利用氣-液相變熱傳熱提高傳熱效率技術在化工生產中的應用

李 林,胡容平

（1.南寧壯寧資產經營有限責任公司，廣西 南寧 530022；2.廣西化工研究院，廣西 南寧530001）

化工生產過程的實質是化學反應的傳熱傳質過程，放熱化學反應的反應溫度準確而又持續(xù)穩(wěn)定的控制對生產過程的安全運轉、反應產物的質量、反應速度的控制顯得異常重要。化工企業(yè)往往想方設法通過提高生產效率來追求經濟效益最大化，提高反應速度是提高生產效率的最主要的途徑之一。在放熱反應中，提高反應速度的同時，反應熱也隨之大量產生，準確而又持續(xù)穩(wěn)定地控制反應溫度非常困難，如何快速轉移因提高反應速度而釋放的大量反應熱成為提高生產效率的關鍵因素。在一定的換熱工況中，如果換熱溫度正好處于或高于換熱液體的沸點，處于或低于換熱氣體的液化溫度，不但可以利用換熱液體或氣體的溫差顯熱轉移熱量，還可以充分利用換熱液體或氣體的相變潛熱進行熱量交換轉移熱量，這樣就可以極大地提高熱交換的效率，進而提高生產效率。在長期的生產實踐中，總結出了利用氣－液相變熱傳熱提高傳熱效率技術的規(guī)律，因此在化工生產中應盡量利用氣-液相變熱傳熱提高傳熱效率技術。

1 利用氣-液相變熱傳熱提高傳熱效率技術的原理

冷媒換熱的過程就是將熱量通過換熱器從溫度高的流體向溫度低的流體傳遞的過程，按照存在相變的不同區(qū)域，可分為冷液體氣化相變熱傳熱和熱氣體液化相變熱傳熱兩種情況[1]。

1.1 利用冷液體氣化潛熱傳熱加強傳熱效率的原理

在氣-液換熱或液-液換熱的過程中，熱量從熱流體經過換熱器的器壁傳遞到冷液體過程，普遍依次經過熱流體湍流層、熱流體層流層、換熱器器壁、冷液體層流層、冷液體湍流層5個區(qū)域，溫度隨之依次降低。

在氣體和液體中的主要傳熱形式為對流傳熱，在熱流體湍流層和冷液體湍流層中由于湍流的特性，流體分子之間位置交換非常頻繁，湍流層內各處的溫度基本相同。熱流體層流層和冷液體層流層由于層流的特性，流體分子之間的橫向位置交換較少，層流層內至器壁的溫度變化比較顯著。因此，在換熱器和熱交換的兩種流體化學成分不改變的前提下，熱流體層流層和冷液體層流層的厚度大小與冷、熱兩種介質有效傳熱溫差成為傳熱效率高低的決定性因素。當換熱溫度正好處于或高于該工況條件下的冷液體的沸點時，冷液體層流層中的貼近器壁的部分液體吸收了大量的熱量，就會形成流體不斷氣化的沸騰狀，甚至形成泡核沸騰，這就極大破壞了冷液體原有的層流層的流動狀況，加強了冷液體從層流過渡至湍流的轉捩，冷液體層流層迅速向熱邊界層減薄，由于湍流具有強烈的混合效應，冷液體的傳熱速率得到極大提升。由于同種介質的氣化潛熱比一定壓力下單位溫度的顯熱要高得多，冷液體帶走的熱量除了極少部分以冷液體進出換熱器溫差變化的顯熱形式帶走外，絕大部分是冷液體氣化后以氣化潛熱的形式轉移。因此，以氣化潛熱形式轉移熱量的效率要比單純以顯熱形式轉移熱量的傳熱效率高很多。

1.2 利用熱氣體流體液化相變潛熱傳熱加強傳熱效率的原理

在氣-液換熱的過程中，熱量從熱氣體經過換熱器傳遞到冷流體過程，普遍依次經過熱氣體湍流層、熱氣體層流層、換熱器器壁、冷流體層流層、冷流體流體湍流層5個區(qū)域的傳遞，溫度也依次降低。

在氣-液換熱的傳熱過程中，溫度變化的曲線與以上的傳熱形式相似。當換熱溫度正好處于或低于該工況條件下的熱氣體的液化溫度時，熱氣體層流層中的貼近器壁的部分氣體被器壁吸收了大量的熱量，在器壁表面冷凝形成液滴或液膜，在重力條件下向下聚集。由于同種介質的液化相變潛熱比一定壓力下單位溫度的顯熱要高得多，熱氣體的熱量除了極少部分以熱氣體換熱溫差變化的顯熱形式帶走外，絕大部分是熱氣體冷凝后以液化相變潛熱的形式轉移。因此，以液化相變潛熱形式轉移熱量的效率要比單純以熱氣體顯熱形式轉移熱量的效率高很多。

2 利用氣-液相變熱傳熱提高傳熱效率技術在化工生產中的應用方案

2.1 冷液體氣化相變熱傳熱技術的應用方案

工藝流 程圖見圖1[2]，冷媒A經過放熱反應的反應設備吸收熱量后，部分氣化生成A蒸氣，摻夾于A液體中，經過氣液分離器分離后，A蒸氣去換熱器冷凝至A儲罐中，A液體利用位差返回反應設備中繼續(xù)進行換熱，在反應設備的冷媒A入口補充稍多于A蒸發(fā)量的液態(tài)A,補充過量的液態(tài)A經過氣液分離器溢流管返回A儲槽，始終保持反應設備的夾套部分都處于冷媒A的浸泡，反應設備夾套的溫度就保持為冷媒A在夾套壓力條件下的氣化溫度，即可有效控制反應設備內的反應溫度。且當反應設備中的放熱反應越趨激烈，A的氣化量就越趨大，其冷凝循環(huán)系統(tǒng)自然也就越趨加快，只需將向反應設備補充的液態(tài)A的量增大即可有效控制反應設備內的反應溫度。

