導熱油加熱與冷卻工藝系統的設計開發

汪琦，張慧芬，俞紅嘯，汪育佑

（上海熱油爐設計開發中心  上海  200042）

摘  要：在反應釜加熱與冷卻裝置的設計開發時，分析了反應釜的蒸汽加熱與軟水冷卻工藝系統，討論了反應釜的電加熱與自然冷卻工藝系統，研究了反應釜的導熱油加熱與冷卻工藝系統，對比和分析了每個工藝系統的優缺點，總結了反應釜的導熱油加熱與冷卻工藝系統的設計優化措施：在反應釜夾套內安裝螺旋導流板，設置惰性氣體密封保護裝置，采取余熱回收利用裝置，采用冷卻與冷凝雙循環系統裝置。

關鍵詞：反應釜；蒸汽加熱；電加熱；導熱油加熱；加熱與冷卻系統

一、前言

化學反應過程常伴有放熱和吸熱反應，而且常常需要先加熱促使化學反應的進行，一旦反應開始往往又需要冷卻，調節溫度維持反應條件，直到反應完畢又需要散熱。因此，反應釜必須配備有加熱和冷卻的裝置，以維持最佳的工藝條件，并取得最好的反應效果；而攪拌混合的快慢、混合的均勻程度和傳熱情況都會影響反應結果。所以，在許多化工生產工藝中都離不開加熱過程與冷卻過程，其中有些生產工藝只需要加熱，有些生產工藝卻僅需要冷卻。

另外，還有些生產工藝既需要加熱、又需要冷卻。例如在超輕硅酸鈣的生產工藝中，首先要將工藝溫度升高到195℃，經過8小時保溫反應后，又要將工藝溫度降至80℃以下方可再次進料；否則在高溫下反應釜內工作壓力高達1.2MPa，這樣將無法進出物料，而且無論是在升溫過程、還是在降溫過程中，均要求其速度越快越好、時間越短越佳。又如丙烯腈在66%硝酸水溶液均相聚合反應器中的聚合，是在低溫9℃下進行的，需要及時傳遞出聚合熱，否則會導致物料分解、甚至爆炸。

通常在化工生產設計開發過程中需要采用熱載體（導熱油、蒸汽、軟水）加熱與冷卻循環系統來為生產工藝提供加熱與冷卻，而在反應釜的加熱與冷卻工藝系統設計時有多種方式，比如可在反應器的外部或內部設置供加熱或冷卻用的換熱裝置，例如在反應釜外部設置夾套，在反應釜內部設置蛇形管或換熱器等，一般用得最普遍的是采用夾套傳熱的方式。以下將通過對比來研究蒸汽加熱與軟水冷卻工藝系統、電加熱與自然冷卻工藝系統、導熱油加熱與冷卻工藝系統的各自優缺點。

二、蒸汽加熱與軟水冷卻工藝系統的分析研究

蒸汽加熱方式是所有加熱方式中應用最為普遍的工藝，其方法是將高溫高壓蒸汽通過輸送管道進入反應釜夾套內，將反應釜內的物料逐步加熱至生產所需的工藝溫度，待保溫一段時間后，關閉蒸汽進口閥門、并逐步打開冷卻水進口閥門，此時應考慮反應釜夾套要有足夠排汽與排水的條件，以防止冷卻水汽化產生高壓而影響進水。蒸汽加熱方式的優點是能源供應豐富、加熱工藝成熟、冷卻速度快、冷卻效果。

