夾套設備傳熱效率探討

仝鵬翔，李連朋，周煜華，蔡 浩，丁 冰

（江西晨光新材料股份有限公司，江西 九江 332500）

引言

熱量傳遞是四大化工工程之一，在化工生產中主要有直接接觸式傳熱、間壁式傳熱、蓄熱式傳熱等熱量傳遞形式。夾套傳熱屬于間壁式傳熱形式，廣泛應用于化工生產的各個方面，主要起到使筒體內物料起到反應、分離、升溫、降溫、保溫、保冷等作用，提高夾套的傳熱效率不僅可以提高能量的使用效率，還在保證筒體內產品品質、保障安全生產方面發揮著重要作用。本文通過夾套容器的設計、安裝、使用等方面來討論提高夾套設備傳熱效率的方法。

1 夾套設備的簡介

夾套設備的夾套內通常通入蒸汽、礦物油、鹽水、乙二醇、循環水、珠光砂等進行工作，使筒體內物料進行加熱、冷卻或保溫，起到特定的作用。根據夾套的包容情況有全夾套式和局部夾套式之分，全夾套式是上下封頭和筒體都安裝有夾套，局部夾套是部分筒體、部分封頭安裝夾套的形式。常見的夾套形式有圓筒形夾套、半管式夾套、蜂窩夾套等形式，圓筒形夾套為最常見的夾套形式，由內筒體和夾套筒體組成；半管式夾套由內筒體和焊接在筒體上的半管組成；蜂窩夾套結構復雜、流速高、傳熱效率高、加工技術要求高。

2 夾套設備的設計及特點

2.1 通過設計合理的攪拌設備提高傳熱效率（提高傳遞動力）

如式（1）所示，在導熱系數λ、傳導層厚度δ、傳熱面積一定的前提下，通過增大釜壁內外的溫度差△t，可以增大熱流量Q。通過設計安裝攪拌設備，使熱量相差較大的釜內物料與夾套內物料及時進行熱量傳遞，提高釜壁附近的溫度差（增強了傳遞動力），增加了能量的傳熱效率。所以通過對夾套設備設置攪拌設備，可以提高傳熱效率。

根據物料性質及生產要求，攪拌設備可以選擇頂入式、側入式、底入式的方式與設備進行組合。攪拌槳可以選擇框式、錨式、螺帶式、旋漿式等多種形式，以達到釜內物料快速，增加釜內物料與夾套內媒介的溫度差，達到提高熱量傳遞動力的目的。攪拌電機可以選擇變頻和普通電機，根據物料的工作要求（介質性質、溫度、壓力等），轉動設備和攪拌軸的連接可以選擇填料密封、單端面機械密封、雙端面機械密封或者磁力轉動等方式。

2.2 夾套釜整體夾套及管路設計（增加傳遞面積、傳熱動力）

常見的夾套設備只是在釜的筒體和下部封頭做了夾套設計（常見的搪玻璃反應釜都是局部夾套設計），未在釜上部端蓋進行夾套設計。對于凝固點高、流動性差的筒內介質（例如聚酯類物料），如果物料在攪拌過程中被攪拌至設備頂部封頭部位，就不能及時參與釜內物料的均勻混合，物料在釜內存留時間過長輕則造成熱量傳遞效率低下，甚至影響產品品質。為了避免物料在釜內滯留時間過長，通常在釜的上部端蓋也設計有夾套，充分的利用夾套內物料的熱量，增加了夾套與釜內物料的傳熱面積，提高傳遞動力，提高了釜內物料接收或傳出熱量的效率。

對于整體夾套內媒介流動的管路設計上，根據夾套整體結構和物料粘度特性，可以設計為一根總管進出，或在不同部位多只管路并聯進出。根據釜內溫度設置調節閥流量調節，或者溫度、調節閥、流量計進行串級設計控制。控制系統的設計，使釜內的溫度更加均勻穩定，準確的控制了對夾套內媒介能量的需求。

對于U 型夾套設備，可以在筒體和夾套之間設計適當數量的擋板，增加夾套內介質的湍流速度，避免形成流動死區，避免局部過熱、過冷造成的溫度不均；在夾套進料口處設置擋板，避免進料對筒體的沖刷，保障設備的使用安全、延長設備的使用壽命。

