夾套設(shè)備傳熱效率探討

仝鵬翔，李連朋，周煜華，蔡 浩，丁 冰

（江西晨光新材料股份有限公司，江西 九江 332500）

引言

熱量傳遞是四大化工工程之一，在化工生產(chǎn)中主要有直接接觸式傳熱、間壁式傳熱、蓄熱式傳熱等熱量傳遞形式。夾套傳熱屬于間壁式傳熱形式，廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)的各個(gè)方面，主要起到使筒體內(nèi)物料起到反應(yīng)、分離、升溫、降溫、保溫、保冷等作用，提高夾套的傳熱效率不僅可以提高能量的使用效率，還在保證筒體內(nèi)產(chǎn)品品質(zhì)、保障安全生產(chǎn)方面發(fā)揮著重要作用。本文通過(guò)夾套容器的設(shè)計(jì)、安裝、使用等方面來(lái)討論提高夾套設(shè)備傳熱效率的方法。

1 夾套設(shè)備的簡(jiǎn)介

夾套設(shè)備的夾套內(nèi)通常通入蒸汽、礦物油、鹽水、乙二醇、循環(huán)水、珠光砂等進(jìn)行工作，使筒體內(nèi)物料進(jìn)行加熱、冷卻或保溫，起到特定的作用。根據(jù)夾套的包容情況有全夾套式和局部夾套式之分，全夾套式是上下封頭和筒體都安裝有夾套，局部夾套是部分筒體、部分封頭安裝夾套的形式。常見(jiàn)的夾套形式有圓筒形夾套、半管式夾套、蜂窩夾套等形式，圓筒形夾套為最常見(jiàn)的夾套形式，由內(nèi)筒體和夾套筒體組成；半管式夾套由內(nèi)筒體和焊接在筒體上的半管組成；蜂窩夾套結(jié)構(gòu)復(fù)雜、流速高、傳熱效率高、加工技術(shù)要求高。

2 夾套設(shè)備的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

2.1 通過(guò)設(shè)計(jì)合理的攪拌設(shè)備提高傳熱效率（提高傳遞動(dòng)力）

如式（1）所示，在導(dǎo)熱系數(shù)λ、傳導(dǎo)層厚度δ、傳熱面積一定的前提下，通過(guò)增大釜壁內(nèi)外的溫度差△t，可以增大熱流量Q。通過(guò)設(shè)計(jì)安裝攪拌設(shè)備，使熱量相差較大的釜內(nèi)物料與夾套內(nèi)物料及時(shí)進(jìn)行熱量傳遞，提高釜壁附近的溫度差（增強(qiáng)了傳遞動(dòng)力），增加了能量的傳熱效率。所以通過(guò)對(duì)夾套設(shè)備設(shè)置攪拌設(shè)備，可以提高傳熱效率。

根據(jù)物料性質(zhì)及生產(chǎn)要求，攪拌設(shè)備可以選擇頂入式、側(cè)入式、底入式的方式與設(shè)備進(jìn)行組合。攪拌槳可以選擇框式、錨式、螺帶式、旋漿式等多種形式，以達(dá)到釜內(nèi)物料快速，增加釜內(nèi)物料與夾套內(nèi)媒介的溫度差，達(dá)到提高熱量傳遞動(dòng)力的目的。攪拌電機(jī)可以選擇變頻和普通電機(jī)，根據(jù)物料的工作要求（介質(zhì)性質(zhì)、溫度、壓力等），轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備和攪拌軸的連接可以選擇填料密封、單端面機(jī)械密封、雙端面機(jī)械密封或者磁力轉(zhuǎn)動(dòng)等方式。

2.2 夾套釜整體夾套及管路設(shè)計(jì)（增加傳遞面積、傳熱動(dòng)力）

常見(jiàn)的夾套設(shè)備只是在釜的筒體和下部封頭做了夾套設(shè)計(jì)（常見(jiàn)的搪玻璃反應(yīng)釜都是局部夾套設(shè)計(jì)），未在釜上部端蓋進(jìn)行夾套設(shè)計(jì)。對(duì)于凝固點(diǎn)高、流動(dòng)性差的筒內(nèi)介質(zhì)（例如聚酯類物料），如果物料在攪拌過(guò)程中被攪拌至設(shè)備頂部封頭部位，就不能及時(shí)參與釜內(nèi)物料的均勻混合，物料在釜內(nèi)存留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)輕則造成熱量傳遞效率低下，甚至影響產(chǎn)品品質(zhì)。為了避免物料在釜內(nèi)滯留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，通常在釜的上部端蓋也設(shè)計(jì)有夾套，充分的利用夾套內(nèi)物料的熱量，增加了夾套與釜內(nèi)物料的傳熱面積，提高傳遞動(dòng)力，提高了釜內(nèi)物料接收或傳出熱量的效率。