但是蒸汽加熱方式的缺點如下：首先是冷卻用水必須是鍋爐軟水，否則反應釜夾套內和輸送管道及循環系統會產生大量的水垢，從而會影響其傳熱系數和傳熱效果，而當反應釜的傳熱效果降低后，則升溫速度將會減慢；其次是蒸汽加熱方式一般只適用于工藝溫度要求較低的生產過程，因為生產加熱溫度越高，相應的蒸汽壓力也就越高，特別是當工藝溫度要求達到220℃時，則供給的蒸汽溫度應為250℃，相應的蒸汽壓力將達到4.0MPa，這樣對反應釜夾套內和輸送管道及循環系統的耐壓要求相當高，從而使得設備的投資成本非常高，設備的運行費用也會很高，而且還不利于安全運行；最后是由于反應釜夾套內和輸送管道及循環系統的耐壓要求如果受到限制，則供應的蒸汽壓力與溫度也將會受到限制，這樣供給蒸汽與反應釜內物料的溫差較小，傳熱效果則會較差，升溫速度將會減慢，生產周期會加長，從而生產效率也會降低。

三、電加熱與自然冷卻工藝系統的分析研究

電加熱方式是將導熱油注入到反應釜夾套內，然后將電熱棒插入到夾套內的導熱油中，接通電源后電熱棒將會加熱導熱油^[1]，升溫后的導熱油再將反應釜內物料加熱到所需的工藝溫度，經過一段時間的保溫反應后，再切斷電源自然冷卻到所需的工藝溫度、或者將導熱油排放后進行自然冷卻。所以，電加熱方式的優點是清潔環保、自動化程度高、溫度容易控制與調節、操作簡單、使用方便、一次性投資費用少、設備成本低、項目建設速度快。

但是電加熱方式也存在不少缺點：首先是在電力緊缺的地區，采用電加熱方式不能夠保證穩定的生產要求，同時也不符合節能與節電的目標；其次是由于采用兩次能源的電加熱工藝系統，則運行費用很貴、生產成本很高；第三是由于反應釜夾套內的導熱油是處于靜止不動的狀態，沒有采取導熱油強制循環的措施，主要是靠自然對流傳熱，所以換熱效率較低、傳熱效果較差，而且在電熱棒的周圍導熱油的油膜溫度會很高，其結果是導熱油容易結焦積垢，從而會降低傳熱系數及傳熱效率，并且會縮短導熱油的使用壽命；最后是在冷卻降溫時，由于采用自然冷卻到所需的工藝溫度、或者將導熱油排空后進行自然冷卻，則冷卻降溫速度會很慢、生產周期會很長。

四、導熱油加熱與冷卻工藝系統的設計開發

導熱油加熱與冷卻工藝系統有三個主要目的：加熱、冷卻、恒溫。加熱是通過加熱導熱油把熱量傳遞給反應釜內的物料^[2]；冷卻是以導熱油作為冷卻載體帶走反應釜內部的熱量，從而起到冷卻物料的作用；恒溫是通過導熱油加熱反應釜內物料到設定的溫度，然后通過導熱油循環系統來控制其溫度保持不變，并且要求一直保持在該恒定溫度。

導熱油液相強制循環加熱與導熱油快速冷卻降溫是互相交替進行的，筆者設計開發的導熱油加熱與冷卻工藝循環系統主要是由循環熱油泵、注油泵、反應釜、導熱油爐、冷卻器、高位膨脹槽、低位儲油槽、油氣分離器、過濾器、溫度傳感器、冷卻閥、閥門組、電控柜及溫控裝置等組成，設計出的導熱油加熱與冷卻循環系統的工藝流程圖可參見圖1所示。

