孙鹏芸 张林东
烟台中瑞化工有限公司，山东烟台 265200
摘要：探究氯化反应体系传热特性与关键操作参数间的定量关系，为工艺优化及安全设计提供依据。以氯苯氯化体系为对象，搭建夹套冷却反应装置，考察搅拌转速、氯气进料速率对传热系数及温度分布的影响，传热系数随转速升高先增大后趋缓，350 r/min为适宜区间；进料速率超260～280 mL/min后传热失衡，热点温度较主体高8～15℃；变频进料结合分段控温使温度波动降至±1.4℃，收率提高6.3个百分点。搅拌与进料速率是决定传热效率与安全性的关键参数，协同调控可显著改善反应性能。
关键词：氯化反应；传热特性；工艺调控；反应釜
Study of Heat Transfer Characteristics and Process Control in the Chlorination Reaction Process
Sun Pengyun, Zhang Lindong
Yantai Zhongrui Chemical Co., Ltd., Yantai, Shandong， 265200
Abstract: This study investigates the quantitative relationship between the heat transfer characteristics of a chlorination reaction system and its key operating parameters, providing a basis for process optimization and safety design. Using the chlorobenzene chlorination system as a case study, a jacketed cooling reactor was constructed to examine the effects of stirring speed and chlorine feed rate on the heat transfer coefficient and temperature distribution. The heat transfer coefficient increases initially with rising stirring speed before slowing down; 350 r/min is identified as the optimal operating range. When the feed rate exceeds 260–280 mL/min, heat transfer becomes unbalanced, resulting in hot spot temperatures that are 8–15 °C higher than the bulk temperature. By employing variable-frequency feeding combined with segmented temperature control, temperature fluctuations were reduced to ±1.4 °C, while the yield increased by 6.3 percentage points. Stirring and feed rate are critical parameters determining both heat transfer efficiency and operational safety; their synergistic regulation can significantly enhance reaction performance.
Keywords: chlorination reaction; heat transfer characteristics; process control; reactor
引言：