對(duì)于整體夾套內(nèi)媒介流動(dòng)的管路設(shè)計(jì)上，根據(jù)夾套整體結(jié)構(gòu)和物料粘度特性，可以設(shè)計(jì)為一根總管進(jìn)出，或在不同部位多只管路并聯(lián)進(jìn)出。根據(jù)釜內(nèi)溫度設(shè)置調(diào)節(jié)閥流量調(diào)節(jié)，或者溫度、調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)進(jìn)行串級(jí)設(shè)計(jì)控制。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使釜內(nèi)的溫度更加均勻穩(wěn)定，準(zhǔn)確的控制了對(duì)夾套內(nèi)媒介能量的需求。

對(duì)于U 型夾套設(shè)備，可以在筒體和夾套之間設(shè)計(jì)適當(dāng)數(shù)量的擋板，增加夾套內(nèi)介質(zhì)的湍流速度，避免形成流動(dòng)死區(qū)，避免局部過(guò)熱、過(guò)冷造成的溫度不均；在夾套進(jìn)料口處設(shè)置擋板，避免進(jìn)料對(duì)筒體的沖刷，保障設(shè)備的使用安全、延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

2.3 U 型夾套設(shè)備夾套進(jìn)出口管路的設(shè)計(jì)（增加傳遞動(dòng)力）

U 型夾套設(shè)備由筒體和夾套體組成，夾套體底部和上部各有兩個(gè)法蘭口，夾套體的頂部設(shè)置排氣口。如果采用蒸汽類的氣體對(duì)罐體內(nèi)介質(zhì)進(jìn)行加熱，應(yīng)從夾套的上部?jī)蓚€(gè)端口同時(shí)進(jìn)汽（避免熱量的冷熱不均），下部?jī)蓚€(gè)法蘭口同時(shí)排冷凝液（避免局部積液），避免傳熱效率降低；如果采用導(dǎo)熱油或循環(huán)水對(duì)罐體內(nèi)介質(zhì)進(jìn)行傳熱，應(yīng)從下部?jī)蓚€(gè)法蘭口同時(shí)進(jìn)液，這樣可以防止偏流，導(dǎo)致夾套內(nèi)部分位置形成死區(qū)，導(dǎo)致傳熱效率降低。

為了更好的控制筒體內(nèi)溫度以及安全生產(chǎn)需要，工藝要求在夾套物料的進(jìn)出口設(shè)置自控系統(tǒng)，對(duì)于蒸汽類的加熱介質(zhì)，在夾套的上部進(jìn)口管路設(shè)置控制閥（蒸汽采用上部進(jìn)汽，下部排液）、流量計(jì)，根據(jù)釜內(nèi)溫度調(diào)節(jié)閥門開度，控制流量蒸汽，避免釜內(nèi)溫度劇烈波動(dòng)；對(duì)于采用液體冷卻或加熱的介質(zhì)，在夾套的上部出口或下部進(jìn)口管線設(shè)置調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)（液態(tài)介質(zhì)采用下部進(jìn)料，上部出料）、流量計(jì)，保證殼體內(nèi)充滿介質(zhì)，提高換熱效率，避免形成負(fù)壓。

為更好的完成夾套設(shè)備內(nèi)物料的混合，根據(jù)入口物料的性質(zhì)、催化劑性質(zhì)，可以在物料的進(jìn)口管道設(shè)置管路混合器（體積小、功率小，物料在使用較少的功率下，較短的時(shí)間內(nèi)，獲得混合均勻的產(chǎn)品）、靜態(tài)混合器（不同的物料經(jīng)過(guò)分割、位置移動(dòng)、重新匯合達(dá)到混合均勻的混合物，具有體積小、效率高、能耗低、操作穩(wěn)定等特點(diǎn)），在進(jìn)入釜內(nèi)前進(jìn)行較好的混合（降低攪拌設(shè)備的功率），縮短夾套設(shè)備的傳熱時(shí)間，增加夾套內(nèi)媒介的傳熱效率[1]。