其具體的操作步驟如下：導熱油加熱過程是使用循環熱油泵①將導熱油注入導熱油爐②吸收熱量后，高溫導熱油通過輸油管道進入反應釜③夾套內，再對反應釜內物料進行加熱，經過反應釜加熱后的低溫導熱油流出夾套、進入油氣分離器④排出氣體，排汽后的低溫導熱油進入過濾器⑤對導熱油進行過濾，然后低溫導熱油又流回到循環油泵內、并再次被注入導熱油爐內吸收熱量。這樣周而復始的過程就形成了導熱油閉路液相強制循環供熱。導熱油冷卻過程是當反應釜的工作溫度達到規定的生產工藝溫度要求而需要快速降溫時，可將熱油旁路閥門⑥全部打開，使高溫導熱油不會再進入反應釜夾套內、而保持在導熱油旁路中進行強制循環，同時還應該迅速關閉反應釜夾套上的導熱油進口閥門⑧與出口閥門⑦，停止向反應釜夾套內供應高溫導熱油，從而停止向反應釜供給熱量。然后再打開反應釜夾套上的冷態導熱油進口閥門⑨與出口閥門⑩及閥門⑾，同時要啟動注油泵⑿將貯油槽⒀內的部分冷態導熱油注入到反應釜夾套內，并將夾套內的高溫導熱油排入低位儲油槽中，導熱油經過冷卻器⒁冷卻后進行降溫，通過注油泵將冷態導熱油注入到反應釜夾套內，這樣連續不斷的循環冷卻，使反應釜內物料得到充分冷卻，從而達到快速降溫冷卻的目的。當反應釜的工作溫度降低至所需的工藝溫度要求后，反應釜又需要再次升溫時，其操作程序步驟反之即可。

將導熱油加熱與冷卻工藝系統所采用的導熱油作為傳熱介質，并設置強制冷卻循環系統，不但能滿足快速加熱升溫或者快速冷卻降溫的工藝要求，而且還可以滿足加熱過程與冷卻過程互相交替生產的工藝要求，其優點是加熱升溫速度快、冷卻降溫效果好、生產加工周期短，操作簡單、使用方便。另外，導熱油爐加熱方式可以采用燃煤、燃油、燃氣、燃燒生物質等燃料，因此運行費用少、生產成本低；適應性強、使用范圍廣^[3]。

導熱油加熱方式與蒸汽加熱方式相比是更為安全可靠，因為導熱油能在較低的工作壓力下獲得較高的工作溫度，從而可以充分滿足各種不同生產工藝的要求，而且隨著生產工藝溫度的不斷升高，導熱油的粘度會不斷減小，供熱循環系統內的阻力降也會減小，從而導熱油的工作壓力也隨之減小，這樣就更加有利于安全操作及安全運行；并且由于導熱油的工作壓力較低，對反應釜夾套及循環系統的耐壓要求也就相應降低了，從而使得設備投資費用少、工程建設成本低、項目上馬速度快。

導熱油加熱與冷卻工藝系統可以適應加熱溫度為330℃以下、冷卻溫度降低至30℃以上各種生產工藝的需要；如果采用了并聯雙列的冷卻工藝與冷凝工藝循環系統，則冷卻溫度可以降低至冰點以下。反應釜內物料的工作溫度可以進行精確調節與控制，溫度波動范圍小于3℃，加熱工況與冷卻工況穩定，溫度分布均勻，加熱與冷卻的效果非常好。另外，由于導熱油加熱與冷卻工藝系統采用閉路液相強制循環，反應釜夾套內的導熱油進出口溫差為10～20℃，導熱油的余熱還可以反復回收利用、從而沒有能源浪費，熱效率會很高，節能效果非常顯著。

五、導熱油加熱與冷卻工藝系統的設計優化措施

導熱油加熱與冷卻工藝系統的設計優化措施包括：在反應釜夾套內安裝螺旋導流板，設置惰性氣體密封保護裝置，采取余熱回收利用裝置，采用冷卻與冷凝雙循環系統裝置。

（一）在反應釜夾套內安裝螺旋導流板

反應釜夾套是一個套裝在反應釜外面能形成密封空間的容器，夾套上設有高溫導熱油進出口、冷態導熱油進出口，夾套頂部設有排氣口、夾套底部設有排液口。如果加熱介質是蒸汽，則進口管應靠近反應釜夾套上端，冷凝水從夾套底部排出；但如果傳熱介質是高溫導熱油，則進口管應安置在反應釜夾套底部，因此高溫導熱油從夾套底部進入，冷態導熱油從夾套上部流出，從而使導熱油能充滿整個夾套的空間。

