螺旋板换热器在甲酯生产中的应用
                                祝新红
             （中平能化集团开封兴化精细化工厂  河南 开封 475003）
    摘 要：甲酯生产过程中产生大量的热必须及时交换掉，才能满足工艺要求，传统工艺是采用酯化釜体夹层、釜内螺旋盘管的方式，用冷冻盐水进行热交换，由于换热面积小，不能满足工艺要求，因此需要大量的机冰来辅助降温，耗时、耗力、浪费能源，本工艺采用螺旋板换热器同步外循环降温，较好的解决了这个问题
    关 键 词：螺旋板换热器；甲酯；生产；应用
    中图分类号：TQ 051 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2013）07-0931-03
    生成邻氨基苯甲酸甲酯（简称甲酯）的化学反应包括酰胺化反应和酯化反应，其中酯化反应过程中会放出大量的热，工艺要求次氯酸钠加完后物料温度控制在(-5±2)℃，并且保持在零度以下反应50min以上。由于温度对产品质量和收率影响极大，因此设备换热效率的高低成了影响产品质量和收率的关键因素，在同行业中，酯化反应一般采用釜体夹层和釜内盘管降温，由于换热面积有限，降温效果不理想，因此实际生产中对冷冻盐水的温度要求非常苛刻，必须保持在零下20 ℃以下，这极大地降低了制冷机的制冷效率，同时还必须使用大量的机冰辅助降温，需要有机冰生产、运输、破碎等一系列设施，这必不可少的增加了水资源、能源的消耗，生产效率低、劳动强度大[1-5]。
    1· 研究方案设计
    根据酯化反应的机理，结合实际生产经验，经充分论证，大家提出了采用外循环降温、增加换热面积的技改方案：
    (1) 增设螺旋板换热器，进行同步外循环降温；
    (2) 提高盐水流量。
    螺旋板换热器是一种新型高效的换热设备，主要由螺旋板、接管、密封板组成，结构简单，体积小，换热面积大，流量在Re>500时可达湍流状态，因此比管壳式换热器传热效率高1倍以上。螺旋板换热器结构示意图见图1。
     
    螺旋板换热器的主要特点：
    ①传热效能好。弯曲的螺旋通道和定距柱,有利于增强流体的湍流状态，通道内流体阻力小，可提高设计流速，来提高传热系数。对于水-水热交换,传热系数可达1.8～3.5 kW/(m-2·℃)-1。
    ② 有自清洗作用。单通道内的流体通过通道内杂质沉积处时，流速会相对提高，容易把杂质冲掉。并且由于设备本身没有死角，不容易形成沉积
    ③ 不可拆式结构的密封性能好，适用于剧毒、易燃易爆或贵重流体的换热。
    ④ 相邻通道内的流体呈纯逆流方式流动，可得到最大的对数平均温差，有利于小温差传热。
    ⑤ 结构较紧凑，单位设备体积内的传热面积可达150 m2/m。
    ⑥ 由于螺旋通道本身的弹性自由膨胀，温差应力小。
    ⑦ 价格低廉。
    2 ·方案优化实验
    影响换热效果的主要因素是:①换热面积及传热效率；②冷冻盐水温度及流量。因此2006年8月，大家经研究设计，确定了采用封闭式、每台换热面积100 m2的螺旋板换热器，并进行了以下三方面的实验比对：
    (1) 冷冻盐水的温度（-21 ℃）及流量(28 kg/s)不变，对使用换热器台数进行实验对比，得到了3组试验数据。结果见表1。
    
    通过以上3组数据对比可知：使用两台换热器，冷冻盐水温度在-20 ℃，流量28 kg/s，不用机冰，零下反应时间控制在50 min以上达到最佳效果。
    (2)冷冻盐水的流量（28 kg/s）和螺旋板换热器两台保持不变，对冷冻盐水的温度进行实验对比，得到了3组试验数据。结果见表2。
    
    通过以上三组数据对比可知：使用两台换热器，冷冻盐水流量 28 kg/s，冷冻盐水温度不高于-19℃，不能满足零下反应时间控制在50 min以上的工艺要求。
    (3)螺旋板换热器两台保持不变，对冷冻盐水不同温度下的不同流量进行实验对比，得到了9组试验数据。结果见表3。
    
    通过以上数据可以看出，用两台螺旋板换热器，盐水温度在-17 ℃时，盐水流量在56 kg/s和84 kg/s时均可满足零下反应时间控制在50 min以上的工艺要求，但盐水流量在56 kg/s和84 kg/s时差别不大，因此大家选择盐水流量 56 kg/s。
    3 ·确定新生产工艺
    根据以上实验结果，大家确定如下新工艺：
    （1）冷冻盐水温度控制在-17 ℃，以最大限度的提高制冷机的制冷效率，节约电能。
    （2）用两台换热面积为100 m2的螺旋板换热器进行同步外循环降温
    （3）冷冻盐水流量控制在200 t/h。通过几年来的运行，甲酯产品的质量和收率有了进一步稳定和提高。
    4· 生产应用及效果
    2006年11月，大家对全部酯化釜进行改造，并将原冰池改为盐水循环池。经过一年多的生产运行证明：用螺旋板换热器代替机冰对酯化釜降温，完全符合工艺要求，作用非常明显。根据统计：减少非工艺用时3 h/d，节约人工3人/班，节电约63 kW·h/t甲酯，节水 2 t/t甲酯；同时产品质量和收率有了进一步稳定和提高，由于不用机冰，相应地减少了废水量。
    5· 安全与环保
    该方案应用后，酯化反应温度控制更有保障，勿需使用机冰，减少了可能发生安全事故的环节和因素，并有利于节约水资源，减少废弃物产生，特别是可大大减少废水量，降低了废水处理费用。该项目在安全生产、节能减排、环保方面有明显的创新性。
    6· 结束语
    大家开发的酯化反应外循环降温技术具有以下特点：
    (1)采用外循环降温技术和传统的釜内盘管、釜体夹层相结合的降温模式，使换热面积大幅度增加，降低了对冷冻盐水的技术要求，提高了制冷机的制冷效率，节约了电能;
    (2)采用该技术避免使用大量机冰，缩短了劳动时间，降低了劳动强度，避免了机冰在生产、运输、破碎过程中的冷量损失；
    (3)节电节水，降低了生产成本；
    (4)提高了产品质量和收率，保障了安全生产。该方案具有一定的创新性、使用性，经济效益和社会效益明显，具有一定的推广价值。如果将该技术用于甲酯生产过程中的原材料预降温，也会取得不错的效果。
参考文献：
［1］王晓红.化工原理[M].北京：化学工业出版社，2009.
［2］时钧,等.化学工程手册[M].北京：化学工业出版社，2002.
［3］钱颂文.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社，2006.
［4］史美中.热交换器原理与设计[M].南京：东南大学出版社，2009.
［5］王军,陈良才,冯志力.并逆流间壁换热器冷热流体温度分布方程式[J].石油工业设备，2008,37(3):9-12.