CN103675016B - 一种放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统 - Google Patents
一种放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统，其特征在于，其包含放热式反应管模拟组件，蒸发容器，冷却工质温控系统，稳液防冲挡板，反应管固定装置，冷凝和压力调节系统，放热式反应管模拟组件，用于模拟工业放热式反应器的反应管的工作状况，测量、获取管壁轴向温度分布、温差及管外相变换热的效果，以便为工业反应管设计提供数据和评价各种反应管的取热与温控效果。本发明的优点：能够模拟热流密度高达上百千瓦每平米的放热式管式反应器的运行工况，可评价沿轴向均匀热流密度与变热流密度下，不同反应管材料、长度、表面状况以及不同冷却工质等条件下相变系统的取热与温控效果。
Description
【技术领域】
本发明涉及测试系统技术领域，具体地说，是一种放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统。
【背景技术】
管式固定床反应器在化学工业和石油化工工业中应用广泛。管式反应器的结构可以是单管，也可是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充有颗粒催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如费托合成列管式固定床反应器。
管式固定床反应器，多用于强放/吸热且反应进行很快的情况。对于进行强放热反应的反应器，移热、控温是反应器设计和控制的关键。若热量不能及时取走，床层发生超温时将在短时间内迅速升温，一方面使催化剂积炭，导致活性下降甚至完全失活，产物组成发生变化；另一方面会使温度高于反应器材料所能承受的温度，从而导致事故发生。此外，管式固定床反应器内进行强放热反应时，由于沿反应管轴向反应速率不同，沿轴向的放热速率不同，使反应管轴向温度分布不均匀，这不仅引起较大的轴向温差，影响反应设备的寿命；而且使得催化床层只有一小部分催化剂在最佳的温度下操作，影响了催化剂效率的发挥。因此，开发具有高效换热能力的反应管，将反应放出的热量快速移走，同时减小反应管轴向温度分布不均匀性，成为进行强放热反应的管式反应器放大中亟待解决的问题。
强放热式管式固定床反应器的反应热是通过管外冷却工质的沸腾相变换热移走的，沸腾换热的能力是影响反应器移热、控温的关键。为强化沸腾相变传热，国内外已开发了多种能强化沸腾换热的换热管，为了有效地将高效换热管用做工业反应器的反应管，提高运行的可靠性，有必要进行移热效果和温控效果的评价，从而进一步优化反应管结构参数和移热系统，为设计及运用提供依据。因此开发能有效评价放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统意义重大。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统，其包含放热式反应管模拟组件，蒸发容器，冷却工质温控系统，液位监控装置；
放热式反应管模拟组件，用于模拟工业放热式反应器的反应管的工作状况，测量、获取管壁轴向温度分布、温差及管外相变换热的效果，以便为工业反应管设计提供数据和评价各种反应管的取热与温控效果。
蒸发容器，盛装有对所述被测放热式反应管模拟组件进行沸腾相变冷却的冷却工质；
冷却工质温控系统，用于控制所述冷却工质的温度；
稳液防冲挡板，用于防止冷却工质温控系统引起的冷却工质的流动对所述被测反应管换热效果造成影响；
反应管固定装置，用于将所述被测反应管固定在所述蒸发容器的冷却工质中；
