实验装置用夹套汽包取热反应器系统的制作方法

本发明涉及一种实验装置用夹套汽包取热反应器系统，属于汽包取热技术领域。

背景技术：

对于中小型实验装置中的强放热等温反应来说，如何快速撤热、维持恒定的反应器温度是装置设计的难点和实验成功的关键点，采用传统的直接电加热方式，能使反应达到引发温度，但反应产生的热无法及时移出，必然产生反应飞温现象。因而出现了盐浴、油浴、水浴(汽包)等移热方式，盐浴、油浴利用熔盐或导热油温升的显热移取反应器的热量，需要大量的熔盐和导热油吸热才能保证体系较小的温升，从而导致加热、保温、循环系统复杂，系统造价高，且受熔盐和导热油的物性限制，适用的温度范围有限。工业上对于强放热反应体系，常常采用汽包取热方式。由于水汽化潜热大，汽化过程温度稳定，换热效率高，可以快速将反应热吸收，相变后的蒸汽再通过换热器冷凝回流，快速将反应热转移到冷却水中，具有体系小巧、效率高、温度平稳性好等特点。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：如何在快速撤热、维持恒定的反应器温度的基础上，简化反应器系统的体系结构，提高反应热的转移效率，温度平稳性好，降低成本。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种实验装置用夹套汽包取热反应器系统，其特征在于，包括反应器部分、蒸汽冷凝回流及汽包压控部分、饱和水循环部分以及可在系统运行前注入去离子水或在系统运行过程中补充损失水的夹套补水部分，反应器部分分别与蒸汽冷凝回流及汽包压控部分、饱和水循环部分和夹套补水部分连接；反应器部分包括配套有外部电炉的夹套反应器，夹套反应器的内外分别设有反应器内外测温元件，夹套反应器内设有液位检测元件；蒸汽冷凝回流及汽包压控部分包括蒸汽冷凝器，蒸汽冷凝器内设有冷凝器内测温元件，蒸汽冷凝器的出口管线连接有压力补偿气体减压管路，蒸汽冷凝器上设有压力检测仪表，压力检测仪表压力调节阀组成系统压力自动控制回路；饱和水循环部分包括饱和水循环泵、泵出口压力表、进出口，进出口分别与夹套反应器上夹套的连接管线接通。

优选地，所述的夹套反应器上设有根据夹套反应器的高度分成多段控温的外部电炉。

优选地，所述的夹套反应器包括筒体、承受汽包压力的夹套、外部电炉，夹套固定在筒体的外壁上，夹套的外侧设有外部电炉。

优选地，所述的筒体的上部设有上封头和上进料口，上进料口设于上封头的下方，筒体的下部设有下封头、下出料口，下出料口设于下封头的上方，筒体的顶端设有管芯测温口，上进料口和下出料口均与筒体接通；夹套的上部设有上饱和水进出口、蒸汽出口、液位计低压端连接口，夹套的下部设有下饱和水进出口、液位计高压端连接口、夹套测温口，下饱和水进出口和上饱和水进出口均与夹套接通；液位检测元件为液位计，夹套上设有带远传和现场显示的液位计。

优选地，所述的反应器内外测温元件包括管芯测温元件、夹套测温元件、夹套顶部管口测温元件、夹套底部管口测温元件；管芯测温元件设于夹套反应器的内部，夹套测温元件设于夹套反应器的夹套内，夹套顶部管口测温元件设于夹套反应器的夹套顶部管口上，夹套底部管口测温元件设于夹套反应器的夹套底部管口上。

优选地，所述的管芯测温元件和夹套测温元件为可以检测不同高度的温度的多点热偶。

优选地，所述的蒸汽冷凝器为列管换热器或板式换热器；蒸汽冷凝器包括换热管、下封头、上封头，下封头和上封头分别设于换热管的两端；下封头上设有气相连通口、液相回流口、排净口、测温口，上封头上设有气体进出口、压力传感器安装口、测温口；换热管的两端分别设有冷水进口和冷水出口。

优选地，所述的冷凝器内测温元件包括检测蒸汽冷凝器内冷凝液体温度的下封头测温元件、检测蒸汽冷凝器内气相温度的上封头测温元件；压力检测仪表固定在蒸汽冷凝器的上封头或出口管线上，压力检测仪表包括现场压力表和远传压力传感器；远传压力传感器与压力调节阀组成系统压力自动控制回路，其控制值为夹套温度对应的水的饱和压力；压力补偿气体减压管路至少包括气源总阀、减压阀及连接管线，与蒸汽冷凝器的上封头出口管线相通；蒸汽冷凝器出口管线上设有安全阀。