氯化反应是精细化工与医药、农药中间体合成中广泛应用的单元反应，放热强度大、副反应敏感，传热不足易形成局部过热，导致选择性下降甚至安全事故。氯化工艺相关热失控事故在精细化工事故中占比较高，根源多在于传热特性认识不足与参数设计不合理，传统设计依赖经验传热系数，忽视搅拌强度、进料速率等动态影响，致使工艺放大常出现失控问题。基于此，本研究以典型液相氯化体系为对象，测定传热系数变化规律与局部热点分布特征，并提出调控策略，为反应器优化设计提供依据。
1 材料与方法
1.1 实验原料与试剂
实验以氯苯氯化制备对二氯苯及邻二氯苯体系为研究对象，主原料氯苯购自国内某化工试剂公司，纯度≥99.5%，使用前会经过分子筛干燥处理，使得含水量控制在50 ppm以下。而氯化剂选用的是工业级液氯，在经过钢瓶减压之后，借助流量计进行计量，进而进入到反应体系当中，纯度≥99.6%。催化剂选取的是无水三氯化铁，属于分析纯，用量是氯苯质量的0.3%～0.5%，反应溶剂为二氯甲烷，是分析纯，用于对体系的黏度、传热性能加以调节，另外，实验还配备了氢氧化钠溶液（质量分数10%），用于尾气吸收，避免氯化氢与未反应氯气外逸。
1.2 实验装置
实验装置以2 L夹套式玻璃反应釜为核心，配备锚式搅拌桨，搅拌转速可以在0～600 r/min范围内进行连续调节，同时由变频电机来进行精确控制。反应釜夹套内通入恒温导热油，高低温循环装置可以提供-20到150℃范围的冷却和加热介质，以此来达到温度精确调节的目的[1]。釜内配置有可拆卸的螺旋盘管，该盘管起到辅助换热面的作用，用来提高局部传热能力的测试效果，温度监测使用四点式Pt100铂电阻温度传感器，该传感器分别布置在釜底、釜壁、盘管出口和气液界面附近，并与多通道数据采集仪配合进行实时记录，采样频率为1 Hz[2]。氯气进料管路装有质量流量控制器，可以对0～500 mL/min范围内的进料速率进行精确调节，并和温度信号进行联动，以达到变频进料控制的目的。
1.3 实验方法
传热系数测定采用瞬态升温法，利用夹套冷却水进出口温差和流量来计算总传热系数，并且把釜内温度响应曲线进行拟合，从而分析釜内表观传热系数随时间发生的变化规律。温度场分布测定利用四点温度传感器同步采集数据，绘制釜内轴向和径向温度分布云图，识别局部热点区域及其温度梯度[3]。工艺调控实验分别设置恒定进料、分段控温和变频进料三种操作方式，在相同反应转化率条件下，比较不同调控策略下温度波动幅度、传热效率和产物收率，每组实验重复三次来保证数据可靠性，实验数据以平均值加减标准差的形式记录。
2 结果与分析
2.1 搅拌转速对反应体系传热系数的影响
搅拌转速直接影响釜内流体循环、边界层厚度及换热面更新速率产生影响，属于决定氯化反应传热效率的关键参数。实验在100～600 r/min范围内探究总传热系数K的变化状况。结果呈现出，伴随转速提高，K值总体先是快速增加，随后逐渐趋于平缓的特性，不同代表性转速下的传热性能如表1所示。
表1 不同搅拌转速下反应体系传热性能变化
相对增
传热特征
搅拌转速/(r·min-1)
总传热系数K/[W/(m2·K)]
幅/%
100
182
—
搅拌较弱，边界层传热阻力较大
350
347
90.7
流体混合增强，传热强化明显
600
368
6.1*
传热增长趋缓，继续强化效果有限
注：*6.1%为600 r/min相对于350 r/min的增幅。
由表1可见，当搅拌转速由100 r/min提高至350 r/min时，总传热系数由182 W/(m²·K)增加至347 W/(m2·K)，增幅达到90.7%，这表明提高搅拌强度可以有效破坏釜壁附近稳定的液膜，减小边界层的传热阻力，并且强化主体流体与换热面之间的热交换。当转速进一步提高到600 r/min时，K值仅仅增加到了368 W/(m²·K)，相比350 r/min提高6.1%，传热强化的作用明显变得缓慢。此时，体系的传热限制逐渐从液膜阻力转向反应釜的换热面积、结构条件，继续提高转速不但增益很少，还会增加搅拌的能耗、机械负荷，综合考虑传热效率和运行经济性，350～400 r/min可以作为该体系比较适宜的搅拌转速区间。