冷凝和压力调节系统，用于冷凝回流所述蒸发容器中产生的蒸汽、并监控该蒸汽的压力；
液位监控装置，用于监控所述蒸发容器内的冷却工质的液位；及数据采集系统，用于测量、采集并监控所述冷却工质的压力、温度和被测反应管的表面温度。
所述被测反应管为放热式反应管模拟组件，所述放热式反应管模拟组件包括：电连接直流稳压电源的加热棒，加热棒设计具有两种方式，通过控制缠绕的加热丝的疏密来实现：一种是沿加热棒轴向热电丝均匀地缠绕，保证沿加热棒轴向产热均匀，用于模拟理想状态下沿反应管轴向均匀放热的情况；另一种是沿加热棒轴向热电丝分数段均匀缠绕，每一段缠绕的热电丝疏密不同，使得沿加热棒轴向分段产热均匀而段与段间产热不同，用于模拟实际情况中沿反应管轴向变热流密度的工况。两种情况下，加热棒均做成一整体；及一套在所述加热棒外面的测试表面管，所述测试表面管与所述加热棒呈间隙配合，在间隙中填充有导热胶。为准确的测量测试表面管的壁温，所述测试表面管分成若干段套在所述加热棒上，在每一段测试表面管的两端管壁厚中部加工有若干个深一定尺寸的孔，在加工的孔中埋有测温热电偶。测试表面管的段与段间填有导热胶，以使各段接触良好。所述放热式反应管模拟组件的两个头端均进行绝热处理，防止热量从两端散失。
蒸发容器为一密封的不锈钢制圆筒容器，容器外敷设有保温材料。
所述冷却工质温控系统包括：电源控制与测量装置，用于控制输入制冷工质的电功率；及一组置于制冷工质中的辅助加热器；
所述的辅助加热器做成螺旋型，均匀地垂直布置于蒸发容器内。
所述稳液防冲挡板位于辅助加热器与测试放热式反应管模拟组件间，为加工有许多均匀小孔的不锈钢圆筒。
所述应管固定装置垂直的固定在蒸发容器顶盖的中心，其顶端带有夹紧装置用于和所述被测放热式反应管模拟组件固接。
所述冷凝和压力调节系统包括：冷凝器，所述冷凝器通过数根管路与所述蒸发容器相通，蒸发容器内产生的蒸汽通过冷凝器入口管路进入冷凝器冷凝为液态后，通过降液管流回蒸发容器内；压力传感器，设置在冷凝器蒸汽入口端管路附近。
所述冷凝器的降液管路设有与大气连通、用于排出不凝性气体的阀门。
所述液位监控装置为透明的连通管，两端分别连通于蒸发容器的顶部和底部，可清晰的显示液位高度。
所述数据采集系统包括若干布置于冷却工质中的热电偶和与所述被测放热式反应管模拟组件的测试表面管相连接的热电偶，用于测试采集冷却工质和所述被测反应管表面的温度信号。热电偶是利用温差电动势的测量原理，采集温度信号，并将信号输出到数据采集器。
所述数据采集系统还包括数据采集器。
所述数据采集器还电相连-PC机。这只是作为一种优选的实施方式，数据采集器也可以不用连接PC机，而采用其它可以提取采集温度信号进行数据分析的电子终端。
放热式反应管模拟组件是本发明测试系统的关键，在本发明的一个较佳实施例中，所述沿轴向均匀热流密度的反应管模拟组件能提供的最高热流密度为80kW/m2；所述沿轴向变热流密度的反应管模拟组件分为四段，根据实际反应管中放热量的最大值在管中部位置的特点，其每一段的最大热流密度分别为26.5kW/m2、53kW/m2、92.9kW/m2和53kW/m2；沿反应管模拟组件的轴向八个位置布置有所述的测量热电偶，用于测试沿轴向局部温度；将所述放热式反应管模拟组件浸没于冷却工质中，其热功率由直流稳压电源提供。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
(1)本发明的测试系统，首先决解的是提供一个用于测试放热式反应管移热与控温效果的测试系统。其次，本发明还可以监测沿放热式反应管模拟组件轴向多个位置的表面温度，得到沿反应管轴向的温度分布、最大轴向温差，局部与整体沸腾传热系数，实现放热式管式反应管外相变取热与温控效果的评价。
