连续换热

随着近20年来热管技术的兴起与发展，采用热管技术实现SO₂氧化过程连续换热将成为可能。热管的最大优点在于，它是依靠管内介质的相变热移送热量，不但移送热流率大，而且温度均匀，冷热两端温差仅1℃左右，有利于反应气体的均匀冷却。此外，热管的外部可加高翅片强化传热，总传热系数可达100W/(m²·℃)以上，比现有管壳式换热器的总传热系数提高数倍，可大大缩小换热面积，简化生产流程，降低设备造价，减少系统气阻，因此，热管将成为一种很有前途的SO₂氧化过程连续换热元件。

连续换热SO2氧化过程的连续换热方法讨论

实施该过程的流程示意图见图1。该过程将热管与触媒沿反应气流方向分割为有限多个传热—反应微元段，每经过一微元(绝热)反应段，气温就沿绝热线有一小阶梯跃升，而紧接一微元传热段，将气体沿水平线冷却降温一小阶梯，整个反应过程是以反应气温度小阶梯式跳跃贴近最佳反应温度曲线，见图2。

该反应过程比硫酸生产中使用的绝热反应—分段外部换热过程相比，能调节控制反应微元段的温度波动范围在最佳反应温度曲线附近，避免绝热反应温度波动过大、偏离最佳反应温度曲线过远的缺点，可有效提高反应过程的平均转化温度，增大转化速率。由于热管是一种高效传热元件，结构简单，使用方便，气阻小，与转化反应器可构成微缩化的SO₂氧化反应转化系统，能省去复杂庞大的外部换热器，减小设备材耗，降低设备投资，并节省系统风机的操作电耗，是一举多得的改进方案。

连续换热硫酸转化系统设计方案比较

对年产4万吨硫酸转化系统进行了设计比较，在相同的产酸量及8.5%SO₂入口气体浓度的条件下，采用外部换热式的普通两转两吸SO₂转化系统，触媒用量为31.08m³，换热面积为1077m²，设备总费用为100.5万元，总年费为48.9万元。而采用内部换热式连续换热两转两吸SO₂转化系统，触媒用量仅为17.37m³，转化器外换热器面积为 782.57m²，设备总费用为76.35万元，总年费为44.6万元。设计方案的比较结果表明，采用连续换热的SO₂转化系统在设备投资与操作费用上都显著低于普通两转两吸SO₂转化系统。

连续换热研究背景

反应器是食品添加剂、芳香除臭剂、脂肪酸及其衍生物等行业生产中的关键设备，是生产过程中一系列设备中的核心设备，反应器的型式、尺寸大小等，在很大程度上决定着产量和质量，因此反应器的选型、设计计算和选择最优化的操作条件，是化工生产中极为重要的课题。

反应器多种多样，根据结构型式可分为塔式反应器、管式反应器和釜式反应器。根据操作方式可分为间歇、连续、半连续(或半间歇)三种方式。管式反应器是应用较多的一种连续操作反应器，常用的管式反应器有水平管式反应器、立管式反应器、盘管式反应器和U形管式反应器等型式。由于管式反应器结构简单、加工方、便耐高压、传热面积大，特别适用于强烈放热和加压下的反应，易实现自动控制、节省动力、生产能力高等特点，因此广泛用于气相、均液相、非均液相、气液相、气固相、固相等反应。为保证式反应器内具有良好的传热与传质条件，使之接近于理想置换反应器，一般要求流体在管内作高速湍流运动。管式连续换热催化反应器设计的基本内容是：选择合适的反应器型式；确定最佳的工艺条件；计算需要的反应器体积。设计计算中所应用的基本方程式是物料衡算式、热量衡算式和反应动力学方程式，反应过程如有较大的压力降并影响反应速度时，还要加上动量衡算式。管式连续换热催化反应器的设计计算也就是上述方程组的求解。

