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螺旋板換熱器在甲酯生產中的應用情況

瀏覽次數: 日期:2017-04-27

  生成鄰氨基苯甲酸甲酯(簡稱甲酯)的化學反應包括酰胺化反應和酯化反應,其中酯化反應過程中會放出大量的熱,工藝要求次氯酸鈉加完后物料溫度控制在(-5±2)℃,并且保持在零度以下反應50min以上。由于溫度對產品質量和收率影響極大,因此設備換熱效率的高低成了影響產品質量和收率的關鍵因素,在同行業中,酯化反應一般采用釜體夾層和釜內盤管降溫,由于換熱面積有限,降溫效果不理想,因此實際生產中對冷凍鹽水的溫度要求非??量?,必須保持在零下20 ℃以下,這極大地降低了制冷機的制冷效率,同時還必須使用大量的機冰輔助降溫,需要有機冰生產、運輸、破碎等一系列設施,這必不可少的增加了水資源、能源的消耗,生產效率低、勞動強度大[1-5]。
  1· 研究方案設計
  根據酯化反應的機理,結合實際生產經驗,經充分論證,我們提出了采用外循環降溫、增加換熱面積的技改方案:
  (1) 增設螺旋板換熱器,進行同步外循環降溫;
  (2) 提高鹽水流量。
  螺旋板換熱器是一種新型高效的換熱設備,主要由螺旋板、接管、密封板組成,結構簡單,體積小,換熱面積大,流量在Re>500時可達湍流狀態,因此比管殼式換熱器傳熱效率高1倍以上。螺旋板換熱器結構示意圖見圖1。
  螺旋板換熱器的主要特點:
 ?、賯鳠嵝芎?。彎曲的螺旋通道和定距柱,有利于增強流體的湍流狀態,通道內流體阻力小,可提高設計流速,來提高傳熱系數。對于水-水熱交換,傳熱系數可達1.8~3.5 kW/(m-2·℃)-1。
 ?、?有自清洗作用。單通道內的流體通過通道內雜質沉積處時,流速會相對提高,容易把雜質沖掉。并且由于設備本身沒有死角,不容易形成沉積
 ?、?不可拆式結構的密封性能好,適用于劇毒、易燃易爆或貴重流體的換熱。
 ?、?相鄰通道內的流體呈純逆流方式流動,可得到最大的對數平均溫差,有利于小溫差傳熱。
 ?、?結構較緊湊,單位設備體積內的傳熱面積可達150 m2/m。
 ?、?由于螺旋通道本身的彈性自由膨脹,溫差應力小。
 ?、?價格低廉。
  2 ·方案優化實驗
  影響換熱效果的主要因素是:①換熱面積及傳熱效率;②冷凍鹽水溫度及流量。因此2006年8月,我們經研究設計,確定了采用封閉式、每臺換熱面積100 m2的螺旋板換熱器,并進行了以下三方面的實驗比對:
  (1) 冷凍鹽水的溫度(-21 ℃)及流量(28 kg/s)不變,對使用換熱器臺數進行實驗對比,得到了3組試驗數據。結果見表1。
  通過以上3組數據對比可知:使用兩臺換熱器,冷凍鹽水溫度在-20 ℃,流量28 kg/s,不用機冰,零下反應時間控制在50 min以上達到最佳效果。
  (2)冷凍鹽水的流量(28 kg/s)和螺旋板換熱器兩臺保持不變,對冷凍鹽水的溫度進行實驗對比,得到了3組試驗數據。結果見表2。
  通過以上三組數據對比可知:使用兩臺換熱器,冷凍鹽水流量 28 kg/s,冷凍鹽水溫度不高于-19℃,不能滿足零下反應時間控制在50 min以上的工藝要求。
  (3)螺旋板換熱器兩臺保持不變,對冷凍鹽水不同溫度下的不同流量進行實驗對比,得到了9組試驗數據。結果見表3。
  通過以上數據可以看出,用兩臺螺旋板換熱器,鹽水溫度在-17 ℃時,鹽水流量在56 kg/s和84 kg/s時均可滿足零下反應時間控制在50 min以上的工藝要求,但鹽水流量在56 kg/s和84 kg/s時差別不大,因此我們選擇鹽水流量 56 kg/s。
  3 ·確定新生產工藝
  根據以上實驗結果,我們確定如下新工藝:
 ?。?)冷凍鹽水溫度控制在-17 ℃,以最大限度的提高制冷機的制冷效率,節約電能。
 ?。?)用兩臺換熱面積為100 m2的螺旋板換熱器進行同步外循環降溫
 ?。?)冷凍鹽水流量控制在200 t/h。通過幾年來的運行,甲酯產品的質量和收率有了進一步穩定和提高。
  4· 生產應用及效果
  2006年11月,我們對全部酯化釜進行改造,并將原冰池改為鹽水循環池。經過一年多的生產運行證明:用螺旋板換熱器代替機冰對酯化釜降溫,完全符合工藝要求,作用非常明顯。根據統計:減少非工藝用時3 h/d,節約人工3人/班,節電約63 kW·h/t甲酯,節水 2 t/t甲酯;同時產品質量和收率有了進一步穩定和提高,由于不用機冰,相應地減少了廢水量。
  5· 安全與環保
  該方案應用后,酯化反應溫度控制更有保障,勿需使用機冰,減少了可能發生安全事故的環節和因素,并有利于節約水資源,減少廢棄物產生,特別是可大大減少廢水量,降低了廢水處理費用。該項目在安全生產、節能減排、環保方面有明顯的創新性。
  6· 結束語
  我們開發的酯化反應外循環降溫技術具有以下特點:
  (1)采用外循環降溫技術和傳統的釜內盤管、釜體夾層相結合的降溫模式,使換熱面積大幅度增加,降低了對冷凍鹽水的技術要求,提高了制冷機的制冷效率,節約了電能;
  (2)采用該技術避免使用大量機冰,縮短了勞動時間,降低了勞動強度,避免了機冰在生產、運輸、破碎過程中的冷量損失;
  (3)節電節水,降低了生產成本;
  (4)提高了產品質量和收率,保障了安全生產。該方案具有一定的創新性、使用性,經濟效益和社會效益明顯,具有一定的推廣價值。如果將該技術用于甲酯生產過程中的原材料預降溫,也會取得不錯的效果。

參考文獻:
[1]王曉紅.化工原理[M].北京:化學工業出版社,2009.
[2]時鈞,等.化學工程手冊[M].北京:化學工業出版社,2002.
[3]錢頌文.換熱器設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2006.
[4]史美中.熱交換器原理與設計[M].南京:東南大學出版社,2009.
[5]王軍,陳良才,馮志力.并逆流間壁換熱器冷熱流體溫度分布方程式[J].石油工業設備,2008,37(3):9-12. 

 

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