2.2 氯气进料速率对瞬时放热及温度波动的影响
氯气进料速率是决定反应瞬时放热强度的核心因素，实验设定进料速率设定为100、200、300、400 mL/min，并测定釜内主体温度的波动幅度，实验结果表明，当进料速率处于100到250 mL/min范围内时，釜内温度波动能够被控制在±1.0℃以内。在300 mL/min以上进料速率条件下，温度波动幅度明显增加，400 mL/min时最大瞬时温升达到4.7℃，温度回稳时间由约90 s延长到210 s。不同氯气进料速率下反应体系的动态温度响应特征如图1所示。
图1 不同氯气进料速率下反应体系温度响应特征图
由图1可见，随着氯气进料速率由100 mL/min提高至400 mL/min，温度响应峰值慢慢升高，并且衰减过程变得明显缓慢，说明体系瞬时放热强度一直在持续增强。当进料速率超过约260～280 mL/min之后，放热速率和移热速率之间的失衡更加显著，这与之前提到的实验结果相符，也表明控制进料上限对于维持反应温度稳定有着重要意义。进料速率过高还会让局部热点持续时间增加，从而对反应选择性、运行安全性产生不利影响。
2.3 反应釜内局部热点分布特征
2.3.1 不同区域温度场分布特征
反应釜内温度场受氯气分散、搅拌混合及换热面位置等多方面因素的影响，呈现出一定的空间非均匀性特征。实验当中运用四点式Pt100铂电阻温度传感器，对釜底、釜壁、盘管出口、气液界面附近的温度进行同步采集，采样的频率是1Hz，从结果能够看出，在进料负荷比较低的时候，各个测点之间的温差较小，主体区域的温度分布相对均匀。随着氯化反应不断持续进行，氯气分布器出口附近因为气液接触频繁且反应速率较高，所以温度上升的速度要快于釜壁、釜底区域。搅拌桨叶尖附近同样受到局部传质强化、反应放热集中等影响，也容易出现温度较高的区域，而靠近夹套及盘管的区域由于移热条件比较好，温度相对较低，这表明反应釜内部存在着明显的径向与局部温度梯度。
2.3.2 进料速率对热点演化的影响
氯气进料速率提高会直接增加单位时间内反应物供给量，使瞬时放热强度上升，并改变釜内热点的分布范围、温差水平。当进料速率处于100～250 mL/min时，体系整体温度波动能够控制在±1.0 ℃以内，局部高温区域范围较小，釜内温度场相对稳定，当进料速率超过约260～280 mL/min后，反应放热速率逐渐超过现有换热能力，热点开始从氯气分布器出口向搅拌桨叶尖附近扩展。如图2所示，在不同进料工况下，釜内热点的位置和强度存在明显差异。随着进料负荷继续增大，局部高温区持续时间延长，径向温度梯度增大，这表明传质强化带来的反应放热增量已超过夹套及盘管的即时移热能力。
图2 反应釜内局部热点分布特征示意图
由图2可见，在进料速率350 mL/min、搅拌转速300 r/min条件下，局部热点温度比主体区域高出8～15 ℃，并且高温区面积明显扩大。持续提高进料负荷会让热量积聚变得更加突出，还会进一步延长局部高温区域的消散时间，使得副反应发生的概率增大、温度失控的风险提高。所以，合理地限制氯气进料速率，并且让其与体系实际换热能力相匹配，是控制热点扩展、改善釜内温度均匀性、保障氯化反应稳定运行的重要举措。
2.3.3 局部热点形成机制与热失控风险
局部热点的形成主要与反应放热、气液传质和部移热能力之间的不匹配有关，可从三个方面分析：
（1）氯气由分布器进入液相后，在出口附近会形成较高的局部浓度，气液接触强化让氯化反应速率提高，单位体积放热量随之增加；
（2）搅拌桨叶尖附近流体剪切与湍动较强，虽然有利于传质，但反应热释放同样更加集中，当热量不能及时传递至夹套或盘管时就会形成高温区；
（3）当进料速率超过体系换热能力后，放热与移热失衡加剧，局部高温会促进连续氯化及多氯代副反应，使副产物比例增加。
若热点持续扩展，还可能引起温度快速上升和反应失控，所以应通过限制进料上限、强化搅拌及动态控温来降低热积聚风险。
2.4 工艺调控前后传热效率与产物质量对比
2.4.1 恒定进料条件下反应性能分析