圖1 冷液體氣化相變熱傳熱技術的應用方案

2.2 利用熱氣體液化相變熱傳熱技術的應用方案

工藝流程圖見圖2[3]，將富含反應物B蒸氣的氣體導入冷凝器中進行冷凝冷卻，利用重力作用將冷凝得到的液態(tài)B引導回B的反應設備中，液態(tài)B繼續(xù)參與反應，部分液態(tài)B受熱氣化至冷凝器中再次冷凝，通過B的周而復始的冷凝-氣化，將反應熱不斷轉移至冷凝器中，再由冷卻水將反應熱轉移，通過控制冷卻水的流量而控制B蒸氣的冷凝量，從而達到有效地控制反應設備內反應溫度的目的。

圖2 利用熱氣體液化相變熱傳熱技術的應用方案

3 利用氣-液相變熱傳熱提高傳熱效率技術在化工生產中應用的優(yōu)點和局限性

3.1 在化工生產中應用的優(yōu)點

(1)傳熱效率高，為提高化學反應效率提供有力保障。

依靠冷媒的顯熱轉移反應熱，效率低下，如果要大量轉移因提高反應效率而大量增加的反應熱，只能依靠加大冷媒的強制循環(huán)量和降低冷媒的入口溫度來解決，這就需要耗費大量的動力能源。相對而言，利用氣-液相變熱傳熱提高傳熱效率技術由于利用相變熱傳熱能夠極大地提升傳熱效率，不僅突破了僅依靠冷媒的顯熱轉移反應熱效率低的瓶頸，為因提高反應效率須及時轉移大量增多的反應熱提供保障，提高了生產裝置的利用率，而且只需補充極少量的冷媒即可，節(jié)省利用顯熱傳熱而需的大量冷媒強制循環(huán)冷卻所需要的動力能源消耗[4]。

(2)可操控性強，易于穩(wěn)定操控，有利于提高產品質量。

針對反應溫度的控制，冷液體氣化相變熱傳熱技術的實際應用中，通過在其工況下選擇合適沸點的冷媒使用，即可實現(xiàn)對反應溫度的有效可控。在不同的生產負荷下，都可以通過反應的激烈程度對應的反應放熱的不同自行調節(jié)循環(huán)量，只需增加冷媒的補充量即可，無需人為地進行其他操控，操控簡單易行，減少了人為的不穩(wěn)定因素，也減輕操作人員的工作量。

在熱氣體液化相變傳熱技術的實際應用中，通過冷卻水的供應量控制反應物氣體的冷凝量，就控制了反應設備的反應溫度。操控簡單，變量很少，可以輕松地通過計算機或工控模塊進行有效的程序控制。反應溫度的穩(wěn)定控制，利于反應過程的傳質傳熱，減少副產品產生，有利于提高產品的產出率和產品質量。

(3)熱能集約化，利于綜合利用。

在冷液體氣化相變熱傳熱技術的實際應用中，反應熱能夠集約化地以冷媒蒸氣的形式轉移，利于熱能的綜合利用。如果反應溫度較高，則可結合前后工序耗冷、耗熱的情況進行提供熱量或通過溴化鋰制冷機組等裝置將熱量轉化后提供冷量，進一步降低工裝的能耗。

3.2 在化工生產中應用的局限性

(1)使用溫度區(qū)間較窄，專一性較強，通用性較差。

選定冷媒后，在既定的工況下適用的反應溫度區(qū)間較窄，不適合進行操作反應溫度波動較大的場合，專一性較強，通用性較差。

(2)增加設備投入，裝置前期投資費用較高。

雖然該技術在使用過程中單位產品的運行費用較低，但是在裝置建設期的投入較顯熱傳熱技術高，特別是涉及到壓力容器、特殊材質等特殊設備的，投資費用上升較為明顯，須進行經濟衡算后再行決定是否采用該技術。

(3)反應不均勻，精確控制反應溫度的化學反應須結合其他傳熱方式應用。

在氣體液化相變熱傳熱技術的應用中，用于精確控制反應溫度的化學反應時，如果一味地依賴氣體液化相變熱進行傳熱，則較易在反應體系的一定情況下出現(xiàn)反應溫度梯度，須結合其他傳熱方式應用，避免出現(xiàn)反應溫度梯度導致的產品質量不穩(wěn)定。

4 結語

利用氣-液相變熱傳熱提高傳熱效率技術在化工生產企業(yè)中的應用是切實可行的，能夠進一步提高化工生產效率和生產裝置的利用率，降低了產品的能耗，是提升企業(yè)產品的競爭力，實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能減排的有效途徑。但是該技術的使用仍有一定的局限性，在化工生產中的應用還需要不斷摸索和創(chuàng)新，并有效結合其他傳熱方式應用，是可以彌補利用氣-液相變熱傳熱提高傳熱效率技術的缺陷，而又能夠充分發(fā)揮該技術長處的。

[1] 柴誠敬.化工流體流動與傳熱[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[2] 吳彬，唐彬，劉中海.轉化器熱水強制循環(huán)與小循環(huán)[C].2006年全國聚氯乙烯行業(yè)技術年會論文集，2006.184-189.

[3] 劉新春，王世剛，李東升，唐湘軍，金永利，陳宏斌.國產70m3聚合釜釜頂冷凝器技術的開發(fā)與應用[C].第31屆全國聚氯乙烯行業(yè)技術年會論文集，2009.186-187.

[4] 王學會，李英.氯乙烯轉化器熱水循環(huán)工藝的節(jié)能改造[J].中國氯堿，2011(7)：16-17.