再生塔熱虹吸再沸器優(yōu)化選型

李曉東 神華寧夏煤業(yè)集團有限責(zé)任公司煤制油項目指揮部 銀川 750411

張 信 航天長征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司 蘭州 730050

蒸發(fā)器或再沸器可以分成內(nèi)置式、釜式、臥式熱虹吸式、立式熱虹吸式、強制循環(huán)式等。臥式熱虹吸再沸器屬于殼側(cè)沸騰，為獲得均勻的流體分布，通常使用多個接管，這樣易造成管道系統(tǒng)復(fù)雜，增加設(shè)備價格，但換熱率高，易維修和清洗，可控性好，不易結(jié)垢;立式熱虹吸再沸器屬于管側(cè)沸騰，設(shè)備被直接安裝在塔旁，由于管線系統(tǒng)簡單，故設(shè)備造價低，換熱率大，不易結(jié)垢，占地面積小，可用于真空和低壓系統(tǒng)。為獲得良好循環(huán)，可能需要比較高的塔裙座高度。管長通常受塔裙座高度、傳熱面積的限制，維修和清洗困難，不能用于有過流量和突然脈動可能的系統(tǒng)，當(dāng)沸點有較高提升時會降低蒸汽發(fā)生率。

選擇再沸器的型式時，首先應(yīng)滿足工藝要求。本文討論用于再生塔的立式熱虹吸再沸器，利用熱介質(zhì)在殼側(cè)提供熱量將管側(cè)工藝流體加熱沸騰，作為自然循環(huán)的單元操作，動力來自與之相連的再生塔塔釜液位產(chǎn)生的靜壓頭和管內(nèi)流體的密度差。在工程設(shè)計時，要優(yōu)化設(shè)計再沸器的進出口管徑、換熱管長度、汽化率等，選擇合適的安裝高度以滿足操作要求。

1 工藝流體在換熱管內(nèi)的狀態(tài)變化

立式熱虹吸再沸器和臥式熱虹吸及罐式再沸器不同。立式熱虹吸再沸器的下段，由于受到液柱的靜壓力，處于未汽化狀態(tài)，稱為顯熱段，顯熱段屬于對流傳熱，因此應(yīng)和蒸發(fā)段分開考慮。因此，先了解工藝流體在換熱管內(nèi)加熱沸騰過程的詳細物理變化，將有助于熱虹吸換熱器的優(yōu)化設(shè)計。

可以將換熱管內(nèi)工藝物流分為6部分:①最下部是單相對流顯熱段，由于靜壓頭的存在，該區(qū)域的壓力大于流體飽和狀態(tài)的壓力。為使液體氣化沸騰，必須將液體加熱到對應(yīng)壓力下的飽和溫度以上。顯熱段的長度取決于管壁兩側(cè)總的溫差、流體的液相傳熱系數(shù)、再沸器進口管的壓降等;②當(dāng)流體經(jīng)換熱管向上流動，壓力逐漸降低，在換熱管壁上液體開始形成氣泡，此段稱為過冷沸騰段，由于氣泡的作用，該段流體的膜傳熱系數(shù)迅速增加;③當(dāng)流體持續(xù)加熱達到飽和溫度時，大量氣泡在管壁形成，離開換熱管內(nèi)壁并在流體內(nèi)變大聚集形成氣體活塞;④隨著氣體體積的增加，氣體活塞聚集在一起形成一串的氣核。這個區(qū)域氣體流速還不足以帶動液體向上流動，同時由于氣液相間的相互作用，管內(nèi)液體出現(xiàn)攪動現(xiàn)象;⑤當(dāng)氣體的剪切應(yīng)力足夠大時，氣體帶動液體沿換熱管向上運動，形成環(huán)狀流，此時流體在立式熱虹吸再沸器內(nèi)完成了主要的相變和傳熱過程;⑥環(huán)狀流上部有一段區(qū)域為霧狀流，在再沸器設(shè)計中一定要注意這一相變過程，霧狀流區(qū)域液相成分散狀，以液滴形式存在于氣體之間，管壁間傳熱主要由氣體控制，造成總傳熱系數(shù)降低，因此，設(shè)計再沸器時要避免霧狀流的出現(xiàn)［1］。具體狀態(tài)變化見圖1。

2 換熱器工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計

2.1 汽化率選擇

熱虹吸再沸器的汽化率是再沸器設(shè)計過程中一個非常重要的參數(shù)，汽化率的大小直接影響再沸器列管內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)，進而影響再沸器的傳熱面積;同時，汽化率還明顯影響再沸器的安裝高度。在出口汽化量要求固定以及再沸器換熱面積固定的情況下，靜壓頭、管內(nèi)傳熱系數(shù)、校正溫度和面積裕量隨汽化率不同的變化見表1。