恒定进料作为对照工况，氯气以固定速率连续进入反应体系，进料强度不能依据釜内瞬时温度、换热能力进行动态调整。当反应进入到快速氯化阶段以后，单位时间内反应放出的热量增多，夹套、盘管移热存在一定的滞后现象，致使釜内温度出现比较明显的波动。实验结果表明，在该情形下温度波动幅度达到±4.7 ℃，表观传热系数K为312 W/(m2·K)，目标产物收率为78.4%，副产物比例为9.6%，较大的温度波动容易致使局部区域出现热量积聚，特别是在氯气分布器出口、桨叶尖附近形成高温区域，从而促进连续氯化、多氯代副反应。恒定进料虽然控制方式比较简单，但是在较高反应负荷下很难实现放热速率与移热速率的动态匹配，可作为评价后续工艺调控效果的基准工况。
2.4.2 分段控温对传热性能的改善作用
分段控温根据氯化反应不同阶段的放热特征调整换热介质温度，使反应初期、中期、后期的移热能力与实际热负荷更为契合。在实验条件下采用分段控温后，体系温度波动从恒定进料时的±4.7℃降低到±2.6℃，降幅大约为44.7%，表观传热系数由312 W/(m²·K)提高至335 W/(m2·K)，增幅约为7.4%，同时，目标产物收率从78.4%提高至82.1%，副产物比例从9.6%下降到7.2%。结果表明，通过在高放热阶段强化冷却、在反应后期适当降低冷却强度，能够减小釜内温度变化速率，缓解局部热量积聚，并且改善传热驱动力的利用效率，不过氯气进料速率依旧保持相对固定，其对瞬时放热负荷的主动调节能力有限，所以仍存在进一步优化的空间。
2.4.3 变频进料与分段控温协同调控效果
在分段控温基础上引入变频进料，可根据釜内温度变化动态调节氯气供给强度，使反应物输入速率、瞬时放热速率同系统移热能力构成协同关系。要对不同调控方式的作用效果进行定量评价，便需对比三种工况下的关键性能参数，其结果如表2所示。
表2 不同工艺调控方式下反应体系性能对比
调控方式
温度波动幅度(℃)
表观传热系数K [W/(m2·K)]
目标产物收率(%)
副产物比例(%)
恒定进料（对照）
±4.7
312
78.4
9.6
分段控温
±2.6
335
82.1
7.2
变频进料+分段控温
±1.4
351
84.7
5.5
由表2可见，变频进料与分段控温协同进行后，温度波动降低至±1.4 ℃，相比恒定进料减少约70.2%，表观传热系数提高至351 W/(m2·K)，比起对照提高约12.5%。目标产物收率达到84.7%，提高6.3个百分点，副产物比例降低到5.5%，降低4.1个百分点。其主要原因是进料端能够根据温度变化及时调整氯气输入，降低高放热阶段的瞬时热负荷，而且分段控温持续强化热量移出，抑制局部热点扩展，协同调控兼顾传热效率、反应选择性与操作稳定性，更适合作为氯化工艺优化和安全放大的控制方式。
3 讨论
研究表明，搅拌转速350 r/min后传热系数增长趋缓，源于传热控制由边界层阻力转向传热面积限制；氯气进料速率超过260～280 mL/min时放热与移热失衡，是局部热点集中于分布器出口与桨叶尖区域的主因[4]。分段控温与变频进料协同调控通过实时匹配放热与移热速率，有效抑制热点形成，改善传热效率与产品质量，对氯化反应器工业放大具有重要参考价值，但仍需结合CFD模拟等手段进一步验证[5]。
综上，本研究揭示了氯化反应传热特性与工艺参数的定量关系，所提调控策略为工艺优化与安全放大提供了依据。
参考文献
李明,贺宇航,陈文凯,等. 非等温微观混合E模型及其在丙烯高温氯化反应中的热质耦合机理研究[J/OL].化工学报,1-16[2026-08-03].
张越,蒋达华,何尤佳,等. 氯化盐纳米复合相变材料的热物性及腐蚀研究进展[J/OL].化工新型材料,1-7[2026-08-03].
朱明,郑侠,孙旭宁,等. 基于Li2SO4体系电解质的热电池用氯化镍正极性能研究[J].电源技术,2025,49(12):2626-2630.
石宁宁,赵广,周涛. 化工工艺氯化反应的重点监管与分类探讨[J].化工管理,2024,(17):150-153.
贾志远,刘嵩,杨林涛,等. 微通道技术在氯化反应工艺中的应用[J].染料与染色,2021,58(2):49-54.