优选地，所述的饱和水循环部分还包括切换阀门，切换阀门包括饱和水循环泵的出口与夹套反应器上夹套的上下进出口连接管线上的第一手阀、第二手阀以及夹套反应器上夹套的上下进出口与饱和水循环泵的入口连接管线上的第三手阀、第四手阀、泵入口切断阀。

优选地，所述的夹套补水部分包括水罐、补水泵、泵入口切断阀、过滤器、出口压力表、卸荷阀、切断阀、单向阀，水罐通过泵入口切断阀、过滤器与补水泵一端连接，补水泵另一端依次通过卸荷阀、出口压力表、切断阀与单向阀的一端连接，单向阀的另一端连接夹套反应器的夹套。

本发明提出一种实验装置用夹套汽包取热反应器系统，通过压力补偿气体控制夹套内水的压力，使其对应的水饱和温度接近反应温度，通过外部电炉将夹套内水加热到饱和温度，该温度接近反应温度，反应引发后产生的大量热通过夹套内水的汽化吸收，汽化的蒸汽被夹套出口换热器冷凝回流，从而实现反应热转移过程。由于水的换热效率高、汽化热大，且汽化过程温度不变，从而保证反应器内温度恒定，解决了强放热反应器的撤热问题，尤其适合中小型实验装置。

附图说明

图1为一种实验装置用夹套汽包取热反应器系统的原理图；

图2为夹套汽包反应器及其配套的外部电炉原理图；

图3为蒸汽冷凝器的原理图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明为一种实验装置用夹套汽包取热反应器系统，如图1所示，其包括反应器部分、蒸汽冷凝回流及汽包压控部分、饱和水循环部分、夹套补水部分，反应器部分分别与蒸汽冷凝回流及汽包压控部分、饱和水循环部分和夹套补水部分连接。

反应器部分由夹套反应器r-100及其配套的外部电炉、夹套反应器r-100内外的反应器内外测温元件、夹套反应器r-100内的液位检测元件等仪表和管路组成。

夹套反应器r-100的外部电炉根据夹套反应器r-100的高度分成多段控温；夹套反应器r-100及其配套的外部电炉的原理图如图2所示，夹套反应器由筒体1-1、夹套1-2、外部电炉1-3组成，夹套1-2直接焊接在筒体1-1外壁上，承受汽包压力；夹套1-2的外侧设有外部电炉1-3。筒体1-1上设有上封头1-4、下封头1-5、用于反应原物料进入的上进料口1-6、用于反应产物排出的下出料口1-7、管芯测温口1-11，上封头1-4和上进料口1-6均设于筒体1-1的上部，上进料口1-6设于上封头1-4的下方，下封头1-5、下出料口1-7均设于筒体1-1的下部，下出料口1-7设于下封头1-5的上方，管芯测温口1-11设于筒体1-1的顶端，上进料口1-6和下出料口1-7均与筒体1-1接通；夹套上设有下饱和水进出口1-8、上饱和水进出口1-9、蒸汽出口1-10、液位计高压端连接口1-13、液位计低压端连接口1-14、夹套测温口1-12，夹套1-2的上部设有上饱和水进出口1-9、蒸汽出口1-10、液位计低压端连接口1-14，夹套1-2的下部设有下饱和水进出口1-8、液位计高压端连接口1-13、夹套测温口1-12，下饱和水进出口1-8和上饱和水进出口1-9均与夹套1-2接通。

反应器内外测温元件包括管芯测温元件te-101、夹套测温元件te-102、夹套顶部管口测温元件te-103、夹套底部管口测温元件te-104，其中管芯测温元件te-101和夹套测温元件te-102可以选择为多点热偶，可以检测不同高度的温度。管芯测温元件te-101设于夹套反应器r-100的内部，夹套测温元件te-102设于夹套反应器r-100的夹套1-2内，夹套顶部管口测温元件te-103设于夹套反应器r-100的夹套1-2顶部管口上，夹套底部管口测温元件te-104设于夹套反应器r-100的夹套1-2底部管口上。液位检测元件为液位计dpt-100，夹套反应器r-100的夹套1-2上设有带远传和现场显示的液位计dpt-100，实时检测夹套1-2内的饱和水高度。在夹套1-2的低点设有排净管线和第一排净阀门hv-100。