另外，為了提高反應釜夾套內導熱油的流速，改善導熱油的傳熱效果，應在夾套空間內安裝螺旋導流板，以縮小夾套中導熱油的流通面積，從而可提高導熱油的流動速度和避免形成流體短路，而且還能提高反應釜的抵抗外壓的強度和剛度；但其缺點是反應釜夾套內結構會變得較為復雜，而且還會相應增加反應釜的制造難度。

（二）設置惰性氣體密封保護裝置

無論何種型號的導熱油，在循環加熱與冷卻工藝系統的操作條件下，利用導熱油自身所具有的氧化安定性抵抗導熱油的氧化反應，其實際的作用都是非常有限的，尤其是在導熱油工作溫度非常高，且與空氣直接接觸的敞開式高位膨脹槽和低位儲油槽內；所以，在導熱油加熱與冷卻工藝循環系統中，如果導熱油的工作溫度超過70℃，則很容易導致高位膨脹槽和低位儲油槽內的導熱油會發生氧化變質，從而會縮短導熱油的使用壽命。

因此，為了防止導熱油加熱與冷卻工藝循環系統內的導熱油出現氧化變質，同時為了盡可能延長導熱油的使用壽命，應該采用封閉式循環系統，設置惰性氣體密封保護裝置，以阻止空氣進入高位膨脹槽和低位儲油槽內，即采用惰性氣體密封保護在高位膨脹槽和低位儲油槽內的導熱油不與空氣相互接觸。另外，還需要設置惰性氣體的定壓裝置，以保證高位膨脹槽和低位儲油槽內惰性氣體工作壓力的穩定。

（三）采取余熱回收利用裝置

提高導熱油爐熱效率的關鍵在于充分利用熱值較高的煙氣余熱，當導熱油爐的排煙溫度過高時，可加裝空氣預熱器或省煤器等尾部受熱面進行煙氣余熱回收利用，從而可達到良好的節能減排效果^[4]?？諝忸A熱器的作用是利用煙氣余熱將助燃空氣預熱到適當的溫度，并輸送預熱后助燃空氣進入爐膛內燃燒，從而可帶入一部分熱量進入燃燒室，以此來節約燃料和提高理論燃燒溫度，從而降低能源消耗，提高節能減排效果。

安裝省煤器的作用是吸引煙氣余熱，把冷水加熱成為60～90℃的熱水（此溫度可以設置），并將熱水輸送到生產車間和廚房及浴室中進行使用，從而可減少燃料用量和蒸汽用量，提高生產企業的經濟效益。

導熱油冷卻工藝循環系統中的導熱油冷卻器的作用是將冷卻水吸收導熱油熱量后變成為熱水，再將熱水輸送到生產水洗工藝和生活采暖設備及浴室洗澡中使用，從而可大幅度節約蒸汽費用和熱水費用以及燃料費用，故節能減排效果非常顯著。

（四）采用冷卻與冷凝雙循環系統裝置

設置并聯雙列的導熱油冷卻工藝循環系統與冷凝工藝循環系統，采用導熱油冷卻工藝循環系統中的導熱油冷卻器，并利用低位冷油儲油槽，在反應釜內的物料需要冷卻時，用注油泵通過管道及閥門的切換，將反應釜夾套內的高溫導熱油置換到低位冷油儲油槽中，并利用低位儲油槽內的常溫導熱油，將反應釜夾套內的導熱油溫度降至30℃左右，再利用導熱油冷凝工藝循環系統中的導熱油冷凝器進行工藝降溫。

所以，采用并聯雙列的導熱油冷卻工藝與冷凝工藝循環系統可以確保反應釜內的物料快速冷卻降溫，并避免了導熱油在高溫條件下的氧化變質，延長了導熱油的使用壽命，同時也保證了導熱油爐供熱循環系統的安全可靠地運行。