作者简介：孙鹏芸（1986.11），女，汉族，山东烟台人，学历本科，中级注册安全工程师，研究方向：氟化、氯化工艺。
孙鹏芸 张林东
烟台中瑞化工有限公司，山东烟台 265200
摘要：探究氯化反应体系传热特性与关键操作参数间的定量关系，为工艺优化及安全设计提供依据。以氯苯氯化体系为对象，搭建夹套冷却反应装置，考察搅拌转速、氯气进料速率对传热系数及温度分布的影响，传热系数随转速升高先增大后趋缓，350 r/min为适宜区间；进料速率超260～280 mL/min后传热失衡，热点温度较主体高8～15℃；变频进料结合分段控温使温度波动降至±1.4℃，收率提高6.3个百分点。搅拌与进料速率是决定传热效率与安全性的关键参数，协同调控可显著改善反应性能。
关键词：氯化反应；传热特性；工艺调控；反应釜
Study of Heat Transfer Characteristics and Process Control in the Chlorination Reaction Process
Sun Pengyun, Zhang Lindong
Yantai Zhongrui Chemical Co., Ltd., Yantai, Shandong， 265200
Abstract: This study investigates the quantitative relationship between the heat transfer characteristics of a chlorination reaction system and its key operating parameters, providing a basis for process optimization and safety design. Using the chlorobenzene chlorination system as a case study, a jacketed cooling reactor was constructed to examine the effects of stirring speed and chlorine feed rate on the heat transfer coefficient and temperature distribution. The heat transfer coefficient increases initially with rising stirring speed before slowing down; 350 r/min is identified as the optimal operating range. When the feed rate exceeds 260–280 mL/min, heat transfer becomes unbalanced, resulting in hot spot temperatures that are 8–15 °C higher than the bulk temperature. By employing variable-frequency feeding combined with segmented temperature control, temperature fluctuations were reduced to ±1.4 °C, while the yield increased by 6.3 percentage points. Stirring and feed rate are critical parameters determining both heat transfer efficiency and operational safety; their synergistic regulation can significantly enhance reaction performance.
Keywords: chlorination reaction; heat transfer characteristics; process control; reactor
引言：