(2)本发明不仅可以用于模拟理想状况下沿反应管轴向均匀放热的情况，而且可以用于模拟实际工况中沿反应管轴向放热不均、热流密度变化的情况。且由于采用电加热的方式，轴向各处的热流密度能够精确控制。
(3)本发明采用将热电偶埋入被测表面管壁上加工的孔内的方式测量壁温，这样不仅可以用于测量普通工业光滑管的壁温，而且能方便的测量对管表面形貌进行过特殊加工、处理的强化管(如烧结多孔管、T槽管、翅片管等)的壁温。因此，可以有效灵敏地评价不同材料、长度及表面形状反应管，以及不同冷却工质等多种条件下的相变取热与温控效果。
【附图说明】
图1为本发明一较佳实施例的系统示意图；
图2为图1中放热式反应管模拟组件的结构示意图；
图3为图1中以水为冷却工质时放热式反应管组件沿轴向均匀热流密度下测试烧结多孔涂层表面管、T槽表面管和光滑表面管外的沸腾曲线对比图；
图4为图1中以水为冷却工质时放热式反应管组件沿轴向均匀热流密度下测试T槽表面管与光滑表面管的管壁温度随管子轴向高度变化关系的对比图；
图5为图1中以水为冷却工质时放热式反应管组件沿轴向均匀热流密度下测试烧结多孔表面管与光滑表面管的管壁温度随管子轴向高度变化关系的对比图；
图6为图1中以水为冷却工质时放热式反应管组件沿轴向均匀热流密度下测试烧结多孔涂层表面管、T槽表面管和光滑表面管的轴向温差随热流密度变化关系对比图；
图7为图1中以水为冷却工质时放热式反应管组件沿轴向变热流密度下测试烧结多孔涂层表面管与光滑表面管外的沸腾曲线对比图；
图8为图1中以水为冷却工质时放热式反应管组件沿轴向变热流密度下测试烧结多孔涂层表面管与光滑表面管的轴向温差随热流密度变化关系对比图。
附图中的标号为：1放热式反应管模拟组件；2蒸发容器；3加热器；4防冲挡板；5固定装置；6压力传感器；7冷凝器；8阀门；9温控加热器电源；10降液管；11液位监视管；12直流电源；13热电偶；14数据采集器；15PC机；102加热棒；101测试表面管；103绝热胶。
【具体实施方式】
以下提供本发明一种放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统的具体实施方式。
实施例1
本发明提供的放热式管式反应器相变取热与温控效果测试系统，主要由蒸发容器、冷却工质温控系统、稳液防冲挡板、反应管固定装置5、冷凝和压力调节系统、液位监控装置、数据采集系统及放热式反应管模拟组件等组成。蒸发容器为一密封的不锈钢制圆筒，容器外面敷设有保温材料，其内盛装有对被测放热式反应管模拟组件进行沸腾相变冷却的冷却工质。蒸发容器内冷却工质通过冷却工质温控系统维持在需要温度。冷却工质温控系统由蒸发容器外的电源控制与测量装置及位于蒸发容器内的辅助加热器组成，通过调节电源控制装置控制输入辅助加热器中的电功率，调节、维持冷却工质的温度。其中辅助加热器可以做成螺旋状，固定于蒸发容器侧壁；也可以是几根长直型加热棒垂直、均匀的固定于容器底部。在辅助加热器与被测反应管模拟组件间放置一稳液防冲挡板，以防止辅助加热器引起的冷却工质流动对相变取热测量结果造成影响。用于测试的放热式反应管模拟组件通过反应管固定装置垂直地放置于蒸发容器的中心位置，安装时需保证整个反应管模拟组件完全浸没于冷却工质中。冷凝和压力调节系统由一个冷凝器和数根管路组成。数根管路分别与冷凝器和蒸发容器相连通，用于将蒸发容器中产生的蒸汽冷凝成液体，并输送回蒸发容器内。在冷凝器入口端管路附近装有一压力传感器6，以监测蒸发容器内的压力。冷凝器的降液管路设有一与大气连通的阀门，用于排出不凝性气体和蒸发容器内压力卸载。数据采集系统由若干个热电偶、一个数据采集器以及一个PC机组成。数据采集系统中的热电偶深入蒸发容器内，其中的几根布置于不同高度的反应管模拟组件附件用于测试冷却工质的温度，其余的连接在反应管模拟组件的被测表面管壁上，用于测试管壁的温度。热电偶的另外一端与数据采集器连接，用于温度的采集、记录。数据采集器与PC机电相连，用于精确测量和监视。一透明的连通管液位监视装置，两端分别连通于蒸发容器的顶部和底部，用于检测蒸发容器内液位高度。