設置單列導熱油冷卻工藝循環系統的優點是：冷卻工藝系統比較簡單，運行維修比較方便，設備投資費用比較節省。設置并聯雙列的導熱油冷卻工藝循環系統與冷凝工藝循環系統的優點是：冷卻溫度可降至冰點以下，冷卻工藝循環與冷凝工藝循環的安全可靠性較高，如果某一工藝循環系統出現了運行事故，則可迅速啟動另一工藝循環系統投入快速冷卻降溫。

六、結束語

反應釜的導熱油加熱與冷卻工藝循環系統應采用封閉式液相強制循環系統，以導熱油爐作為加熱源，以循環油泵作為循環動力，采用電控柜及溫控裝置，通過溫度傳感器檢測導熱油的回油溫度，控制導熱油爐與冷卻器的運行，進而控制導熱油加熱過程與冷卻過程。

其具體的操作方法是：導熱油經過導熱油爐加熱后，通過循環熱油泵強制循環導熱油將熱量傳送給反應釜，高溫導熱油在反應釜夾套內放出熱量，并對反應釜內的物料進行加熱后導熱油溫度降低，低溫導熱油再循環至導熱油爐中進行繼續加熱；而當反應釜內的物料溫度需要冷卻時，導熱油爐停止加熱，再馬上迅速開啟冷卻閥，通過冷卻器進行導熱油循環冷卻，其中大部分熱量被冷卻水帶出，而這部分熱量是可以直接回收利用。

綜上所述，反應釜夾套內的導熱油加熱與冷卻工藝系統運行穩定可靠、操作方便容易。

滌綸是一種熱塑性纖維，在染色等一系列加工過程中，由于受到多次機械作用和多次拉伸，使織物原來的門幅和線圈幾何形狀有所變化，因而會產生變形和收縮，甚至橫直絲縷歪斜，嚴重影響產品的質量。熱定型目的主要是使滌綸針織物在有張力狀態下加熱，織物在規定溫度下焙烘，使纖維分子間的次價鍵和分子鏈段的熱運動加劇，從而可使分子重新組合、排列、內應力相對穩定；并且還可以提高織物的尺寸穩定性，增強抗皺性能，同時對織物表面光潔度、強力、抗起毛起球等性能也有一定的改善作用。

滌綸針織物在熱定型過程中的關鍵是控制定型溫度和定型時間。如果熱定型溫度過低或定型時間過短，則會造成織物表面不平整、不挺括、門幅收縮等疵病，從而失去定型作用；但是如果定型溫度過高或定型時間過長，將會造成織物發硬變脆、強力下降、彈性降低，并且使得某些分散染料升華而產生色差，嚴重的甚至能使纖維熔融。定型時間長短是根據纖維加熱時間、熱滲透時間、纖維大分子調整時間、織物冷卻時間來綜合確定。

采用導熱油循環加熱定型機烘箱，可以保證滌綸針織物的定型溫度為180～210℃，定型時間為20～90秒，冷卻溫度為50℃左右。

參考文獻：

[1]汪琦，張慧芬，俞紅嘯等.導熱油電加熱爐的設計開發[A].全國第二十屆熱載體加熱技術交流會論文集[c]，2017年:16-20.

[2]汪琦，張慧芬，俞紅嘯等.導熱油循環供熱系統在熱定型機中的應用[J].染整技術,2020,42(5):25-31.

[3]汪琦,俞紅嘯,張慧芬等.導熱油爐循環供熱系統與導熱油使用運行研究[J].上?；?2018,43(4):30-33.

[4]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等.熱載體加熱爐結構與節能減排措施的研究[J].上海節能,2020,No.10(第10期):1135-1140.

作者簡介：

汪琦，碩士，高級工程師，長期從事熱載體加熱技術、新能源技術、節能減排技術、熱油爐、熱風爐、熱水爐、熔鹽爐、道生爐、焚燒爐、聯苯爐、生物質氣化爐的設計研究開發工作。

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