熱虹吸式再沸器的優(yōu)化操作

劉鐵柱 （中沙（天津）石化有限公司，天津 300270）

1 生產(chǎn)概述

我廠丁二烯裝置是以ACN法抽提丁二烯，乙腈作為溶劑，原料為乙烯裝置副產(chǎn)品的裂解碳四，通過(guò)萃取精餾和普通精餾等物理分離過(guò)程，最后得到聚合級(jí)丁二烯產(chǎn)品。為第一萃取系統(tǒng)提供熱量的E-104、E-105熱虹吸換熱器，其管程為碳四及溶劑混合物，殼程為熱溶劑。

2012年10月2日，裝置檢修后開(kāi)車(chē)的過(guò)程中，出現(xiàn)了E-104、E-105換熱器堵塞的情況，導(dǎo)致一萃系統(tǒng)的T-101B塔壓差升高至0.171MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的塔壓差，且塔釜液位持續(xù)降低。經(jīng)過(guò)分析判斷，確認(rèn)為E-104、E-105換熱器出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，破壞了熱虹吸式換熱器的工作狀況，導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)物料無(wú)法正常流動(dòng)，塔板上物料積累過(guò)高但又沒(méi)有淹沒(méi)升氣孔。從而形成了塔壓差升高且塔釜液位持續(xù)下降的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)堵塞換熱器的處理，也印證了該分析原因。

2 換熱原理

熱虹吸式換熱器，其工作原理依靠塔釜內(nèi)液體靜壓頭和塔釜再沸器內(nèi)兩相流的密度差產(chǎn)生推動(dòng)力形成熱虹吸式運(yùn)動(dòng)，換句話說(shuō)，就是利用再沸器中氣-液混合物和塔底液體的密度差為推動(dòng)力，增加了流體在管內(nèi)的流動(dòng)速度，減少了污垢的沉積，提高了傳熱系數(shù)。熱虹吸作用的產(chǎn)生主要是由于塔釜內(nèi)的靜壓頭與再沸器內(nèi)的兩相流的摩擦壓降及其靜壓頭總和的差產(chǎn)生推動(dòng)力的結(jié)果。

垂直管內(nèi)的蒸發(fā)：立式熱虹吸式再沸器的傳熱管是垂直的加熱管，液體由底部進(jìn)入，經(jīng)加熱沸騰由管的上部返回塔內(nèi)。在垂直管內(nèi)被解熱液體沸騰的過(guò)程參見(jiàn)圖1。

圖1 被加熱液體在垂直管內(nèi)沸騰狀態(tài)圖

由圖1看出被加熱液體在管內(nèi)經(jīng)歷了一下幾個(gè)階段：

2.1 單相對(duì)流顯熱段

因?yàn)殪o壓頭的存在，該區(qū)域的壓力大于流體飽和狀態(tài)的壓力。為使該區(qū)域的液體氣化沸騰，必須將液體加熱到對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度以上。顯熱段的長(zhǎng)度取決于液體的液相傳熱系數(shù)、管壁兩側(cè)總的溫差、再沸器進(jìn)口管的壓降等。

2.2 過(guò)冷沸騰段

壓力隨著流體經(jīng)換熱管向上流動(dòng)而逐漸降低，直到接近液體在換熱管壁溫所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓時(shí)，在換熱管壁上液體開(kāi)始形成氣泡，氣泡不斷長(zhǎng)大，破裂。此時(shí)沒(méi)有氣體產(chǎn)生，但是由于所形成的氣泡作用，該段流體的膜傳熱系數(shù)迅速增大。

2.3 泡狀流動(dòng)和活塞流段

當(dāng)液體持續(xù)加熱達(dá)到飽和溫度時(shí)，在管壁形成大量氣泡后離開(kāi)換熱管內(nèi)壁，氣泡在流體內(nèi)變大聚集而形成氣體活塞。

