煉油裝置中臥式熱虹吸式重沸器的設(shè)計(jì)

趙麗娟，闞偉

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煉油裝置中臥式熱虹吸式重沸器的設(shè)計(jì)

趙麗娟，闞偉

（中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島 266071）

煉油裝置中臥式熱虹吸式重沸器的設(shè)計(jì)、安裝正確與否將直接影響到煉油裝置的運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量。本文通過(guò)分析臥式熱虹吸式重沸器的流體流速、安裝高度以及結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對(duì)臥式熱虹吸式重沸器設(shè)計(jì)的影響，并提供了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)值，以期對(duì)今后臥式熱虹吸式重沸器的設(shè)計(jì)選型有所幫助。

臥式；熱虹吸式；重沸器；設(shè)計(jì)

重沸器是石油化工裝置中不可缺少的傳熱設(shè)備，臥式熱虹吸式重沸器由于具有投資費(fèi)用省,占地面積小等優(yōu)點(diǎn),愈來(lái)愈多應(yīng)用于煉油化工裝置中。在煉油裝置中,由于所處理的物料流量大、粘度高、易結(jié)垢,廣泛采用臥式熱虹吸式重沸器[4]。因此，臥式熱虹吸式重沸器的設(shè)計(jì)、安裝正確與否將直接影響到煉油裝置的運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 安裝高度的工藝計(jì)算

熱虹吸式重沸器是靠管內(nèi)液體的靜壓頭與氣—液相離開(kāi)重沸器處的靜壓頭之差而產(chǎn)生的,進(jìn)入重沸器的液體循環(huán)量取決于驅(qū)動(dòng)這個(gè)系統(tǒng)的壓力差,所以在設(shè)計(jì)重沸器時(shí),應(yīng)進(jìn)行殼側(cè)壓力平衡計(jì)算,以確定塔和重沸器之間的標(biāo)高差和各項(xiàng)安裝尺寸,保證重沸器操作的正常循環(huán)。計(jì)算時(shí)可參考圖1。

常采用以下公式進(jìn)行殼側(cè)壓力平衡計(jì)算[1][6]，以確定安裝高度。

1.1 進(jìn)口側(cè)壓力

式中：——塔釜壓力，m液柱；

——安裝高度，m；

1——塔底液位高度，m；

——重沸器直徑，m。

1.2 出口側(cè)壓力

出=?2+?3+?4+?5+（2）

主要為入口流速、管線直徑、當(dāng)量長(zhǎng)度及流量的函數(shù)。

圖1 臥式熱虹吸式重沸器壓力平衡示意圖

式中：1——入口管線摩擦系數(shù)，為雷諾準(zhǔn)數(shù)RE的函數(shù)；

主要為出口流速、管線直徑、當(dāng)量長(zhǎng)度及流量的函數(shù)。

主要為殼程折流板數(shù)、折流板間距、流通面積、質(zhì)量流量及摩擦系數(shù)的函數(shù)。

進(jìn)口側(cè)和出口側(cè)壓力平衡

在計(jì)算過(guò)程中，圖2-1所示的管路系統(tǒng)中，相關(guān)參數(shù)的選取對(duì)保證重沸器正常循環(huán)重要的意義。

2 實(shí)際應(yīng)用

系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)的合理選取對(duì)保證臥式熱虹吸式重沸器的正常工作具有重要的意義。下面對(duì)主要影響參數(shù)進(jìn)行分析，做到有的放矢，合理設(shè)計(jì)臥式重沸器。

2.1 流速的選取

重沸器循環(huán)流量的初始值是根據(jù)塔內(nèi)最后一塊塔板的液體流量減去抽出量計(jì)算的，而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，該流量是由作為推動(dòng)力的重力壓頭和換熱器及管路的總阻力所共同決定的。選取合適的進(jìn)出口流速計(jì)算出進(jìn)出口直徑后，通過(guò)HTRI或HTFS軟件核算由系統(tǒng)推動(dòng)力產(chǎn)生的溫差環(huán)流，確保進(jìn)出口流速在合適范圍內(nèi)。