一用于模拟放热式反应管工作状况的放热式反应管模拟组件由加热棒及套在加热棒外的测试表面管组成。加热棒电连接于一直流稳压电源，加热棒设计具有两种方式，通过控制缠绕的加热丝的疏密来实现：一种是沿加热棒轴向热电丝均匀地缠绕，保证沿加热棒轴向产热均匀，用于模拟理想状态下沿反应管轴向均匀放热的情况；另一种是沿加热棒轴向热电丝分数段均匀缠绕，每一段缠绕的热电丝不同，使得沿加热棒轴向分段产热均匀而段与段间产热不同，用于模拟实际情况中沿反应管轴向产热不均、变热流密度的工况。两种情况下，加热棒均做成一整体。测试表面管套在加热棒外面，两者呈间隙配合，在间隙中填充有导热胶。为测量测试表面管的壁温，测试表面管分成若干段，在每一段测试表面管的两端管壁厚中部加工有若干个深一定尺寸的孔，在加工的孔中埋有测温热电偶。然后将测试表面管分段套在加热棒外，测试表面管的段与段间填有导热胶，以使各段接触良好。放热式反应管模拟组件的两个头端均进行绝热处理，防止热量从两端散失。
下面以一具体实施例来详细说明本发明测试系统的操作步骤，以及得到的测试结果。
放热式反应管模拟组件的制备是测试和评价得以进行的前提和关键。如图1至图2所示，放热式反应管模拟组件1由一个电连接有一个外接的直流稳压电源12的加热棒，以及套在加热棒102外的被测表面管101组成。反应管模拟组件的两端进行绝热处理，两端涂有绝热胶103，这样保证了加热棒产生的绝大多数热量通过测试表面管与冷却工质进行交换散出。加热棒设计有两种方式，一种设计成沿轴向均匀产热的，用于模拟理想状况下反应管的工作状况；另一种则是沿轴向分为若干段、热量是变化的，用于模拟实际情况中沿反应管轴向产热不均、变热流密度的工况。在此实例中，沿轴向均匀产热的加热棒设计最大热流密度为80kW/m2，工业放热式反应管的正常工作热流密度大都小于此值，因此测试结果可为绝大部分的工业反应管提供指导；沿轴向变热流密度的的加热棒则设计为4段，根据实际反应管中放热量的最大值在管中部位置的特点，其每一段的最大热流密度分别为26.5kW/m2、53kW/m2、92.9kW/m2和53kW/m2(相应的加热棒热功率为0.4kW、0.8kW、1.4kW和0.8kW)。为测量测试表面管的壁温，套在加热棒102外的测试表面管101分成若干段，在每一段测试表面管的两端管壁厚中部加工有若干个深一定尺寸的孔(如图2中剖面所示)，在加工的孔中埋有测温热电偶13。由于采用在测试管端壁上加工孔的方法来测温，测试表面管可以是光滑表面管，亦可是表面进行过加工处理的强化表面管(如翅片管、T槽表面管和烧结涂层表面多孔管等)。在此实施例中，测试表面管101分4段套在加热棒上，每段测试表面管的两端加工各有两个孔，于是沿放热式反应管模拟组件1的轴向八个位置布置了8对(16根)热电偶13用于测试测试表面管101管壁的温度。