2.4 攪動(dòng)流段

隨著氣體體積的增加，氣體活塞聚集在一起形成一連串的氣核。但在這個(gè)區(qū)域氣體流速還不足以帶動(dòng)液體向上流動(dòng)，同時(shí)由于氣液相間的相互作用，管內(nèi)液體出現(xiàn)攪動(dòng)現(xiàn)象。

2.5 環(huán)狀流段

當(dāng)氣體的垂直應(yīng)力足夠大時(shí)，氣體帶動(dòng)液體沿?fù)Q熱管向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)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(guò)程。氣液兩相經(jīng)過(guò)再沸器上封頭進(jìn)入精餾塔。

3 原因分析

分析E-104、E-105換熱器的堵塞的原因，主要有以下兩種情況存在：一、停車(chē)過(guò)程中，萃取系統(tǒng)內(nèi)存在的膠狀物全部脫落到塔釜中，通過(guò)塔釜與再沸器相連管線進(jìn)入換熱器下封頭內(nèi)。通過(guò)上述原理可知，物料是在熱虹吸再沸器內(nèi)流動(dòng)方向是自下而上，這就造成了在開(kāi)車(chē)時(shí)膠狀物堵塞在換熱器下部管板處或者換熱管內(nèi)。而無(wú)論膠狀物存在什么地方，都會(huì)使得物料流動(dòng)不暢，破壞熱虹吸的工作狀況。二、裝置運(yùn)行過(guò)程中，高濃度的乙腈在換熱管內(nèi)壁形成膠狀物，這類(lèi)膠狀物在形成初期為直筒形狀，如果裝置運(yùn)行中出現(xiàn)稍微波動(dòng)，就可能導(dǎo)致這類(lèi)膠狀物隨物料進(jìn)行移動(dòng)，當(dāng)大量該類(lèi)膠狀物聚集在某一處時(shí)，就會(huì)發(fā)生堵塞換熱管的情況。

4 改進(jìn)操作思路

選擇熱虹吸式再沸器，是因?yàn)榇罅髁垦h(huán)時(shí)，物料停留時(shí)間短，對(duì)再沸器管程有強(qiáng)烈的沖刷作用，不至于結(jié)垢。另外，換熱器能產(chǎn)生熱虹吸，是因?yàn)樵谡舭l(fā)段，由于汽化、汽液兩相流密度降低，使得液位差形成的推動(dòng)力足以推動(dòng)汽液兩相流在高于塔內(nèi)液面的換熱器上口流出，這就是虹吸現(xiàn)象在工業(yè)中的典型應(yīng)用，所以液位越高，循環(huán)量越大，如果再沸器的熱負(fù)荷還可提高，那么該操作對(duì)循環(huán)而言，是大有好處的。但是，過(guò)高的液位會(huì)使液面出現(xiàn)浪涌，因?yàn)橛辛斯呐輩^(qū)，使汽液分離空間減少，霧沫夾帶嚴(yán)重，最嚴(yán)重時(shí)會(huì)使上層塔板效率下降，產(chǎn)品不合格，因此這是非正常情況下才使用的一種手段。

5 結(jié)語(yǔ)

5.1 在裝置開(kāi)停車(chē)期間，必須要仔細(xì)清洗熱虹吸式再沸器的管程，防止膠狀物堵塞管線。另外，塔板上的膠狀物也要清理干凈，避免膠狀物在開(kāi)車(chē)過(guò)程中脫落到塔釜，影響虹吸式再沸器的正常使用。

5.2 在裝置運(yùn)行過(guò)程中，在塔釜其他換熱器的熱負(fù)荷還有余量的前提下，可以適當(dāng)提高塔釜液位（該液位高度不能超過(guò)再沸器的上部入口高度）。增大虹吸式再沸器的循環(huán)量，提高循環(huán)動(dòng)力，利用物料的流動(dòng)去沖刷管程內(nèi)壁，進(jìn)而清理部分換熱管內(nèi)的膠狀物。

[1]汪鎮(zhèn)安，化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.