氯化反应是精细化工与医药、农药中间体合成中广泛应用的单元反应，放热强度大、副反应敏感，传热不足易形成局部过热，导致选择性下降甚至安全事故。氯化工艺相关热失控事故在精细化工事故中占比较高，根源多在于传热特性认识不足与参数设计不合理，传统设计依赖经验传热系数，忽视搅拌强度、进料速率等动态影响，致使工艺放大常出现失控问题。基于此，本研究以典型液相氯化体系为对象，测定传热系数变化规律与局部热点分布特征，并提出调控策略，为反应器优化设计提供依据。
1 材料与方法
1.1 实验原料与试剂
实验以氯苯氯化制备对二氯苯及邻二氯苯体系为研究对象，主原料氯苯购自国内某化工试剂公司，纯度≥99.5%，使用前会经过分子筛干燥处理，使得含水量控制在50 ppm以下。而氯化剂选用的是工业级液氯，在经过钢瓶减压之后，借助流量计进行计量，进而进入到反应体系当中，纯度≥99.6%。催化剂选取的是无水三氯化铁，属于分析纯，用量是氯苯质量的0.3%～0.5%，反应溶剂为二氯甲烷，是分析纯，用于对体系的黏度、传热性能加以调节，另外，实验还配备了氢氧化钠溶液（质量分数10%），用于尾气吸收，避免氯化氢与未反应氯气外逸。
1.2 实验装置
实验装置以2 L夹套式玻璃反应釜为核心，配备锚式搅拌桨，搅拌转速可以在0～600 r/min范围内进行连续调节，同时由变频电机来进行精确控制。反应釜夹套内通入恒温导热油，高低温循环装置可以提供-20到150℃范围的冷却和加热介质，以此来达到温度精确调节的目的[1]。釜内配置有可拆卸的螺旋盘管，该盘管起到辅助换热面的作用，用来提高局部传热能力的测试效果，温度监测使用四点式Pt100铂电阻温度传感器，该传感器分别布置在釜底、釜壁、盘管出口和气液界面附近，并与多通道数据采集仪配合进行实时记录，采样频率为1 Hz[2]。氯气进料管路装有质量流量控制器，可以对0～500 mL/min范围内的进料速率进行精确调节，并和温度信号进行联动，以达到变频进料控制的目的。
1.3 实验方法
传热系数测定采用瞬态升温法，利用夹套冷却水进出口温差和流量来计算总传热系数，并且把釜内温度响应曲线进行拟合，从而分析釜内表观传热系数随时间发生的变化规律。温度场分布测定利用四点温度传感器同步采集数据，绘制釜内轴向和径向温度分布云图，识别局部热点区域及其温度梯度[3]。工艺调控实验分别设置恒定进料、分段控温和变频进料三种操作方式，在相同反应转化率条件下，比较不同调控策略下温度波动幅度、传热效率和产物收率，每组实验重复三次来保证数据可靠性，实验数据以平均值加减标准差的形式记录。
2 结果与分析
2.1 搅拌转速对反应体系传热系数的影响
搅拌转速直接影响釜内流体循环、边界层厚度及换热面更新速率产生影响，属于决定氯化反应传热效率的关键参数。实验在100～600 r/min范围内探究总传热系数K的变化状况。结果呈现出，伴随转速提高，K值总体先是快速增加，随后逐渐趋于平缓的特性，不同代表性转速下的传热性能如表1所示。
表1 不同搅拌转速下反应体系传热性能变化
相对增 | 传热特征 |
搅拌转速/(r·min-1) | 总传热系数K/[W/(m2·K)] | 幅/% | |
100 | 182 | — | 搅拌较弱，边界层传热阻力较大 |
350 | 347 | 90.7 | 流体混合增强，传热强化明显 |
600 | 368 | 6.1* | 传热增长趋缓，继续强化效果有限 |
注：*6.1%为600 r/min相对于350 r/min的增幅。
由表1可见，当搅拌转速由100 r/min提高至350 r/min时，总传热系数由182 W/(m²·K)增加至347 W/(m2·K)，增幅达到90.7%，这表明提高搅拌强度可以有效破坏釜壁附近稳定的液膜，减小边界层的传热阻力，并且强化主体流体与换热面之间的热交换。当转速进一步提高到600 r/min时，K值仅仅增加到了368 W/(m²·K)，相比350 r/min提高6.1%，传热强化的作用明显变得缓慢。此时，体系的传热限制逐渐从液膜阻力转向反应釜的换热面积、结构条件，继续提高转速不但增益很少，还会增加搅拌的能耗、机械负荷，综合考虑传热效率和运行经济性，350～400 r/min可以作为该体系比较适宜的搅拌转速区间。
