李 林,胡容平

（1.南寧壯寧資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)有限責(zé)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(chǎn)過(guò)程的實(shí)質(zhì)是化學(xué)反應(yīng)的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，放熱化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)溫度準(zhǔn)確而又持續(xù)穩(wěn)定的控制對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的安全運(yùn)轉(zhuǎn)、反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量、反應(yīng)速度的控制顯得異常重要?；て髽I(yè)往往想方設(shè)法通過(guò)提高生產(chǎn)效率來(lái)追求經(jīng)濟(jì)效益最大化，提高反應(yīng)速度是提高生產(chǎn)效率的最主要的途徑之一。在放熱反應(yīng)中，提高反應(yīng)速度的同時(shí)，反應(yīng)熱也隨之大量產(chǎn)生，準(zhǔn)確而又持續(xù)穩(wěn)定地控制反應(yīng)溫度非常困難，如何快速轉(zhuǎn)移因提高反應(yīng)速度而釋放的大量反應(yīng)熱成為提高生產(chǎn)效率的關(guān)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(diǎn)，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(zhuǎn)移熱量，還可以充分利用換熱液體或氣體的相變潛熱進(jìn)行熱量交換轉(zhuǎn)移熱量，這樣就可以極大地提高熱交換的效率，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，總結(jié)出了利用氣－液相變熱傳熱提高傳熱效率技術(shù)的規(guī)律，因此在化工生產(chǎn)中應(yīng)盡量利用氣-液相變熱傳熱提高傳熱效率技術(shù)。

1 利用氣-液相變熱傳熱提高傳熱效率技術(shù)的原理

冷媒換熱的過(guò)程就是將熱量通過(guò)換熱器從溫度高的流體向溫度低的流體傳遞的過(guò)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(qiáng)傳熱效率的原理

在氣-液換熱或液-液換熱的過(guò)程中，熱量從熱流體經(jīng)過(guò)換熱器的器壁傳遞到冷液體過(guò)程，普遍依次經(jīng)過(guò)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(gè)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(duì)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(nèi)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(nèi)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(xué)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(zhì)有效傳熱溫差成為傳熱效率高低的決定性因素。當(dāng)換熱溫度正好處于或高于該工況條件下的冷液體的沸點(diǎn)時(shí)，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(huì)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(dòng)狀況，加強(qiáng)了冷液體從層流過(guò)渡至湍流的轉(zhuǎn)捩，冷液體層流層迅速向熱邊界層減薄，由于湍流具有強(qiáng)烈的混合效應(yīng)，冷液體的傳熱速率得到極大提升。由于同種介質(zhì)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(jìn)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(zhuǎn)移。因此，以氣化潛熱形式轉(zhuǎn)移熱量的效率要比單純以顯熱形式轉(zhuǎn)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(qiáng)傳熱效率的原理

在氣-液換熱的過(guò)程中，熱量從熱氣體經(jīng)過(guò)換熱器傳遞到冷流體過(guò)程，普遍依次經(jīng)過(guò)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(gè)區(qū)域的傳遞，溫度也依次降低。

在氣-液換熱的傳熱過(guò)程中，溫度變化的曲線與以上的傳熱形式相似。當(dāng)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(shí)，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(zhì)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(zhuǎn)移。因此，以液化相變潛熱形式轉(zhuǎn)移熱量的效率要比單純以熱氣體顯熱形式轉(zhuǎn)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(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用方案

2.1 冷液體氣化相變熱傳熱技術(shù)的應(yīng)用方案

工藝流 程圖見(jiàn)圖1[2]，冷媒A經(jīng)過(guò)放熱反應(yīng)的反應(yīng)設(shè)備吸收熱量后，部分氣化生成A蒸氣，摻夾于A液體中，經(jīng)過(guò)氣液分離器分離后，A蒸氣去換熱器冷凝至A儲(chǔ)罐中，A液體利用位差返回反應(yīng)設(shè)備中繼續(xù)進(jìn)行換熱，在反應(yīng)設(shè)備的冷媒A入口補(bǔ)充稍多于A蒸發(fā)量的液態(tài)A,補(bǔ)充過(guò)量的液態(tài)A經(jīng)過(guò)氣液分離器溢流管返回A儲(chǔ)槽，始終保持反應(yīng)設(shè)備的夾套部分都處于冷媒A的浸泡，反應(yīng)設(shè)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(yīng)設(shè)備內(nèi)的反應(yīng)溫度。且當(dāng)反應(yīng)設(shè)備中的放熱反應(yīng)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(yīng)設(shè)備補(bǔ)充的液態(tài)A的量增大即可有效控制反應(yīng)設(shè)備內(nèi)的反應(yīng)溫度。

圖1 冷液體氣化相變熱傳熱技術(shù)的應(yīng)用方案

2.2 利用熱氣體液化相變熱傳熱技術(shù)的應(yīng)用方案

工藝流程圖見(jiàn)圖2[3]，將富含反應(yīng)物B蒸氣的氣體導(dǎo)入冷凝器中進(jìn)行冷凝冷卻，利用重力作用將冷凝得到的液態(tài)B引導(dǎo)回B的反應(yīng)設(shè)備中，液態(tài)B繼續(xù)參與反應(yīng)，部分液態(tài)B受熱氣化至冷凝器中再次冷凝，通過(guò)B的周而復(fù)始的冷凝-氣化，將反應(yīng)熱不斷轉(zhuǎn)移至冷凝器中，再由冷卻水將反應(yīng)熱轉(zhuǎn)移，通過(guò)控制冷卻水的流量而控制B蒸氣的冷凝量，從而達(dá)到有效地控制反應(yīng)設(shè)備內(nèi)反應(yīng)溫度的目的。

