夹套设备传热效率探讨

仝鹏翔，李连朋，周煜华，蔡 浩，丁 冰

（江西晨光新材料股份有限公司，江西 九江 332500）

热量传递是四大化工工程之一，在化工生产中主要有直接接触式传热、间壁式传热、蓄热式传热等热量传递形式。夹套传热属于间壁式传热形式，广泛应用于化工生产的各个方面，主要起到使筒体内物料起到反应、分离、升温、降温、保温、保冷等作用，提高夹套的传热效率不仅可以提高能量的使用效率，还在保证筒体内产品品质、保障安全生产方面发挥着重要作用。本文通过夹套容器的设计、安装、使用等方面来讨论提高夹套设备传热效率的方法。

夹套设备的夹套内通常通入蒸汽、矿物油、盐水、乙二醇、循环水、珠光砂等进行工作，使筒体内物料进行加热、冷却或保温，起到特定的作用。根据夹套的包容情况有全夹套式和局部夹套式之分，全夹套式是上下封头和筒体都安装有夹套，局部夹套是部分筒体、部分封头安装夹套的形式。常见的夹套形式有圆筒形夹套、半管式夹套、蜂窝夹套等形式，圆筒形夹套为最常见的夹套形式，由内筒体和夹套筒体组成；
半管式夹套由内筒体和焊接在筒体上的半管组成；
蜂窝夹套结构复杂、流速高、传热效率高、加工技术要求高。

2.1 通过设计合理的搅拌设备提高传热效率（提高传递动力）

如式（1）所示，在导热系数λ、传导层厚度δ、传热面积一定的前提下，通过增大釜壁内外的温度差△t，可以增大热流量Q。通过设计安装搅拌设备，使热量相差较大的釜内物料与夹套内物料及时进行热量传递，提高釜壁附近的温度差（增强了传递动力），增加了能量的传热效率。所以通过对夹套设备设置搅拌设备，可以提高传热效率。

根据物料性质及生产要求，搅拌设备可以选择顶入式、侧入式、底入式的方式与设备进行组合。搅拌桨可以选择框式、锚式、螺带式、旋浆式等多种形式，以达到釜内物料快速，增加釜内物料与夹套内媒介的温度差，达到提高热量传递动力的目的。搅拌电机可以选择变频和普通电机，根据物料的工作要求（介质性质、温度、压力等），转动设备和搅拌轴的连接可以选择填料密封、单端面机械密封、双端面机械密封或者磁力转动等方式。

2.2 夹套釜整体夹套及管路设计（增加传递面积、传热动力）

常见的夹套设备只是在釜的筒体和下部封头做了夹套设计（常见的搪玻璃反应釜都是局部夹套设计），未在釜上部端盖进行夹套设计。对于凝固点高、流动性差的筒内介质（例如聚酯类物料），如果物料在搅拌过程中被搅拌至设备顶部封头部位，就不能及时参与釜内物料的均匀混合，物料在釜内存留时间过长轻则造成热量传递效率低下，甚至影响产品品质。为了避免物料在釜内滞留时间过长，通常在釜的上部端盖也设计有夹套，充分的利用夹套内物料的热量，增加了夹套与釜内物料的传热面积，提高传递动力，提高了釜内物料接收或传出热量的效率。

对于整体夹套内媒介流动的管路设计上，根据夹套整体结构和物料粘度特性，可以设计为一根总管进出，或在不同部位多只管路并联进出。根据釜内温度设置调节阀流量调节，或者温度、调节阀、流量计进行串级设计控制。控制系统的设计，使釜内的温度更加均匀稳定，准确的控制了对夹套内媒介能量的需求。

对于U 型夹套设备，可以在筒体和夹套之间设计适当数量的挡板，增加夹套内介质的湍流速度，避免形成流动死区，避免局部过热、过冷造成的温度不均；
在夹套进料口处设置挡板，避免进料对筒体的冲刷，保障设备的使用安全、延长设备的使用寿命。

