冷板式换热反应器结构设计
Outline:
张勇1
,
常宏岗2
,
艾志久1
,
武艳3
,
陈昌介2
1. 西南石油大学;
2. 中国石油西南油气田公司天然气研究院;
3. 中原油田普光分公司天然气净化厂
收稿日期：2010-10-31；修回日期：2010-12-21
基金项目：中石油2008年重点项目(编号：2008B-1304)
作者简介：
张勇：1980年生，工程师，西南石油大学在读硕士，2002年毕业于河南理工大学，主要从事天然气化工设备研究工作。地址：(610500)四川省成都市新都区西南石油大学研究生部硕08级5班。电话：13688331904。E-mail:
zyszbd@163.com.
摘要：针对传统管壳式换热反应器热阻大、传热系数小的缺点，采用独特设计的新型冷板作为换热元件，开发一种传热系数高、结构紧凑的冷板式换热反应器。通过数值模拟分析催化剂床层及冷板内部流体的速度场及温度分布情况，验证新型冷板式换热反应器的传热系数及传热性能，分析结果显示新型冷板的内部网状通道使流体流动方向和速度不断改变，加剧了流体的湍流效应，打破滞留边界层，降低了热阻。计算得出，新型冷板式换热反应器与传统管壳式换热反应器相比，传热系数明显提高。
关键词：冷板 换热 反应器 催化剂 热阻 传热系数 温差 数值模拟
Cold Plate-Heat Transfer Reactor Structure Design
Outline:
Zhang Yong1
,
Chang Honggang2
,
Ai Zhijiu1
, et al
1. Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, Sichuan;
2. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company, Chengdu 610500, Sichuan
Abstract: In view of the disadvantage of traditional shell-tube heat transfer reactor, a new cold plate-heat transfer reactor is designed, which adopts new cold plate to be heat exchange element. This article analyzes velocity field and temperature distribution of catalyst bed and cold liquid inside cold plate by means of numerical simulation, validates heat transfer coefficient and heat transfer performance of new reactor. The results show that liquid flow direction and velocity change constantly which result in aggravation of turbulence effect, breaking stagnation boundary layer and reducing the heat resistance.Comparing with traditional shell-tube heat transfer reactor, the calculated heat transfer coefficient of the cold plate-heat transfer reactor is improved obviously.
Key words:
cold plate heat exchange reactor catalyst heat resistance heat transfer coefficient temperature difference numerical simulation
对硫磺回收及尾气处理工艺中的硫化氢氧化反应以及加压下甲醇合成，甲胺、甲醚、氨、烃类等合成这类气固相放热催化反应，反应过程中不断放出的反应热使催化剂床层温度升高。温升影响了催化剂的活性以及催化反应转化率，为提高反应器的效率、选择性和生产能力，需及时把反应热移出以降低催化剂床层温度[1]。目前普遍采用的是管壳式换热反应器，其存在如下缺点：换热管内壁有滞留边界层，热阻大，传热系数小；金属耗材量大；催化剂装填系数小，装卸困难；反应器体积大，增加制造成本及占地面积；材质要求高，需大直径厚管板，不利于单系列生产能力的大型化[2]。
1 新型换热反应器设计
为克服传统管壳式换热反应器的技术缺点，使催化剂层温差小，催化剂活性高，提高传热系数，减小反应器体积，设计了一种新型冷板式换热反应器，设计方案如图 1所示。