连续换热物料衡算

由于反应器内温度和反应物浓度等参数随空间或时间而变，化学反应速度也随之改变，因而必须选取上述参数不变的微元体积和微元时间作为物料衡算的空间基准和时间基准。

对理想管式流动反应器建立物料衡算式，可以得到理想管式流动反应器的基础设计方程式。物料在管式流动反应器内进行理想置换流动时，物料衡算式有如下特点：

（1）物料流动处于稳定状态，反应器内各点物料浓度、温度和反应速度均不随时间而变，故可取任意时间间隔进行衡算。

（2）沿流动方向物料浓度、温度和反应速度的改变。

（3）稳定状态下，微元时间、微元体积内反应物的积累量为零。

物料衡算式给出了反应物浓度或转化率随反应器内位置或时间变化的函数关系。

连续换热热量衡算

反应均有显著的热效应，因此随着化学反应的进行，物系的温度也有所变化，而温度变化又会影响反应速度，必须通过热量衡算计算反应器内各点温度(或各个时间的温度)，进而确定该点(或该时间)的化学反应速度。

与物料衡算一样，应选取温度和浓度等参数不变的微元时间和微元体积为基准。计算热量时，同一热量衡算式内各项热量应取同一基准温度。

热量衡算式给出了温度随反应器内位置或时间变化的函数关系式。物料衡算式、热量衡算式和反应动力学方程式是相互依存、紧密联系的。在物料衡算和热量衡算联立方程时，必须知道反应器内物料流动混合状况，因为

流动混合状况影响着反应器内的浓度和温度分布。生产实际中，细长型的管式流动反应器，可以近似地看成理想置换反应器。

连续换热研究结论

进行一个特定的化学反应，采用数学模拟法完成反应器的放大设计后，还需结合反应特点通过对反应器的性能进行比较而选择适宜的反应器型式和操作方式。比较的依据为：第一，生产能力，即单位时间单位体积反应器所能得到的产物量，也就是在得到同等产物量时所需反应器体积大小的比较。第二，反应的选择性，即主副反应产物的比例。副产物的多少影响着原料的消耗量、分离流程的选择及分离设备的大小，因此应选择能提高主反应产物的操作方式。反应的选择性往往是复杂反应的主要矛盾，采用数学模拟法可使这一反复过程变得相对简单些。 必须指出，采用数学模拟法并不是说可以完全脱离实验数据，相反，它需要更为精确的实验数据验证模拟计算过程和结果正确性，只是需要的实验量较小。 2100433B

换热系统是化工过程中必不可少的子系统，属于工业辅助系统，工业中通常会采用换热系统来为核心工艺单元提供能量和将产品冷却到规定温度，降低化工过程的能耗、提高能效。例如在硫酸生产过程中如何实现SO₂氧化过程的连续化换热，几十年来一直是硫酸行业注重的研究课题之一。实现过程连续换热的好处显而易见。探讨一种采用热管构成传热微元段，实现SO₂氧化过程连续换热的方法，从而使整个反应过程贴近最佳反应温度曲线。并作了设计方案的比较，结果表明，采用连续换热的SO₂转化系统，催化剂用量、设备总投资及操作总年费明显优于普通转化系统。

连续离子交换rontinun}} ion exc}lan;}e离子交换过程分别在交换塔、再生塔和清洗塔中完成。三个塔以管道首尾相连。构成一循环系统。一与固定床相比，具有树脂装填量少，再生剂省、设备体积小、出水质量好和出水水质稳定等优点。但其操作复杂，树脂耗损高。

辐射换热是各种工业炉、锅炉等高温热力设备中重要的换热方式。常见的问题有两类：固体表面间的辐射换热，取决于辐射角系数F和黑度ε值；固体表面间夹有气体的辐射换热，除F和ε值外，还与气体夹层厚度及其黑度有关。

污水换热是指通过科学、合理的换热技术与手段将污水中的热能进行有效地提取与利用，从而达到节约能源，减少环境污染的目的。