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板式换热器在高粘度流体强化传热的工程研究点击：2018 日期：[ 2014-04-26 22:00:43 ] |
| 板式换热器在高粘度流体强化传热的工程研究 任洪理 张国磊 张艳霞 任康羽 中国石油工程建设公司华东设计分公司 青岛 266071 樊 凯 山东三维石化工程股份公司 青岛 266071 王海珍 中国石油泽普石化厂 泽普 844804 孙景威 中油辽河工程有限公司 盘锦 124010 摘要：通过对高粘度流体强化传热的工程研究,确定传热系数与流量、流体阻力与流速的关联式, 实验证明采用板式换热器代替反应釜夹套撤热是行之有效的,高效换热器在高粘度流体的工程应用上可达 到强化换热的效果。 关键词：异戊胶液 粘度 板式换热器 传热系数 换热效果 1 概述 在高粘度流体异戊橡胶工程放大中,随着聚合釜体积的增大,夹套换热比表面积明显减小, 异戊胶液粘度大,传热系数小,换热难度大。鉴于高粘度流体异戊胶液稳定、凝胶少、不易挂胶,故采用板式换热器提高了效率,减少冷剂费用,强化聚合反应釜的撤热能力并保证聚合反应的热稳定性。 板式换热器(Plate HeatExchangers以下简 称PHE)是一种高效的换热设备,传热系数可达10460 ~25104kJ/ (m2·h·℃)〔1〕。国外PHE的研究和应用已近70年,应用介质可达二 百余种〔2〕。国内对PHE的研究仅有20几年,多用于牛顿流体(如水、乙醇、原油等),实用介质达20几种。 在溶液法合成异戊橡胶的工程开发研究中, 为了强化换热效果,首次使用BR系列PHE对胶液进行强化撤热。对三种不同流体进行传热及流体阻力试验,取得了较好的换热效果,确定了传热系数与流量、流体阻力与流速呈幂函数关系; 得出在PHE撤热中胶液传热系数与流体阻力及单片换热面积的经验式。 通过在合成异戊橡胶工程开发研究中的实验证明:换热效率由10%提高到50%以上,冷剂费用减少50%,对聚合反应中的强放热反应采用PHE外循环冷却法是可行的〔3〕,并首次在万 吨级异戊橡胶开发装置的基础设计中应用。 2 实验流程 实验流程见图1。 低温胶液由胶液供给罐通过胶液输送泵送BR-0·05型板式换热器,与冷流体进行换热后, 在5和8胶液收集罐热流体测压测温点,在6和7冷流体测压测温点测量,经过换热的高粘度流体返回胶液收集罐。 3 讨论 为获得准确关联式,对实验数据利用PC- 1500微型计算机与MP-100X-Y绘图机上进行数据筛选、回归分析并作图。 3·1 换热系数与流量的关系 以干胶浓度6·2%、8·12% (wt)两种胶液 分别与水进行热交换。干胶浓度6·2%胶液传热系数M与流量V间关系见图3。 图3给出干胶浓度6·2%传热系数M kJ/ (m2·h·℃)与胶液流量V (L/min)间关系曲线。同理,干胶浓度8·12%的线型也同干胶浓度6·2%的胶液具有相同型式,这里就不列举。 鉴于实验数据不全,这里我们间接以文献〔5〕中一组实验数据,以30号液压油为热流体、水为冷流体用该PHE进行换热实验。换热系数M与流量V间关系见图4。 对以上三种流体实验数据进行处理,回归出 换热系数M与流量V的关联式,并用关联式进 行验证。关联式的对比见表1。 由表1对实验情况分析可以看出, PHE对非牛顿流体的换热系数M与流量V的关系呈幂函数形式: 式中, M为换热系数; C为同类换热介质常数 (由实验确定); n为流量指数。 在对实验数据进行处理时,幂函数型曲线标准偏差最小。文献〔6〕中对人字型波纹板(即BR 系列)波诺佩内(Buonopane)等人有报道,关联式形式: 即变换的波诺佩内式,其指数为0·62。而 我们的实验获得表1中关联式的指数n分别为 0·665、0·775、0·626与文献报道相近。由表 中对三种不同粘度的流体试验可以看出,指数为 0·626的关联式平均误差为1·78%,其流体粘度 也小;而指数为0·775的关联式平均误差最大, 其流体粘度也最高。可以证明流体粘度愈小其关 联式指数愈接近0·62,与实验数据偏离愈小。 该实验中雷诺准数Re的计算: Re=De·G /μ 式中, De=2σ(当量直径); G=W / (B·σ) 质量流速;μ为粘度;σ为板间距; B为板宽。 Re的计算结果接近于200,在低流速下已接 近发生了湍流。 3·2 流体阻力与流速的关系 分别在热流体进口与出口处进行测压,流程 见图1。 对干胶粘度6·2%的胶液流体阻力ΔP与流 速W关联出经验式: 式(8)对实验数据的平均误差3·175%。 干胶浓度8·12%胶液流体阻力ΔP与流速W间关系见图5。 由图5看出干胶浓度8·12%的胶液流体阻 力ΔP与流速W呈幂函数关系。同理干胶浓度 6·2%也具有同样函数关系。由此可以证明流体 阻力与流速在该换热器内的流动也呈幂函数形 式。 3·3 传热系数与压力损失的关系 对PHE用胶液与水换热、换热系数M与压力损失ΔP及单片换热面积Ap经验式: 3·4 换热效果 由于稀土异戊胶聚合反应热为1107kJ/kg单体,是个强放热反应,在操作过程中必须保证热 稳定性。在工程放大中,随着聚合釜体积增大, 夹套换热比表面积明显减少。如: 0·17m3聚合釜放大到20 m3,其夹套换热面积由11m2/m3减 小到1·9m2/m3。随着聚合反应的进行,转化率逐渐升高、胶液浓度增大、粘度随之增大,聚合釜的夹套传热系数呈线性减小。为了保证所设计的聚合温度下撤出放出的热量,仅凭夹套已不能满足反应的热平衡。此时的夹套换热效率仅能达 到10%。解决该问题的办法是采用板式换热器外循环冷却法,见图6。 4 结语 (1)实验证明传热系数与流量、流体阻力与流速呈幂函数型关系;关联的经验式是适用的。 (2)得到传热系数经验式中流量指数值与流体粘度有关,粘度愈高与实际偏离愈大、粘度小则反之。 (3)采用板式换热器代替反应釜夹套撤热是行之有效的。 (4)高效换热器在工程上应用已达到了强化换热的效果。 |
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