蒸汽冷凝回流及汽包压控部分由蒸汽冷凝器he-200、设于蒸汽冷凝器he-200内的冷凝器内测温元件、压力补偿气体减压管路、压力检测仪表及压控调节阀组成的压控回路、系统安全阀等设备、仪表及管路组成。

蒸汽冷凝器he-200为列管换热器或板式换热器，倾斜或竖直安装，原理图如图3所示，包括换热管2-1、下封头2-2、上封头2-3，下封头2-2和上封头2-3分别设于换热管2-1的两端，下封头2-2上设有气相连通口2-4、液相回流口2-5、排净口2-6、测温口2-7，上封头2-3上设有气体进出口2-8、压力传感器安装口2-9、测温口2-10；换热管2-1的两端分别设有冷水进口2-11和冷水出口2-12。

冷凝器内测温元件包括下封头测温元件te-201和上封头测温元件te-202，下封头测温元件te-201用于检测蒸汽冷凝器he-200内冷凝液体的温度，上封头测温元件te-202用于检测蒸汽冷凝器he-200内气相的温度，下封头测温元件te-201设于下封头2-2上，上封头测温元件te-202设于上封头2-3上。下封头2-2上设有第二排净阀门hv-201。压力检测仪表安装在蒸汽冷凝器he-200的上封头2-3或出口管线上，压力检测仪表包括现场压力表pi-201和远传压力传感器pt-200；远传压力传感器pt-200与压力调节阀pv-200组成系统压力自动控制回路，其控制值为夹套1-2温度对应的水的饱和压力。压力补偿气体减压管路至少包括控制压力补偿气体进入的气源总阀hv-202、减压阀pcv-201及连接管线，与冷凝器上封头出口管线相通，当系统压力低于设定值时，自动补入惰性气体。冷凝器出口管线上设有安全阀psv-200，作为系统安全阀，起到系统超压自动卸荷、保障安全的作用。

饱和水循环部分由饱和水循环泵p-300、泵出口压力表pi-300、进出口与夹套反应器r-100上夹套的连接管线及切换阀门组成，切换阀门包括饱和水循环泵p-300的出口与夹套反应器r-100上夹套的上下进出口连接管线上的第一手阀hv-302、第二手阀hv-303以及夹套反应器r-100上夹套的上下进出口与饱和水循环泵p-300的入口连接管线上的第三手阀hv-304、第四手阀hv-305、泵入口切断阀hv-301。通过阀门切换，夹套内的饱和水循环时可上进下出，也可下进上出。

夹套补水部分由水罐t-400、补水泵p-410、泵入口切断阀hv-401、过滤器f-410、出口压力表pi-410、卸荷阀psv-410、切断阀hv-402、单向阀ck-410组成，水罐t-400通过泵入口切断阀hv-401、过滤器f-410与补水泵p-410一端连接，补水泵p-410另一端依次通过卸荷阀psv-410、出口压力表pi-410、切断阀hv-402与单向阀ck-410的一端连接，单向阀ck-410的另一端连接夹套反应器r-100的夹套。夹套补水部分可在开工前将夹套中注入去离子水，也可在系统运行过程中补充损失的水。

pic-200表示通过远传压力传感器pt-200的信号自动控制压力调节阀pv-200的开度，这是行业内常用的符号，表示这是一个压力控制系统。

本发明的工作过程如下：

夹套反应器r-100的筒体1-1外夹套1-2的汽包中的水处于饱和状态，其温度为汽包压力对应下的饱和温度，当反应放出热量，饱和水吸收热量，由液态变成气态，消耗了反应热，但由于夹套1-2中的水储量大，气化的水只是部分，故夹套1-2内水的温度稳定，从而保证反应器床层温度稳定。夹套1-2中的饱和水取热后，蒸汽朝蒸汽冷凝器he-200流动，经换热器2-1冷凝后回流；当反应器夹套1-2液位低于报警值时，补水泵p-410自动启动补加。为了增强夹套1-2内外的换热效果，饱和水循环部分可实现夹套1-2中的饱和水正、逆方向强制外循环，即夹套1-2中的饱和水可自上而下流动，也可自下而上流动。反应器夹套1-2外设有外部电炉1-3，一方面在反应起始阶段将反应器的筒体1-1及夹套1-2内水加热到设定温度，另一方面在反应阶段为反应器保温，同时还可用于反应器高温工作条件下的直接加热，但此时需要将夹套1-2中的水通过底部第一排净阀门hv-100排净。