2.3 U 型夹套设备夹套进出口管路的设计（增加传递动力）

U 型夹套设备由筒体和夹套体组成，夹套体底部和上部各有两个法兰口，夹套体的顶部设置排气口。如果采用蒸汽类的气体对罐体内介质进行加热，应从夹套的上部两个端口同时进汽（避免热量的冷热不均），下部两个法兰口同时排冷凝液（避免局部积液），避免传热效率降低；
如果采用导热油或循环水对罐体内介质进行传热，应从下部两个法兰口同时进液，这样可以防止偏流，导致夹套内部分位置形成死区，导致传热效率降低。

为了更好的控制筒体内温度以及安全生产需要，工艺要求在夹套物料的进出口设置自控系统，对于蒸汽类的加热介质，在夹套的上部进口管路设置控制阀（蒸汽采用上部进汽，下部排液）、流量计，根据釜内温度调节阀门开度，控制流量蒸汽，避免釜内温度剧烈波动；
对于采用液体冷却或加热的介质，在夹套的上部出口或下部进口管线设置调节控制系统（液态介质采用下部进料，上部出料）、流量计，保证壳体内充满介质，提高换热效率，避免形成负压。

为更好的完成夹套设备内物料的混合，根据入口物料的性质、催化剂性质，可以在物料的进口管道设置管路混合器（体积小、功率小，物料在使用较少的功率下，较短的时间内，获得混合均匀的产品）、静态混合器（不同的物料经过分割、位置移动、重新汇合达到混合均匀的混合物，具有体积小、效率高、能耗低、操作稳定等特点），在进入釜内前进行较好的混合（降低搅拌设备的功率），缩短夹套设备的传热时间，增加夹套内媒介的传热效率[1]。

2.4 增加U 型夹套内规整流道的设置（增加传热动力、增加传热面积）

为了彻底避免夹套内介质在夹套内形成死区，在众多要求严格的大化工、精细化工、生物化工等行业内，在夹套内用环形隔板形成规整流道（将夹套分为多层，每层之间留有上下流动的通道），采用液态介质进行加热或冷却，规整流道内的媒介以环形流动的形式，流经筒体外侧的全部位置，最终经上部出口流出夹套。夹套内流道的设计需满足在停工的状态下，夹套内物料能完全自流下落干净，隔板材质选用同筒体材质，避免筒体的腐蚀。这种通过在夹套安装规整导流隔板的措施，使夹套内媒介流经筒体外侧的全部面积，在增加传热动力的同时，也增加了传热面积[2]。

2.5 半管夹套设备的整体设计（增加传热动力）

半管夹套设备半管内介质可以在较高压力下工作，避免了高压介质进入夹套前的减压设施；
由于可以承受较高压力，可以使用较高温度的介质进行传热，增加了传热效率；
半管型结构可以降低筒体的受力，因此半管型夹套可以降低筒体的厚度。半管夹套设备的制作复杂，焊接工作量大，造价高于普通的U型夹套设备，但是可以减少压力容器的数量。半管夹套的半管需做好排气设计，避免半管内存有气体，造成传热不均[3]。

2.6 蜂窝夹套设备（降低传导层厚度，增加传热动力）

蜂窝夹套有压模式和拉撑式两类，压模式是在夹套筒体上压制成带圆孔的凹状蜂窝，在圆孔处将筒体和夹套焊接，形成类似蜂窝状结构；
拉撑式是用短管将筒体和夹套连接起来，短管在夹套内成规则排列（三角形或正方形排列）。

蜂窝夹套设备在夹套介质供给工况不变的条件下，增加流体在夹套内的流动速度，流体与蜂窝碰撞不断改变流速和流动方向，破坏原有的层流层，加快的传热速度，提高了传热效率。由于夹套与筒体全方位的贴合焊接，增加的筒体的强度，设备内介质的内压载荷由夹套壁和内筒共同承担，可以有效的减小筒体设计厚度，进一步提高传热效率。

2.7 带搅拌的夹套设备内壁增加挡板（增加传热动力）

夹套设备内的搅拌设备带来的设备内壁附近液位较高、搅拌轴中心附近液位较低的“旋涡”现象，由于“旋涡”现象导致设备内物料搅拌混合不均匀，从而导致夹套设备传热效率低。在带搅拌设备的内壁安装挡板，液流在挡板后形成旋涡，旋涡随主体流动遍及全部釜内，提高传热动力，自由下陷的现象消失。挡板对流体的径向和轴向流动没有改变，但使搅拌的功率成倍增加，提高夹套的热量传递效率。