2.4 增加U 型夾套內(nèi)規(guī)整流道的設(shè)置（增加傳熱動(dòng)力、增加傳熱面積）

為了徹底避免夾套內(nèi)介質(zhì)在夾套內(nèi)形成死區(qū)，在眾多要求嚴(yán)格的大化工、精細(xì)化工、生物化工等行業(yè)內(nèi)，在夾套內(nèi)用環(huán)形隔板形成規(guī)整流道（將夾套分為多層，每層之間留有上下流動(dòng)的通道），采用液態(tài)介質(zhì)進(jìn)行加熱或冷卻，規(guī)整流道內(nèi)的媒介以環(huán)形流動(dòng)的形式，流經(jīng)筒體外側(cè)的全部位置，最終經(jīng)上部出口流出夾套。夾套內(nèi)流道的設(shè)計(jì)需滿足在停工的狀態(tài)下，夾套內(nèi)物料能完全自流下落干凈，隔板材質(zhì)選用同筒體材質(zhì)，避免筒體的腐蝕。這種通過(guò)在夾套安裝規(guī)整導(dǎo)流隔板的措施，使夾套內(nèi)媒介流經(jīng)筒體外側(cè)的全部面積，在增加傳熱動(dòng)力的同時(shí)，也增加了傳熱面積[2]。

2.5 半管夾套設(shè)備的整體設(shè)計(jì)（增加傳熱動(dòng)力）

半管夾套設(shè)備半管內(nèi)介質(zhì)可以在較高壓力下工作，避免了高壓介質(zhì)進(jìn)入夾套前的減壓設(shè)施；由于可以承受較高壓力，可以使用較高溫度的介質(zhì)進(jìn)行傳熱，增加了傳熱效率；半管型結(jié)構(gòu)可以降低筒體的受力，因此半管型夾套可以降低筒體的厚度。半管夾套設(shè)備的制作復(fù)雜，焊接工作量大，造價(jià)高于普通的U型夾套設(shè)備，但是可以減少壓力容器的數(shù)量。半管夾套的半管需做好排氣設(shè)計(jì)，避免半管內(nèi)存有氣體，造成傳熱不均[3]。

2.6 蜂窩夾套設(shè)備（降低傳導(dǎo)層厚度，增加傳熱動(dòng)力）

蜂窩夾套有壓模式和拉撐式兩類，壓模式是在夾套筒體上壓制成帶圓孔的凹狀蜂窩，在圓孔處將筒體和夾套焊接，形成類似蜂窩狀結(jié)構(gòu)；拉撐式是用短管將筒體和夾套連接起來(lái)，短管在夾套內(nèi)成規(guī)則排列（三角形或正方形排列）。

蜂窩夾套設(shè)備在夾套介質(zhì)供給工況不變的條件下，增加流體在夾套內(nèi)的流動(dòng)速度，流體與蜂窩碰撞不斷改變流速和流動(dòng)方向，破壞原有的層流層，加快的傳熱速度，提高了傳熱效率。由于夾套與筒體全方位的貼合焊接，增加的筒體的強(qiáng)度，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的內(nèi)壓載荷由夾套壁和內(nèi)筒共同承擔(dān)，可以有效的減小筒體設(shè)計(jì)厚度，進(jìn)一步提高傳熱效率。

2.7 帶攪拌的夾套設(shè)備內(nèi)壁增加擋板（增加傳熱動(dòng)力）

夾套設(shè)備內(nèi)的攪拌設(shè)備帶來(lái)的設(shè)備內(nèi)壁附近液位較高、攪拌軸中心附近液位較低的“旋渦”現(xiàn)象，由于“旋渦”現(xiàn)象導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)物料攪拌混合不均勻，從而導(dǎo)致夾套設(shè)備傳熱效率低。在帶攪拌設(shè)備的內(nèi)壁安裝擋板，液流在擋板后形成旋渦，旋渦隨主體流動(dòng)遍及全部釜內(nèi)，提高傳熱動(dòng)力，自由下陷的現(xiàn)象消失。擋板對(duì)流體的徑向和軸向流動(dòng)沒(méi)有改變，但使攪拌的功率成倍增加，提高夾套的熱量傳遞效率。

攪拌設(shè)備內(nèi)壁擋板設(shè)置數(shù)量與設(shè)備容積密切相關(guān)，一般設(shè)備設(shè)置4 塊擋板即可。擋板采用與筒體材質(zhì)相同的材料，擋板與筒體之間保持適當(dāng)?shù)拈g隙，擋板設(shè)置為可拆卸型的連接方式。擋板的長(zhǎng)度和寬度應(yīng)與反應(yīng)釜、攪拌設(shè)備配套。

2.8 帶攪拌的夾套釜內(nèi)安裝盤管（增加傳熱面積，增加傳熱動(dòng)力）

由于夾套傳熱效率或者速度的限制，可以在夾套釜內(nèi)壁安裝盤管，通過(guò)加熱或冷卻盤管內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)來(lái)補(bǔ)充夾套設(shè)備的傳遞效率。盤管安裝在釜壁四周，也可起到安裝擋板的降低“旋渦”現(xiàn)象的作用。所以?shī)A套設(shè)備內(nèi)置盤管，可以提高傳熱效率。