2.3 U 型夾套設備夾套進出口管路的設計（增加傳遞動力）

U 型夾套設備由筒體和夾套體組成，夾套體底部和上部各有兩個法蘭口，夾套體的頂部設置排氣口。如果采用蒸汽類的氣體對罐體內介質進行加熱，應從夾套的上部兩個端口同時進汽（避免熱量的冷熱不均），下部兩個法蘭口同時排冷凝液（避免局部積液），避免傳熱效率降低；如果采用導熱油或循環水對罐體內介質進行傳熱，應從下部兩個法蘭口同時進液，這樣可以防止偏流，導致夾套內部分位置形成死區，導致傳熱效率降低。

為了更好的控制筒體內溫度以及安全生產需要，工藝要求在夾套物料的進出口設置自控系統，對于蒸汽類的加熱介質，在夾套的上部進口管路設置控制閥（蒸汽采用上部進汽，下部排液）、流量計，根據釜內溫度調節閥門開度，控制流量蒸汽，避免釜內溫度劇烈波動；對于采用液體冷卻或加熱的介質，在夾套的上部出口或下部進口管線設置調節控制系統（液態介質采用下部進料，上部出料）、流量計，保證殼體內充滿介質，提高換熱效率，避免形成負壓。

為更好的完成夾套設備內物料的混合，根據入口物料的性質、催化劑性質，可以在物料的進口管道設置管路混合器（體積小、功率小，物料在使用較少的功率下，較短的時間內，獲得混合均勻的產品）、靜態混合器（不同的物料經過分割、位置移動、重新匯合達到混合均勻的混合物，具有體積小、效率高、能耗低、操作穩定等特點），在進入釜內前進行較好的混合（降低攪拌設備的功率），縮短夾套設備的傳熱時間，增加夾套內媒介的傳熱效率[1]。

2.4 增加U 型夾套內規整流道的設置（增加傳熱動力、增加傳熱面積）

為了徹底避免夾套內介質在夾套內形成死區，在眾多要求嚴格的大化工、精細化工、生物化工等行業內，在夾套內用環形隔板形成規整流道（將夾套分為多層，每層之間留有上下流動的通道），采用液態介質進行加熱或冷卻，規整流道內的媒介以環形流動的形式，流經筒體外側的全部位置，最終經上部出口流出夾套。夾套內流道的設計需滿足在停工的狀態下，夾套內物料能完全自流下落干凈，隔板材質選用同筒體材質，避免筒體的腐蝕。這種通過在夾套安裝規整導流隔板的措施，使夾套內媒介流經筒體外側的全部面積，在增加傳熱動力的同時，也增加了傳熱面積[2]。

2.5 半管夾套設備的整體設計（增加傳熱動力）

半管夾套設備半管內介質可以在較高壓力下工作，避免了高壓介質進入夾套前的減壓設施；由于可以承受較高壓力，可以使用較高溫度的介質進行傳熱，增加了傳熱效率；半管型結構可以降低筒體的受力，因此半管型夾套可以降低筒體的厚度。半管夾套設備的制作復雜，焊接工作量大，造價高于普通的U型夾套設備，但是可以減少壓力容器的數量。半管夾套的半管需做好排氣設計，避免半管內存有氣體，造成傳熱不均[3]。

2.6 蜂窩夾套設備（降低傳導層厚度，增加傳熱動力）

蜂窩夾套有壓模式和拉撐式兩類，壓模式是在夾套筒體上壓制成帶圓孔的凹狀蜂窩，在圓孔處將筒體和夾套焊接，形成類似蜂窩狀結構；拉撐式是用短管將筒體和夾套連接起來，短管在夾套內成規則排列（三角形或正方形排列）。

蜂窩夾套設備在夾套介質供給工況不變的條件下，增加流體在夾套內的流動速度，流體與蜂窩碰撞不斷改變流速和流動方向，破壞原有的層流層，加快的傳熱速度，提高了傳熱效率。由于夾套與筒體全方位的貼合焊接，增加的筒體的強度，設備內介質的內壓載荷由夾套壁和內筒共同承擔，可以有效的減小筒體設計厚度，進一步提高傳熱效率。

2.7 帶攪拌的夾套設備內壁增加擋板（增加傳熱動力）

夾套設備內的攪拌設備帶來的設備內壁附近液位較高、攪拌軸中心附近液位較低的“旋渦”現象，由于“旋渦”現象導致設備內物料攪拌混合不均勻，從而導致夾套設備傳熱效率低。在帶攪拌設備的內壁安裝擋板，液流在擋板后形成旋渦，旋渦隨主體流動遍及全部釜內，提高傳熱動力，自由下陷的現象消失。擋板對流體的徑向和軸向流動沒有改變，但使攪拌的功率成倍增加，提高夾套的熱量傳遞效率。