在测试开始之前，做好相应的准备工作，以确保测试的准确性和稳定性。首先，将放热式反应管模拟组件安装到蒸发容器2中，其中加热棒的加热功率由外接的直流稳压电源12提供。四根热电偶布置于放热式反应管模拟组件附近，用于测量冷却工质的温度。热电偶13的引出线端再连接数据采集器14进行温度的采集。然后，注入冷却工质，通过液位管11监控注入的冷却工质量，本实验方案中的冷却工质为水。之后，打开冷却水开关，开启冷凝器7的降液管10上与大气连通的阀门8。最后开启冷却工质温控系统的温控加热器电源9，通过辅助加热器3给冷却工质加热。为防止辅助加热器引起的冷却工质流动对测量结果造成影响，在放热式反应管模拟组件和辅助加热器中有一稳液防冲挡板4。当冷却工质达到饱和温度后，保持冷却工质充分沸腾至少一个半小时以排出其中含有的不凝性气体。排气结束后，调小温控加热器电源9的输入功率，使冷却工质水保持在要求的稳定状态(通过冷却工质中的4根热电偶和蒸发容器上的压力传感器6来监控是否达到要求的稳定状态)。这样测试的准备工作就完成了。
在测试过程中，需调节温控加热器电源的输入功率确保冷却工质保持在要求的稳定状态。通过直流稳压电源改变放热式反应管模拟组件的输入功率，以模拟反应管在不同的热流密度下工作。每次改变输入功率后，待测试状态稳定后，记录相应的直流电源输入电流和电压值，并通过数据采集器采集相应的温度信号，传输到PC机15上进行存储和处理。
如此通过改变加热功率，更换不同的放热式反应管模拟组件，分析沿反应管轴向均匀热流密度、变热流密度，不同测试管表面状况，不同热流密度下的轴向温度分布、温差及换热效果。
在本实施例中，对放热式反应管模拟组件进行了沿轴向均匀热流密度下与变热流密度下管外的相变取热测试。放热式反应管模拟组件1的测试表面管有通过烧结获得的烧结多孔涂层表面管和通过机械加工在管表面加工出T槽的T槽表面管。如图3与图7所示，经测试，与光滑表面管相比，烧结多孔涂层表面管和T槽表面管的起始沸腾点降低，能在更低的表面温度下进入到核态沸腾区域；此外，在相同的过热度下，烧结多孔涂层表面管和T槽表面管的热流密度更高，说明达到同样的表面温度时，烧结多孔涂层表面管和T槽表面管能带走的热量更多，其中烧结多孔涂层表面管又优于T槽表面管。如图4至图6与图8所示，相同热流密度下，烧结多孔涂层表面管的轴向温度分布及轴向温差小于T槽表面管，而T槽表面管的轴向温度分布及轴向温差又小于光滑表面管，说明多孔涂层表面管和T槽表面管有利于均匀壁面温度。用此方法从上述几个方面来评价各种表面测试管用作放热式反应管的相变取热与温控效果。
综上所述，本测试系统可用于放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试评价。本发明的测试系统，能够模拟热流密度高达上百千瓦每平米的放热式管式反应器的运行工况，可评价沿轴向均匀热流密度与变热流密度下，不同反应管材料、长度、表面状况以及不同冷却工质等条件下相变系统的取热与温控效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统，其特征在于，其包含放热式反应管模拟组件、蒸发容器、冷却工质温控系统、稳液防冲挡板、反应管固定装置、冷凝和压力调节系统、液位监控装置；
放热式反应管模拟组件，用于模拟工业放热式反应器的反应管的工作状况，测量、获取管壁轴向温度分布、温差及管外相变换热的效果，以便为工业反应管设计提供数据和评价各种反应管的取热与温控效果；
蒸发容器，盛装有对所述放热式反应管模拟组件进行沸腾相变冷却的冷却工质；
冷却工质温控系统，用于控制所述冷却工质的温度；
稳液防冲挡板，用于防止冷却工质温控系统引起的冷却工质的流动对所述反应管换热效果造成影响；
反应管固定装置，用于将所述反应管固定在所述蒸发容器的冷却工质中；
冷凝和压力调节系统，用于冷凝回流所述蒸发容器中产生的蒸汽，并监控该蒸汽的压力；
液位监控装置，用于监控所述蒸发容器内的冷却工质的液位；及数据采集系统，用于测量、采集并监控所述冷却工质的压力、温度和被测反应管的表面温度；