2.2 氯气进料速率对瞬时放热及温度波动的影响
氯气进料速率是决定反应瞬时放热强度的核心因素，实验设定进料速率设定为100、200、300、400 mL/min，并测定釜内主体温度的波动幅度，实验结果表明，当进料速率处于100到250 mL/min范围内时，釜内温度波动能够被控制在±1.0℃以内。在300 mL/min以上进料速率条件下，温度波动幅度明显增加，400 mL/min时最大瞬时温升达到4.7℃，温度回稳时间由约90 s延长到210 s。不同氯气进料速率下反应体系的动态温度响应特征如图1所示。
图1 不同氯气进料速率下反应体系温度响应特征图
由图1可见，随着氯气进料速率由100 mL/min提高至400 mL/min，温度响应峰值慢慢升高，并且衰减过程变得明显缓慢，说明体系瞬时放热强度一直在持续增强。当进料速率超过约260～280 mL/min之后，放热速率和移热速率之间的失衡更加显著，这与之前提到的实验结果相符，也表明控制进料上限对于维持反应温度稳定有着重要意义。进料速率过高还会让局部热点持续时间增加，从而对反应选择性、运行安全性产生不利影响。
2.3 反应釜内局部热点分布特征
2.3.1 不同区域温度场分布特征
反应釜内温度场受氯气分散、搅拌混合及换热面位置等多方面因素的影响，呈现出一定的空间非均匀性特征。实验当中运用四点式Pt100铂电阻温度传感器，对釜底、釜壁、盘管出口、气液界面附近的温度进行同步采集，采样的频率是1Hz，从结果能够看出，在进料负荷比较低的时候，各个测点之间的温差较小，主体区域的温度分布相对均匀。随着氯化反应不断持续进行，氯气分布器出口附近因为气液接触频繁且反应速率较高，所以温度上升的速度要快于釜壁、釜底区域。搅拌桨叶尖附近同样受到局部传质强化、反应放热集中等影响，也容易出现温度较高的区域，而靠近夹套及盘管的区域由于移热条件比较好，温度相对较低，这表明反应釜内部存在着明显的径向与局部温度梯度。
2.3.2 进料速率对热点演化的影响
氯气进料速率提高会直接增加单位时间内反应物供给量，使瞬时放热强度上升，并改变釜内热点的分布范围、温差水平。当进料速率处于100～250 mL/min时，体系整体温度波动能够控制在±1.0 ℃以内，局部高温区域范围较小，釜内温度场相对稳定，当进料速率超过约260～280 mL/min后，反应放热速率逐渐超过现有换热能力，热点开始从氯气分布器出口向搅拌桨叶尖附近扩展。如图2所示，在不同进料工况下，釜内热点的位置和强度存在明显差异。随着进料负荷继续增大，局部高温区持续时间延长，径向温度梯度增大，这表明传质强化带来的反应放热增量已超过夹套及盘管的即时移热能力。
图2 反应釜内局部热点分布特征示意图
由图2可见，在进料速率350 mL/min、搅拌转速300 r/min条件下，局部热点温度比主体区域高出8～15 ℃，并且高温区面积明显扩大。持续提高进料负荷会让热量积聚变得更加突出，还会进一步延长局部高温区域的消散时间，使得副反应发生的概率增大、温度失控的风险提高。所以，合理地限制氯气进料速率，并且让其与体系实际换热能力相匹配，是控制热点扩展、改善釜内温度均匀性、保障氯化反应稳定运行的重要举措。
2.3.3 局部热点形成机制与热失控风险
局部热点的形成主要与反应放热、气液传质和部移热能力之间的不匹配有关，可从三个方面分析：
（1）氯气由分布器进入液相后，在出口附近会形成较高的局部浓度，气液接触强化让氯化反应速率提高，单位体积放热量随之增加；
（2）搅拌桨叶尖附近流体剪切与湍动较强，虽然有利于传质，但反应热释放同样更加集中，当热量不能及时传递至夹套或盘管时就会形成高温区；
（3）当进料速率超过体系换热能力后，放热与移热失衡加剧，局部高温会促进连续氯化及多氯代副反应，使副产物比例增加。
若热点持续扩展，还可能引起温度快速上升和反应失控，所以应通过限制进料上限、强化搅拌及动态控温来降低热积聚风险。
2.4 工艺调控前后传热效率与产物质量对比
2.4.1 恒定进料条件下反应性能分析