图 1-A为该反应器的主视图。管箱筒体与反应器壳体利用螺栓、螺母通过法兰连接，整个冷板板束可从壳体中抽出，方便清洗、维修及更换。反应器壳体上部设置人孔，方便催化剂装填。中下部设置卸载催化剂的人孔。管箱筒体下部设置冷却介质进口，上部设置冷却介质出口。催化剂床层中并列竖直埋放独特设计的冷板板束。在催化剂床层的上中下部分分别设置热电偶，进行床层温度检测。气体进口设置防冲挡板[3]，催化剂床层下部铺垫小瓷球，以利于气体的均匀分布。图 1-B为新型冷板式换热反应器的左视图。
核心换热构件为冷板，其结构简图如图 1-C所示，其制作是采用两片金属板在其周边以密封焊缝焊接固定，中间通过呈正三角形分布的定距柱点焊，定距柱的作用一是加强对冷板的支撑，消除由于疲劳裂缝引起的内部泄漏；二是作为扰流子添加物，降低热阻。冷板中间设置一钢筋条终端留有流通余量形成直焊缝，使内部通道形成一个往返的U形通路。冷板一端通过冷却介质进出口连接管与固定管板连接，另一端及中部采用支撑槽支撑，可自由伸缩，有效地解决了板束、壳体热膨胀量不同的问题，不会产生温差应力，无需设置膨胀节。
2 数值模拟分析
2.1 计算模型
图 2为冷板几何模型示意图，图 3为冷板内部流体域模型。
2.2 边界条件
设置边界条件：速度输入(Velocity-inlet)、压力输出(Pressure-outlet)和壁面(Wall) [4]。定义催化剂与冷板的交界面，冷板与内部流体域的交界面，指定冷板材料为不锈钢，催化剂定义为多孔介质。流动方式为错流。在选用计算模型时采用k-Epsilon，并可以根据需要改变模型的收敛因子以加速计算过程，采用SIMPLE算法求解压力—速度耦合[5]。各种残差控制均设为0.001。冷热流场边界条件如表 1所示。
表 1
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表 1 冷热流场边界条件
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2.3 计算结果分析
(1) 速度场。图 4为冷板内部流体域速度云图。由图可见，冷板内的定距柱相当于扰流子添加物，流体通过定距柱点焊形成的内部网状通道，在流动过程中的流速大小和方向不断改变，加剧了流体的湍流效应。
(2) 温度曲线。图 5为催化剂床层温度分布图。从图中可以看出，初始温度为471 K的高温气体进入催化剂床层(Z轴坐标0.045 m)后，在冷板内部冷流体的冷却作用下迅速被冷却，出口(Z轴坐标-0.045 m)温度降为464 K。图 6为冷板内部冷流体域的温度分布曲线。从图中可以看出，冷流体在进入冷板后，由于吸收催化剂床层高温气体的热量，使得温度上升，温度曲线的斜率较大，说明换热较为迅速，传热系数较高，具体的传热系数将在下面进行计算。
3 传热系数计算
由传热原理可知，根据传热速率方程式Q=KA·tm，当传热量Q、传热面积A及平均温度差tm为已知时，则可计算出K值(传热系数)。
Q=WC(T1-T2)=WC(t2-t1)
式中：W为流体的质量流量；T为冷流体的温度；t为热流体的温度。下标1和2分别表示进口和出口。
由于高温流体释放热量的传热量与低温流体吸收热量的传热量相等，因此用高温或低温流体中任何一个都可求得，此处选择低温流体进行计算。质量流量W可通过流速v进行换算。
W=qv×ρ
式中：qv为体积流量；ρ为流体密度。
qv=v×A
式中：v为流体流速；A为截面积。
W=v×A×ρ
将数据代入：
对数平均温差的计算：
由于Δt1/Δt2≤2，则Δtm可用算术平均值：
通过计算得出新型冷板的传热系数K为382 W/m2·K。
管壳式换热的传热系数K的经验值[6]如表 2所示。由表 2可知, 当冷流体为水，热流体为气体，无相变时，采用管壳式换热的传热系数为17 W/m2·K~280 W/m2·K。而采用新型的冷板式换热元件，在同样的条件下，传热系数可达382 W/m2·K，远远高于传统管壳式换热元件，传热效率明显提高。
表 2
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表 2 管壳式换热器无相变时传热系数K的经验值
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4 结论
新型冷板式换热反应器克服了传统管壳式换热反应器的技术缺点，传热系数高，热阻小，结构紧凑，单位体积内的传热面积大；冷板内部通过定距柱点焊，不使冷板变形，减小了点焊处的应力集中，降低了点焊处开裂泄露的风险；冷板一端可自由伸缩，自动补偿温差应力；冷板板束可随封头一起抽出，便于清洗和维护。
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郭锴, 等. 化学反应工程[M]. 北京: 化学工业出版社, 2000: 225.
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2011, Vol. 40