攪拌設備內壁擋板設置數量與設備容積密切相關，一般設備設置4 塊擋板即可。擋板采用與筒體材質相同的材料，擋板與筒體之間保持適當的間隙，擋板設置為可拆卸型的連接方式。擋板的長度和寬度應與反應釜、攪拌設備配套。

2.8 帶攪拌的夾套釜內安裝盤管（增加傳熱面積，增加傳熱動力）

由于夾套傳熱效率或者速度的限制，可以在夾套釜內壁安裝盤管，通過加熱或冷卻盤管內介質的流動來補充夾套設備的傳遞效率。盤管安裝在釜壁四周，也可起到安裝擋板的降低“旋渦”現象的作用。所以夾套設備內置盤管，可以提高傳熱效率。

內盤管通常采用與筒體材質相同的材料，由于筒體內物流在攪拌器的作用下快速流動，需要內盤管系統做好盤管與盤管之間、盤管與筒體之間的固定設計工作。

2.9 帶攪拌的夾套設備內增加導流筒（增加傳熱動力）

導流筒位于攪拌器的外側，為上下開口的圓筒。導流筒限制了物料的循環路徑，保證了充分的循環路徑，使容器內的物料可以通過導流筒形成強烈的混合區，減少無用的循環路線；導流筒通過提高部分位置的攪拌程度，增強了釜內液體整體的攪拌劇烈程度。螺旋槳式攪拌器，導流筒可以安裝在攪拌槳的外側；渦輪式攪拌器，導流筒安裝在攪拌器上部。通過增加導流筒，抑制了圓周運動的擴散，增大了物料的湍動程度，提高的夾套熱量傳遞效率[4]。

2.10 分類設置不同功能的夾套設備（在工藝上做到專釜專用）

當夾套設備釜內物料分別需要經過升溫、保溫、降溫等不同的能量傳遞需要時，在工藝條件許可時（設計專釜專用），可以設置不同類別的專用釜來完成能量傳遞工作。一類釜專做升溫使用，一類釜專做保溫使用，一類釜專做降溫使用，避免了一釜的夾套內在不同階段需要更換不同作用的媒介，減少了夾套內不同作用媒介的能量浪費，提高了夾套媒介能量的使用效率。專釜專用適用于規模大、數量多、生產更加精細的釜類裝置，不僅提高夾套內媒介的能量使用效率，還可以避免不同媒介在使用過程中因串流而造成媒介的流失浪費。

3 夾套設備合理的安裝

3.1 選用合適的保溫、保冷材料

依據夾套介質的作用，選用合適的保溫、保冷材料（常用的保溫材料有玻璃棉、巖棉、硅酸鋁板，常用的保冷材料有聚氨酯管殼或發泡、橡塑板），并采用經濟型計算隔熱材料的厚度。保溫保冷材料發展迅速，氣凝膠是目前最好的隔熱材料，用于夾套設備有隔熱效果好、厚度薄、質量輕、阻燃效果好的優點。在夾套介質對筒體內物料起到降溫作用要求時，尤其使用冷凍水降溫、保溫時，需做好設備的全面保冷措施，夾套的裙座、支耳、法蘭、儀表座等都應進行保溫，設備自帶的銘牌拆除（拆除后安裝于保冷材料的保護層，避免傷害保冷材料。），能降低能量的損失，提高能力利用效率。夾套設備的保溫沒有設備保冷安裝要求得苛刻，但是同樣保溫材料安裝越是規范，熱量利用率越高[5]。

3.2 設備支座與支撐處安裝隔熱材料

夾套設備的支耳或者支座與結構、基礎連接處安裝隔熱材料（此處隔熱材料除需要具備隔熱功能外，還需要具備一定的強度和硬度），減少夾套內介質的熱量或冷量的損耗。常用石棉隔熱墊、四氟隔熱墊、硅酸鋁隔熱墊等隔熱材料，隔熱材料的選用要考慮材料是否耐水性、耐溫性。硅酸鋁隔熱墊是用陶瓷纖維或氈，用磨具經過沖壓而成，是高溫設備做隔熱或密封墊片的優良材料。

4 結論

夾套設備在具體使用中選擇合理的夾套形式，并配制合理的攪拌設施、合理的系統管路設計、內壁安裝擋板、安裝盤管、安裝導流筒以及合理的保溫保冷隔熱設施等措施，可以提高夾套內能量的傳熱效率。