恒定进料作为对照工况，氯气以固定速率连续进入反应体系，进料强度不能依据釜内瞬时温度、换热能力进行动态调整。当反应进入到快速氯化阶段以后，单位时间内反应放出的热量增多，夹套、盘管移热存在一定的滞后现象，致使釜内温度出现比较明显的波动。实验结果表明，在该情形下温度波动幅度达到±4.7 ℃，表观传热系数K为312 W/(m2·K)，目标产物收率为78.4%，副产物比例为9.6%，较大的温度波动容易致使局部区域出现热量积聚，特别是在氯气分布器出口、桨叶尖附近形成高温区域，从而促进连续氯化、多氯代副反应。恒定进料虽然控制方式比较简单，但是在较高反应负荷下很难实现放热速率与移热速率的动态匹配，可作为评价后续工艺调控效果的基准工况。
2.4.2 分段控温对传热性能的改善作用
分段控温根据氯化反应不同阶段的放热特征调整换热介质温度，使反应初期、中期、后期的移热能力与实际热负荷更为契合。在实验条件下采用分段控温后，体系温度波动从恒定进料时的±4.7℃降低到±2.6℃，降幅大约为44.7%，表观传热系数由312 W/(m²·K)提高至335 W/(m2·K)，增幅约为7.4%，同时，目标产物收率从78.4%提高至82.1%，副产物比例从9.6%下降到7.2%。结果表明，通过在高放热阶段强化冷却、在反应后期适当降低冷却强度，能够减小釜内温度变化速率，缓解局部热量积聚，并且改善传热驱动力的利用效率，不过氯气进料速率依旧保持相对固定，其对瞬时放热负荷的主动调节能力有限，所以仍存在进一步优化的空间。
2.4.3 变频进料与分段控温协同调控效果
在分段控温基础上引入变频进料，可根据釜内温度变化动态调节氯气供给强度，使反应物输入速率、瞬时放热速率同系统移热能力构成协同关系。要对不同调控方式的作用效果进行定量评价，便需对比三种工况下的关键性能参数，其结果如表2所示。
表2 不同工艺调控方式下反应体系性能对比
调控方式 | 温度波动幅度(℃) | 表观传热系数K [W/(m2·K)] | 目标产物收率(%) | 副产物比例(%) |
恒定进料（对照） | ±4.7 | 312 | 78.4 | 9.6 |
分段控温 | ±2.6 | 335 | 82.1 | 7.2 |
变频进料+分段控温 | ±1.4 | 351 | 84.7 | 5.5 |
由表2可见，变频进料与分段控温协同进行后，温度波动降低至±1.4 ℃，相比恒定进料减少约70.2%，表观传热系数提高至351 W/(m2·K)，比起对照提高约12.5%。目标产物收率达到84.7%，提高6.3个百分点，副产物比例降低到5.5%，降低4.1个百分点。其主要原因是进料端能够根据温度变化及时调整氯气输入，降低高放热阶段的瞬时热负荷，而且分段控温持续强化热量移出，抑制局部热点扩展，协同调控兼顾传热效率、反应选择性与操作稳定性，更适合作为氯化工艺优化和安全放大的控制方式。
3 讨论
研究表明，搅拌转速350 r/min后传热系数增长趋缓，源于传热控制由边界层阻力转向传热面积限制；氯气进料速率超过260～280 mL/min时放热与移热失衡，是局部热点集中于分布器出口与桨叶尖区域的主因[4]。分段控温与变频进料协同调控通过实时匹配放热与移热速率，有效抑制热点形成，改善传热效率与产品质量，对氯化反应器工业放大具有重要参考价值，但仍需结合CFD模拟等手段进一步验证[5]。
综上，本研究揭示了氯化反应传热特性与工艺参数的定量关系，所提调控策略为工艺优化与安全放大提供了依据。
参考文献
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张越,蒋达华,何尤佳,等. 氯化盐纳米复合相变材料的热物性及腐蚀研究进展[J/OL].化工新型材料,1-7[2026-08-03].
朱明,郑侠,孙旭宁,等. 基于Li2SO4体系电解质的热电池用氯化镍正极性能研究[J].电源技术,2025,49(12):2626-2630.
石宁宁,赵广,周涛. 化工工艺氯化反应的重点监管与分类探讨[J].化工管理,2024,(17):150-153.
贾志远,刘嵩,杨林涛,等. 微通道技术在氯化反应工艺中的应用[J].染料与染色,2021,58(2):49-54.
作者简介：孙鹏芸（1986.11），女，汉族，山东烟台人，学历本科，中级注册安全工程师，研究方向：氟化、氯化工艺。
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