Temperature control of jacketed reactors/zh

夹套式反应器的温度控制是通过在包围反应器容器的夹套内循环加热或冷却介质来调节工艺温度。夹套起到循环流体与反应器内物料之间的传热作用。

在实验室、中试规模和工业生产过程中，当需要对反应器内物料进行加热、冷却或维持在特定温度时，通常会采用夹套温度控制。系统设计取决于工艺温度范围、热负荷、反应器尺寸、夹套面积、循环流量和允许的夹套压力。

夹套式反应器在部分或全部容器壁周围设有空间，传热流体可以在其中循环。热量通过反应器壁传递，而无需传热流体与工艺物料直接接触。

加热过程中，循环流体的温度保持在工艺温度以上；冷却过程中，循环流体的温度保持在工艺温度以下。

因此，该夹套起到了一种热交换器的作用。

一个基本的温度控制回路可能包括：

• 夹套式反应堆；
• 供暖或制冷设备；
• 循环泵；
• 温度传感器；
• 温度控制器；
• 管道、阀门和软管；
• 必要时设置膨胀或缓冲容器。

供暖和制冷可以直接由工厂公用设施提供，也可以通过单独的循环温度控制单元提供。

传热流体必须适用于操作温度范围以及反应堆夹套、泵、管道和密封件中使用的材料。

常见液体包括：

水具有较高的比热容，常用于中温供暖和制冷。其适用温度范围受冰点、沸点和系统工作压力的限制。

当需要冷却到低于水的正常冰点时，通常会使用水和乙二醇或丙二醇的混合物。

提高乙二醇浓度会降低冰点，但也会改变粘度和传热性能。在低温下，粘度尤为重要，因为它会影响循环流量和泵压。

因此，应根据所需的最低温度来选择乙二醇浓度，而不是简单地使用尽可能高的浓度。

在工作温度超出水基流体实际适用范围的情况下，可以使用导热油和其他合成传热流体。

选择液体时应考虑以下因素：

• 最低和最高工作温度；
• 粘度；
• 比热容；
• 热稳定性；
• 与密封件和管道的兼容性；
• 毒性;
• 易燃;
• 流体膨胀；
• 维护要求。

应遵守传热流体制造商的操作限制。

改变工艺材料温度所需的能量的初步估算可由以下公式得出：

在哪里：

• Q 是所需的热量；
• m 是材料的质量；
• Cp 是比热容；
• ΔT 是所需的温度变化量。

如果已知所需的加热或冷却时间，则平均热功率可按以下公式估算：

其中 t 为加热或冷却时间。

此计算仅考虑工艺物料。实际系统中可能还需要考虑：

• 反应堆压力容器的加热或冷却；
• 反应产生或吸收的热量；
• 从周围环境中散失或获得热量；
• 蒸发或冷凝；
• 混合过程中产生的热量；
• 管道和设备的热容量。

对于放热反应，冷却系统必须能够去除显热和反应产生的热量。

实际能够穿过夹套的热量还受到传热面积和总传热系数的限制。简化的关系式为：

其中 U 为总传热系数，A 为可用传热面积。

反应器内部的搅拌可以通过降低容器壁附近的温度梯度来改善传热。

单凭加热或冷却能力并不能决定夹套温度控制系统的性能。传热流体还必须以合适的流速在夹套内循环。

流量受以下因素影响：

• 夹克几何形状；
• 管道和软管直径；
• 软管长度；
• 阀门、弯头和管件的数量；
• 流体粘度；
• 工作温度；
• 水泵性能。

低温流体的粘度可能会显著增加。这会导致压降增大，循环流量降低。

循环泵必须提供足够的流量，同时不得超过反应堆夹套允许的压力。

对于玻璃反应器和其他允许压力相对较低的夹套式反应器而言，这一点尤为重要。泵压力、静压头和回流管路压降都应纳入考虑范围。

可以采用多种布置方式。

蒸汽、热水、冷却水或其他工厂公用设施可以直接供应到反应堆夹套。

这种方案简单易行，适用于温度范围要求有限的情况。独立的供暖和制冷系统可能需要阀门来切换供冷热源。

循环温度控制单元利用泵在单元和反应器夹套之间持续循环传热流体。

该装置根据所需的工艺温度，向循环流体中添加或移除热量。

有些系统使用同一种传热流体进行加热和冷却。这样就避免了在加热和冷却模式切换时反复更换夹套内的流体。

循环系统可能包含：

• 电暖器；
• 制冷回路或冷却热交换器；
• 循环泵；
• 膨胀体积；
• 温度传感器；
• 控制器;
• 安全装置。

所选设备必须在实际工作温度下进行评估。冷却能力、流体粘度和泵性能在工作范围内可能会发生显著变化。

温度传感器的位置会影响系统响应。

可能的控制变量包括：

• 反应堆内物料温度；
• 夹套入口温度；
• 夹克出口温度；
• 温度控制单元出口温度。

对于许多间歇式工艺而言，反应器内物料的温度是主要工艺变量。

一个简单的控制器可以根据工艺温度与设定点之间的差异来调节加热或冷却。

对于要求更高的工艺，可能会采用级联控制。在级联控制中，反应器温度控制器为速度更快的夹套或循环流体温度控制器提供设定值。

如果夹套温度变化速度远快于反应器主体温度变化速度，则可以改善响应速度。

控制器设置还必须考虑制热和制冷响应的差异。控制器动作过大会导致温度过冲或波动。

夹克温度控制系统常见问题包括：

• 在所需的低温下，冷却能力不足；
• 循环流量不足；
• 反应堆夹套压力过高；
• 传热流体的低温粘度不合适；
• 管道或软管尺寸过小；
• 长循环管路，压降高；
• 循环系统中滞留的空气；
• 温度传感器位置不佳；
• 控制器设置不正确；
• 传热流体受到污染或劣化；
• 由温度快速变化引起的热冲击。

对于玻璃反应釜，应避免夹套温度的快速变化，以免产生过大的热应力。应遵守反应釜制造商规定的温度和压力限制。

温度控制在反应堆系统的能源需求中占很大比例。

可以通过以下方式减少能源消耗：

• 对反应堆和循环管道进行绝缘处理；
• 减少不必要的管道长度；
• 选择合适的供暖和制冷能力；
• 避免不必要的过低冷却温度或过高加热温度；
• 保持传热表面清洁；
• 保持传热流体处于可用状态；
• 在条件允许的情况下回收工艺热量。

应防止乙二醇或导热油泄漏并及时收集。选择和维护传热流体时，应考虑流体毒性和当地的处置要求。

如果可能污染食品、药品或其他敏感产品，则需要对传热流体的毒性和适用性进行额外考虑。

夹套式反应器温度控制应用于以下工艺：

• 化学合成；
• 结晶;
• 聚合;
• 发酵；
• 植物提取物；
• 溶剂蒸发；
• 材料准备；
• 实验室和中试规模工艺开发。

不同应用对温度控制的要求可能差异很大。因此，仅凭反应器容积不足以选择合适的加热或冷却系统。

• 热交换器
• 冷水机 ECM
• 开源医用实验室生物反应器
• 能源效率

• HJCHEM——如何为玻璃反应器选择合适的循环器
• 斯派莱克斯·萨科——采用盘管和夹套进行加热
• 伊士曼-赛美诺传热系统设计资源
• 陶氏化学——DOWCAL 200 导热流体
• 艾默生——改进间歇式反应器温度控制