采用饱和水进入翅片管内后与高温反应尾气发生热交换，饱和水发生相变生产饱和蒸汽，从而移走大量热量，降低壳程反应尾气体温度。

确保反应器生成气经翅片管换热后达到指定温度是此次改造的基本原则，依据现有工艺参数见表1。

表1现有工艺参数

由于从反应器列管末端出来的混合气质量流量较小，采用逆推法确定迎风面积，假定Re=2000，满足翅片管管外换热系数计算公式应用范围。得到所需迎风面积为5.314㎡。

管外换热热阻是传热过程中的最大热阻，因此考虑到有效降低反应尾气温度，使其避开闪爆温度，选用翅片管换热拓展表面接触面积以减小管外传热热阻。

通过1-4式进行工艺计算[6]，得到所需换热面积13㎡。

  （1）

                       （2）

                            （3）

                                    （4）

改造共设有30根翅片换热管，总换热面积:㎡,满足所需面积。

2.2设备设计方案

本次反应器防闪爆移热改造的主要设计方案如下：

考虑到反应器下管箱为φ=4500的圆筒，考虑到面积过大会造成迎风面质量流速较小，降低整个系统的换热效率，因此在下管箱内侧平面两侧设置挡板，减小迎风面积从而提高迎风面质量流速。

图1 迎风面及翅片管正三角布置图

选用规格为CPG（φ383/76/5.8/0.8）环形翅片管。管间距pt=81mm ， 正三角形排列，如图1所示。

翅片管共布置上下两排，单排15根，上下交替弯头连接，三进三出。如图2所示。

图2反应器改造立面示意图

选用离心泵对冷却水加压、从翅片管出来的冷却水进入后置闪蒸罐进行闪蒸，实现气液分离。Aspen Plus的仿真模拟如图3所示。

图3 Aspen Plus工艺仿真模拟

3设计注意事项

在此次改造设计过程中，由于前期工艺参数的不完整性，借助Aspen Plus软件进行工艺仿真模拟。模拟所得最终换热量与业主最终给出热量接近，在对管内外进行换热计算后，最终确定翅片换热管根数。考虑到现有生成混合气的易爆特性，在设计改造借助翅片管进行换热降温时，需重点考虑翅片管的固定抗冲击性。

4结语

本文根据现需改造反应器的实际生产情况，结合我公司的设备生产能力，制定了改造工艺方案，并提出一些设计中需要考虑的问题及对策，为客户提供了可靠的解决方案。

参考文献

[1]魏永忠.《化工工艺设计手册》(第五版)列入“十三五”国家重点图书规划[J].化工与医药工程,2016,37(04):42.

[2] Farouk T,Fares D,Lyes B, et al. Investigation of the thermal-flow performances of sinusoidal wavy finned-tube heat exchangers[J]. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects,2022,44(4).

[3]钱颂文.换热器设计手册[M].化学工业出版社,2002.

[4]冉晴,崔明辉,刘涛.翅片管式换热器的研究进展[J].区域供热,2022(05):129-135.

[5]于孔飞,陈佳乐.翅片管式换热器细节优化分析[J].区域供热,2022(04):148-153.

[6]刘纪褔，翅片管换热器的原理与设计[M].哈尔滨工业大学出版社,2013.

1