搅拌设备内壁挡板设置数量与设备容积密切相关，一般设备设置4 块挡板即可。挡板采用与筒体材质相同的材料，挡板与筒体之间保持适当的间隙，挡板设置为可拆卸型的连接方式。挡板的长度和宽度应与反应釜、搅拌设备配套。

2.8 带搅拌的夹套釜内安装盘管（增加传热面积，增加传热动力）

由于夹套传热效率或者速度的限制，可以在夹套釜内壁安装盘管，通过加热或冷却盘管内介质的流动来补充夹套设备的传递效率。盘管安装在釜壁四周，也可起到安装挡板的降低“旋涡”现象的作用。所以夹套设备内置盘管，可以提高传热效率。

内盘管通常采用与筒体材质相同的材料，由于筒体内物流在搅拌器的作用下快速流动，需要内盘管系统做好盘管与盘管之间、盘管与筒体之间的固定设计工作。

2.9 带搅拌的夹套设备内增加导流筒（增加传热动力）

导流筒位于搅拌器的外侧，为上下开口的圆筒。导流筒限制了物料的循环路径，保证了充分的循环路径，使容器内的物料可以通过导流筒形成强烈的混合区，减少无用的循环路线；
导流筒通过提高部分位置的搅拌程度，增强了釜内液体整体的搅拌剧烈程度。螺旋桨式搅拌器，导流筒可以安装在搅拌桨的外侧；
涡轮式搅拌器，导流筒安装在搅拌器上部。通过增加导流筒，抑制了圆周运动的扩散，增大了物料的湍动程度，提高的夹套热量传递效率[4]。

2.10 分类设置不同功能的夹套设备（在工艺上做到专釜专用）

当夹套设备釜内物料分别需要经过升温、保温、降温等不同的能量传递需要时，在工艺条件许可时（设计专釜专用），可以设置不同类别的专用釜来完成能量传递工作。一类釜专做升温使用，一类釜专做保温使用，一类釜专做降温使用，避免了一釜的夹套内在不同阶段需要更换不同作用的媒介，减少了夹套内不同作用媒介的能量浪费，提高了夹套媒介能量的使用效率。专釜专用适用于规模大、数量多、生产更加精细的釜类装置，不仅提高夹套内媒介的能量使用效率，还可以避免不同媒介在使用过程中因串流而造成媒介的流失浪费。

3.1 选用合适的保温、保冷材料

依据夹套介质的作用，选用合适的保温、保冷材料（常用的保温材料有玻璃棉、岩棉、硅酸铝板，常用的保冷材料有聚氨酯管壳或发泡、橡塑板），并采用经济型计算隔热材料的厚度。保温保冷材料发展迅速，气凝胶是目前最好的隔热材料，用于夹套设备有隔热效果好、厚度薄、质量轻、阻燃效果好的优点。在夹套介质对筒体内物料起到降温作用要求时，尤其使用冷冻水降温、保温时，需做好设备的全面保冷措施，夹套的裙座、支耳、法兰、仪表座等都应进行保温，设备自带的铭牌拆除（拆除后安装于保冷材料的保护层，避免伤害保冷材料。），能降低能量的损失，提高能力利用效率。夹套设备的保温没有设备保冷安装要求得苛刻，但是同样保温材料安装越是规范，热量利用率越高[5]。

3.2 设备支座与支撑处安装隔热材料

夹套设备的支耳或者支座与结构、基础连接处安装隔热材料（此处隔热材料除需要具备隔热功能外，还需要具备一定的强度和硬度），减少夹套内介质的热量或冷量的损耗。常用石棉隔热垫、四氟隔热垫、硅酸铝隔热垫等隔热材料，隔热材料的选用要考虑材料是否耐水性、耐温性。硅酸铝隔热垫是用陶瓷纤维或毡，用磨具经过冲压而成，是高温设备做隔热或密封垫片的优良材料。

夹套设备在具体使用中选择合理的夹套形式，并配制合理的搅拌设施、合理的系统管路设计、内壁安装挡板、安装盘管、安装导流筒以及合理的保温保冷隔热设施等措施，可以提高夹套内能量的传热效率。