內(nèi)盤管通常采用與筒體材質(zhì)相同的材料，由于筒體內(nèi)物流在攪拌器的作用下快速流動(dòng)，需要內(nèi)盤管系統(tǒng)做好盤管與盤管之間、盤管與筒體之間的固定設(shè)計(jì)工作。

2.9 帶攪拌的夾套設(shè)備內(nèi)增加導(dǎo)流筒（增加傳熱動(dòng)力）

導(dǎo)流筒位于攪拌器的外側(cè)，為上下開口的圓筒。導(dǎo)流筒限制了物料的循環(huán)路徑，保證了充分的循環(huán)路徑，使容器內(nèi)的物料可以通過(guò)導(dǎo)流筒形成強(qiáng)烈的混合區(qū)，減少無(wú)用的循環(huán)路線；導(dǎo)流筒通過(guò)提高部分位置的攪拌程度，增強(qiáng)了釜內(nèi)液體整體的攪拌劇烈程度。螺旋槳式攪拌器，導(dǎo)流筒可以安裝在攪拌槳的外側(cè)；渦輪式攪拌器，導(dǎo)流筒安裝在攪拌器上部。通過(guò)增加導(dǎo)流筒，抑制了圓周運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散，增大了物料的湍動(dòng)程度，提高的夾套熱量傳遞效率[4]。

2.10 分類設(shè)置不同功能的夾套設(shè)備（在工藝上做到專釜專用）

當(dāng)夾套設(shè)備釜內(nèi)物料分別需要經(jīng)過(guò)升溫、保溫、降溫等不同的能量傳遞需要時(shí)，在工藝條件許可時(shí)（設(shè)計(jì)專釜專用），可以設(shè)置不同類別的專用釜來(lái)完成能量傳遞工作。一類釜專做升溫使用，一類釜專做保溫使用，一類釜專做降溫使用，避免了一釜的夾套內(nèi)在不同階段需要更換不同作用的媒介，減少了夾套內(nèi)不同作用媒介的能量浪費(fèi)，提高了夾套媒介能量的使用效率。專釜專用適用于規(guī)模大、數(shù)量多、生產(chǎn)更加精細(xì)的釜類裝置，不僅提高夾套內(nèi)媒介的能量使用效率，還可以避免不同媒介在使用過(guò)程中因串流而造成媒介的流失浪費(fèi)。

3 夾套設(shè)備合理的安裝

3.1 選用合適的保溫、保冷材料

依據(jù)夾套介質(zhì)的作用，選用合適的保溫、保冷材料（常用的保溫材料有玻璃棉、巖棉、硅酸鋁板，常用的保冷材料有聚氨酯管殼或發(fā)泡、橡塑板），并采用經(jīng)濟(jì)型計(jì)算隔熱材料的厚度。保溫保冷材料發(fā)展迅速，氣凝膠是目前最好的隔熱材料，用于夾套設(shè)備有隔熱效果好、厚度薄、質(zhì)量輕、阻燃效果好的優(yōu)點(diǎn)。在夾套介質(zhì)對(duì)筒體內(nèi)物料起到降溫作用要求時(shí)，尤其使用冷凍水降溫、保溫時(shí)，需做好設(shè)備的全面保冷措施，夾套的裙座、支耳、法蘭、儀表座等都應(yīng)進(jìn)行保溫，設(shè)備自帶的銘牌拆除（拆除后安裝于保冷材料的保護(hù)層，避免傷害保冷材料。），能降低能量的損失，提高能力利用效率。夾套設(shè)備的保溫沒(méi)有設(shè)備保冷安裝要求得苛刻，但是同樣保溫材料安裝越是規(guī)范，熱量利用率越高[5]。

3.2 設(shè)備支座與支撐處安裝隔熱材料

夾套設(shè)備的支耳或者支座與結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)連接處安裝隔熱材料（此處隔熱材料除需要具備隔熱功能外，還需要具備一定的強(qiáng)度和硬度），減少夾套內(nèi)介質(zhì)的熱量或冷量的損耗。常用石棉隔熱墊、四氟隔熱墊、硅酸鋁隔熱墊等隔熱材料，隔熱材料的選用要考慮材料是否耐水性、耐溫性。硅酸鋁隔熱墊是用陶瓷纖維或氈，用磨具經(jīng)過(guò)沖壓而成，是高溫設(shè)備做隔熱或密封墊片的優(yōu)良材料。

4 結(jié)論

夾套設(shè)備在具體使用中選擇合理的夾套形式，并配制合理的攪拌設(shè)施、合理的系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)、內(nèi)壁安裝擋板、安裝盤管、安裝導(dǎo)流筒以及合理的保溫保冷隔熱設(shè)施等措施，可以提高夾套內(nèi)能量的傳熱效率。