搪玻璃双层夹套和半管夹套反应釜传热

由于 Glasteel® 复合材料的优越特性，搪玻璃容器常用于化工和制药行业。就反应釜容器传热而言，搪玻璃反应釜搪瓷内壁与夹套之间的热传递效果对确保产品品质和控制反应成本至关重要。对于容器内产品进行加热、冷却和调温需要通过外部的冷热介质来带走产品反应产生的热量或提供反应需要的热量。实现这种热交换通常在设计反应器中加上双层夹套或半管夹套，通过冷热介质在夹套中进行热传递来实现。导热油作为常用的夹套介质通过加热或冷却装置可根据工艺要求调节反应温度的同时精确控制温度。另外我们也经常能看到使用用蒸汽作为热媒加热、用水作为冷媒冷却。

通过搪玻璃壁传导的热量一般用容器的可传热面积、搪玻璃壁的传热系数和产品与夹套间的平均温差来计算。总传热系数（K 值）取决于产品与夹套间传热系数、钢制容器壁厚度、搪玻璃层厚度和钢材、玻璃材料的导热率。搪玻璃反应釜的特殊之处在于碳钢部分的导热率是玻璃层的 45 倍。因此，K 值以及相应的传热量很大程度上受限于玻璃层。使用设计合理的搅拌系统可优化产品侧传热，可将传热系数提高多达 30%左右。对于较旧的反应釜，更换搅拌系统可简便地改善传热、缩短工艺时间、节约能源。

设计搪玻璃容器时为了提高反应效率提高换热效果，通常在半管夹套容器与传统夹套容器之间会进行比较，看哪种更加有利于提高换热。以下是一个实例，一个容量为 55 立方米大型反应釜，釜内充装20% 的盐酸溶剂到80%的釜的有效容积。其中一个反应釜采用传统夹套形式，同时配有五个的 DN80的夹套喷嘴，可沿切线方向导入冷却液。另一种采用半管夹套形式，为了防止半管压降过大，设计半管是分成了三个区域，缩短了半管的长度。为了比较两种夹套结构换热效果，我们在两个容器夹套内加入冷却水，按照每小时 100 立方米的水流速，半管夹套容器内夹套压降为 1.1 bar，传统夹套容器内夹套压降则为 0.3 bar。由于半管夹套压降大，在冷却过程中冷却水泵的压头显著较高，反应罐的使用中所需的泵能耗会高很多。与传统夹套相比，半管套管之间由于焊接加工需要的间隙也会会导致传热面热量损失达 30%。接下来我们分析夹套侧的传热系数。由于速率增加，半管夹套容器内的传热系数是传统夹套容器内的两倍多。但夹套传热系数对产品与加热/冷却介质之间的反应釜总体传热系数（K 值）的影响仅为约 12%，而玻璃层对反应釜总体传热系数的影响将近有 50%。所以，在我们所举例子中，半管夹套容器内的 K 值为 447 W/(m2 K),传统夹套容器内的 K 值则为 416 W/(m2 K)。差异如此微小，从数学角度看，两类容器之间冷却时间相差仅两分钟。用 160°C 蒸汽加热时，结果相似。半管夹套容器内的传热系数为 453 W/(m2 K)，双层夹套容器内的传热系数则为 456 W/(m2 K)。从数学角度看，这两类容器的加热时间相同，因此几乎没有差异。

这一实例说明，半管夹套容器在钢制反应釜内的传热优势并不适用于搪玻璃容器，由于搪玻璃材质的热阻力相对碳钢大几十倍,搪玻璃反应釜的综合换热系数基本上是由玻璃层决定的,而不是夹套决定的。因此，反应釜是否选用半管夹套往往取决于其他条件，例如，加热/冷却侧需要极高压力或加热/冷却介质不兼容需要在夹套内进行分区段隔离（双向式半管夹套）.在大多数情况下，传统夹套反应釜更经济、耐用，它采用夹套喷嘴的设计将导热介质在夹套内做到强制循环同时增加导热介质的流速。同时传统夹套输送导热介质使用的泵压头降低（因为压降减少）从而降低了泵的功率，节约能源、降低运作成本、提高利润。另外，在运行一段时间后，半管夹套的半管套管由于结构应力的原因容易产生裂缝，导致无法修复的泄漏导致它的使用寿命通常小于传统夹套结构. 

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