所述放热式反应管模拟组件包括：电连接直流稳压电源的加热棒，加热棒做成一整体；及一套在所述加热棒外面的测试表面管，所述测试表面管与所述加热棒呈间隙配合，在间隙中填充有导热胶；为准确的测量测试表面管的壁温，所述测试表面管分成若干段套在所述加热棒上，在每一段测试表面管的两端管壁厚中间部位加工有若干个深的孔，在加工的孔中埋有测温热电偶；测试表面管的段与段间填有导热胶，以使各段接触良好；所述放热式反应管模拟组件的两个头端均进行绝热处理，防止热量从两端散失。
2.如权利要求1所述的一种放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统，其特征在于，加热棒设计具有两种方式，其通过控制缠绕的加热丝的疏密来实现；一种是热电丝沿加热棒轴向均匀地缠绕，保证沿加热棒轴向产热均匀，用于模拟理想状态下沿反应管轴向均匀放热的情况；另一种是热电丝沿加热棒轴向分数段均匀缠绕，每一段缠绕的热电丝疏密不同，使得沿加热棒轴向分段产热均匀而段与段间产热不同，用于模拟实际情况中沿反应管轴向变热流密度的工况。
3.如权利要求1所述的一种放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统，其特征在于，蒸发容器为密封的不锈钢制圆筒容器，容器外敷设有保温材料。
4.如权利要求1所述的一种放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统，其特征在于，所述冷却工质温控系统包括：电源控制与测量装置，用于控制输入制冷工质的电功率；及一组置于制冷工质中的辅助加热器。
5.如权利要求4所述的一种放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统，其特征在于，所述的辅助加热器做成螺旋型，均匀地垂直布置于蒸发容器内。
6.如权利要求4所述的一种放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统，其特征在于，所述稳液防冲挡板位于辅助加热器与测试放热式反应管模拟组件间，稳液防冲挡板为加工有许多均匀小孔的不锈钢圆筒。
7.如权利要求1所述的一种放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统，其特征在于，所述反应管固定装置垂直的固定在蒸发容器顶盖的中心，其顶端带有夹紧装置用于和所述反应管模拟组件固接。
8.如权利要求1所述的一种放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统，其特征在于，所述冷凝和压力调节系统包括：冷凝器，所述冷凝器通过数根管路与所述蒸发容器相通，蒸发容器内产生的蒸汽通过冷凝器入口管路进入冷凝器冷凝为液态后，通过降液管流回蒸发容器内；压力传感器，设置在冷凝器蒸汽入口端管路附近；
所述冷凝器的降液管路设有与大气连通、用于排出不凝性气体的阀门。
9.如权利要求1所述的一种放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统，其特征在于，所述液位监控装置为透明的连通管，两端分别连通于蒸发容器的顶部和底部，清晰的显示液位高度。
10.如权利要求1所述的一种放热式管式反应器相变取热与温控效果的测试系统，其特征在于，所述数据采集系统包括若干布置于冷却工质中的热电偶和与所述放热式反应管模拟组件的测试表面管相连接的热电偶，分别用于采集冷却工质和所述反应管表面的温度信号；热电偶利用温差电动势的测量原理采集温度信号，并将信号输出到数据采集器；
所述数据采集系统还包括数据采集器；
所述数据采集器还电相连PC机。
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