圖2 利用熱氣體液化相變熱傳熱技術(shù)的應(yīng)用方案

3 利用氣-液相變熱傳熱提高傳熱效率技術(shù)在化工生產(chǎn)中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)和局限性

3.1 在化工生產(chǎn)中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

(1)傳熱效率高，為提高化學(xué)反應(yīng)效率提供有力保障。

依靠冷媒的顯熱轉(zhuǎn)移反應(yīng)熱，效率低下，如果要大量轉(zhuǎn)移因提高反應(yīng)效率而大量增加的反應(yīng)熱，只能依靠加大冷媒的強(qiáng)制循環(huán)量和降低冷媒的入口溫度來(lái)解決，這就需要耗費(fèi)大量的動(dòng)力能源。相對(duì)而言，利用氣-液相變熱傳熱提高傳熱效率技術(shù)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(zhuǎn)移反應(yīng)熱效率低的瓶頸，為因提高反應(yīng)效率須及時(shí)轉(zhuǎn)移大量增多的反應(yīng)熱提供保障，提高了生產(chǎn)裝置的利用率，而且只需補(bǔ)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(qiáng)制循環(huán)冷卻所需要的動(dòng)力能源消耗[4]。

(2)可操控性強(qiáng)，易于穩(wěn)定操控，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。

針對(duì)反應(yīng)溫度的控制，冷液體氣化相變熱傳熱技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)在其工況下選擇合適沸點(diǎn)的冷媒使用，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)溫度的有效可控。在不同的生產(chǎn)負(fù)荷下，都可以通過(guò)反應(yīng)的激烈程度對(duì)應(yīng)的反應(yīng)放熱的不同自行調(diào)節(jié)循環(huán)量，只需增加冷媒的補(bǔ)充量即可，無(wú)需人為地進(jìn)行其他操控，操控簡(jiǎn)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(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)冷卻水的供應(yīng)量控制反應(yīng)物氣體的冷凝量，就控制了反應(yīng)設(shè)備的反應(yīng)溫度。操控簡(jiǎn)單，變量很少，可以輕松地通過(guò)計(jì)算機(jī)或工控模塊進(jìn)行有效的程序控制。反應(yīng)溫度的穩(wěn)定控制，利于反應(yīng)過(guò)程的傳質(zhì)傳熱，減少副產(chǎn)品產(chǎn)生，有利于提高產(chǎn)品的產(chǎn)出率和產(chǎn)品質(zhì)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(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，反應(yīng)熱能夠集約化地以冷媒蒸氣的形式轉(zhuǎn)移，利于熱能的綜合利用。如果反應(yīng)溫度較高，則可結(jié)合前后工序耗冷、耗熱的情況進(jìn)行提供熱量或通過(guò)溴化鋰制冷機(jī)組等裝置將熱量轉(zhuǎn)化后提供冷量，進(jìn)一步降低工裝的能耗。

3.2 在化工生產(chǎn)中應(yīng)用的局限性

(1)使用溫度區(qū)間較窄，專一性較強(qiáng)，通用性較差。

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

(2)增加設(shè)備投入，裝置前期投資費(fèi)用較高。

雖然該技術(shù)在使用過(guò)程中單位產(chǎn)品的運(yùn)行費(fèi)用較低，但是在裝置建設(shè)期的投入較顯熱傳熱技術(shù)高，特別是涉及到壓力容器、特殊材質(zhì)等特殊設(shè)備的，投資費(fèi)用上升較為明顯，須進(jìn)行經(jīng)濟(jì)衡算后再行決定是否采用該技術(shù)。

(3)反應(yīng)不均勻，精確控制反應(yīng)溫度的化學(xué)反應(yīng)須結(jié)合其他傳熱方式應(yīng)用。

在氣體液化相變熱傳熱技術(shù)的應(yīng)用中，用于精確控制反應(yīng)溫度的化學(xué)反應(yīng)時(shí)，如果一味地依賴氣體液化相變熱進(jìn)行傳熱，則較易在反應(yīng)體系的一定情況下出現(xiàn)反應(yīng)溫度梯度，須結(jié)合其他傳熱方式應(yīng)用，避免出現(xiàn)反應(yīng)溫度梯度導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

利用氣-液相變熱傳熱提高傳熱效率技術(shù)在化工生產(chǎn)企業(yè)中的應(yīng)用是切實(shí)可行的，能夠進(jìn)一步提高化工生產(chǎn)效率和生產(chǎn)裝置的利用率，降低了產(chǎn)品的能耗，是提升企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)企業(yè)節(jié)能減排的有效途徑。但是該技術(shù)的使用仍有一定的局限性，在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用還需要不斷摸索和創(chuàng)新，并有效結(jié)合其他傳熱方式應(yīng)用，是可以彌補(bǔ)利用氣-液相變熱傳熱提高傳熱效率技術(shù)的缺陷，而又能夠充分發(fā)揮該技術(shù)長(zhǎng)處的。

[1] 柴誠(chéng)敬.化工流體流動(dòng)與傳熱[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2] 吳彬，唐彬，劉中海.轉(zhuǎn)化器熱水強(qiáng)制循環(huán)與小循環(huán)[C].2006年全國(guó)聚氯乙烯行業(yè)技術(shù)年會(huì)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(guó)產(chǎn)70m3聚合釜釜頂冷凝器技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用[C].第31屆全國(guó)聚氯乙烯行業(yè)技術(shù)年會(huì)論文集，2009.186-187.

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