圖1 流體在換熱管中的變化過程

表1 各參數(shù)和汽化率變化表

由表1數(shù)據(jù)可知，再沸器列管內(nèi)傳熱系數(shù)值隨出口汽化率的降低而提高，即再沸器傳熱面積將減少，設(shè)計富裕度將提高，有利于設(shè)計。但汽化率不可能無限降低，存在一個極值，因為出口汽化率調(diào)低后，列管內(nèi)液相量增加，兩相流混合密度也增加，為保證熱虹吸所需的推動力，靜壓頭也要隨之增加。換言之，再生塔液釜液面就要提高。但液釜液面高度是有限的，首先不能高過再沸器出口管，否則液體將經(jīng)出口管逆流進入再沸器;其次，提高液釜液面高度也會增加再生塔的投資費用;最后為了提高再沸器列管內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)而下調(diào)出口汽化率，再沸器進口管徑將采用較大的管徑，也不利于節(jié)約投資。根據(jù)工程經(jīng)驗，出口汽化率一般不低于10%、不高于30%;本次設(shè)計中，綜合考慮到裝置框架高度、再沸器和再生塔連接的相對位置及進出口管徑大小，選擇出口汽化率為16.9%。

2.2 加熱介質(zhì)的選擇

一般有機液體的溫差選用范圍為20～50℃。當(dāng)殼側(cè)為有相變的加熱介質(zhì)如飽和蒸汽，或者利用顯熱加熱的具有較寬沸程的混合物時如導(dǎo)熱油，宜采用錯流。這樣可以提高校正溫差，還可以增加工藝流體在換熱器內(nèi)的核沸騰。

3 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計

立式熱虹吸再沸器依靠塔釜內(nèi)的液體靜壓頭和再沸器內(nèi)兩相流的密度差產(chǎn)生推動力形成熱虹吸式的運動，因此塔釜內(nèi)的液面一般和再沸器的上管板在同一高度。如果塔內(nèi)液位過低，換熱管有很大部分沒有利用;如果塔內(nèi)液位過高，則換熱管過熱段過長，溫度過高，而蒸發(fā)沸騰段過短，蒸發(fā)量仍然較小，并且過高的管內(nèi)溫度，會導(dǎo)致平均校正溫差變小，從而使換熱面積裕量變小，達不到工藝要求的汽化率。因此，換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計一般使管內(nèi)的狀態(tài)處于泡核沸騰和環(huán)流狀態(tài)。

GB 151對換熱器結(jié)構(gòu)尺寸做了明確規(guī)定。換熱管越小越緊湊，越便宜，但管徑小會增加壓降。對于氣液兩相流的介質(zhì)，一般選用較大的管道。再沸器換熱管一般選擇Φ25的管子。橫缺型折流板可防止殼程流體平行管束流動，減少殼程底部液體沉積;單弓型折流板相比較雙弓型折流板壓降較大，但是傳熱效果較好;折流板間距小，也能提高傳熱效果，但壓降會變大，泄漏量會增加。最小的折流板間距為殼程直徑的20%，不應(yīng)小于50mm，最好的板間距應(yīng)該為殼程的30% ～60%。綜合考慮熱負荷、換熱器安裝高度等選擇再沸器的結(jié)構(gòu)，見表2。

表2 再沸器結(jié)構(gòu)參數(shù)

換熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇后，需分析再沸器進出口管徑對進口管壓力降、管程壓力降和出口管壓力降三部分的影響。通常情況下，盡量增加入口管的阻力降，這樣有助于提高再沸器運行的穩(wěn)定性，同時還可減少再沸器下部的過冷段顯熱段，入口管壓力降占總壓力降的20%～30%為宜，還要注意在調(diào)整出口管直徑時出口管氣相βν2不能小于100kg/ms2。表3為固定塔釜內(nèi)的液面和再沸器的上管板在同一高度時，進出口管徑對壓降以及汽化率等的影響。

表3 進出口管徑對壓降和汽化率影響

根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定再沸器的上管板與塔釜液面在同一高度，即靜壓頭為3m;換熱器進口管徑為300mm，出口管徑為400mm，校核汽化率為16.9%，滿足工藝要求。計算該換熱器換熱面積為112.68m2，每平方換熱面積的熱負荷為58470W/m2，滿足水或者低濃度水溶液再沸器動力式和熱虹吸式最大允許熱負荷為90000 W/m2的要求。

4 結(jié)語

(1)分析再沸器管程的物理變化過程，要注意在換熱器設(shè)計時避免出現(xiàn)霧狀流。

(2)分析再沸器工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)選擇優(yōu)化需要注意的事項，以及安裝高度選擇的方法，保證再沸器正常運行。

1 談 沖.精餾塔釜立式熱虹吸再沸器傳熱設(shè)計的優(yōu)化［1］.化工設(shè)計，1999，9(1):28－29.