2.1.1 進(jìn)口管流速

從投資費(fèi)用和壓力損失等方面綜合考慮, 確定降液管直徑時(shí), 其內(nèi)部液體流速一般取1~2.5 m/s[3]。選取較低流速易造成進(jìn)口管徑增大，計(jì)算的安裝高度偏低，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)由壓力平衡產(chǎn)生的循環(huán)流量增大，入口壓降增大，局部壓力損失超過(guò)塔釜最低液位產(chǎn)生的靜壓差，造成進(jìn)口管內(nèi)產(chǎn)生氣、液兩相流動(dòng)。

選取較高流速時(shí)，易使計(jì)算的安裝高度偏高，投資增加，同時(shí)使得重沸器進(jìn)口流速增大，誘發(fā)換熱器內(nèi)管束震動(dòng)。已有的研究表明在重沸器泄漏事故中由管束振動(dòng)引起的泄漏占泄漏是事故的30%[2]。

2.1.2 出口管流速

氣液兩相在垂直管內(nèi)向上流動(dòng)時(shí), 其流動(dòng)形態(tài)可能為泡狀流、塊狀流、環(huán)狀流或霧狀流等的任何一種。塊狀流是一種氣、液相交替脈動(dòng)的不穩(wěn)定流態(tài), 對(duì)操作不利, 應(yīng)盡量避免在該種流態(tài)下操作。一般來(lái)說(shuō), 操作壓力越高, 或汽化率越大, 就越不易產(chǎn)生塊狀流動(dòng)。因臥式熱虹吸式重沸器的氣化率較低，易產(chǎn)生塊狀流。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),管內(nèi)流速一般不小于4.5 m/s[3]。但升氣管內(nèi)流速也不應(yīng)設(shè)計(jì)過(guò)大, 否則會(huì)造成升氣管壓降過(guò)大, 使重沸器顯熱段傳熱面積及溫差損失增加, 還會(huì)使精餾塔發(fā)生液泛。管內(nèi)流速一般不大于10 m/s。同時(shí)當(dāng)氣、液兩相流速過(guò)大時(shí), 為防止塔釜液體受劇烈沖擊而產(chǎn)生霧沫夾帶, 應(yīng)在塔釜液面和進(jìn)料接管之間設(shè)置防沖擋板。

2.2 安裝高度的選取

計(jì)算出重沸器安裝高度后，必須保證安裝高度在合理的范圍內(nèi)。過(guò)高造成投資費(fèi)用增大，過(guò)低易對(duì)重沸器運(yùn)行造成影響。

2.2.1 安裝高度H

通過(guò)式（9）計(jì)算出安裝高度后，考慮到后續(xù)的配管布置，均需設(shè)置部分余量，以保證安裝高度能提供足夠的循環(huán)推動(dòng)力。合適余量高度是保證重沸器良好運(yùn)行的前提。

余量過(guò)小或沒(méi)有，實(shí)際運(yùn)行中易造成進(jìn)口側(cè)壓力較低，運(yùn)行不起來(lái)或運(yùn)行不平穩(wěn)。局部壓力損失超過(guò)塔釜最低液位產(chǎn)生的靜壓差，造成進(jìn)口管內(nèi)產(chǎn)生氣、液兩相流動(dòng)。進(jìn)口推動(dòng)力進(jìn)一步減小，運(yùn)行不起來(lái)。

余量過(guò)大，液體靜壓頭升高時(shí), 重沸器內(nèi)工藝介質(zhì)的壓力就會(huì)增大, 沸點(diǎn)隨之升高。在加熱介質(zhì)的溫度保持不變的情況下, 重沸器的有效平均溫差就會(huì)降低, 造成所謂的溫差損失現(xiàn)象，影響系統(tǒng)傳熱[4]。同時(shí)沸點(diǎn)的升高造成以單相對(duì)流傳熱為主的顯熱段增大，以泡核傳熱為主的蒸發(fā)段減少，因?yàn)榕莺朔序v的傳熱膜系數(shù)(給熱系數(shù))較大，所以隨著管內(nèi)液位的增高，總的傳熱系數(shù)會(huì)降低。換熱效果變差，需要重沸器傳熱面積增大。例如, 某低壓操作的乙烷乙烯分離塔采用熱泵技術(shù), 重沸器降液管靜壓差若增加0.01 MPa, 重沸器的有效平均溫差就會(huì)降低25%, 系統(tǒng)所需要的傳熱面積就會(huì)大大增加。

則易產(chǎn)生溫差損失現(xiàn)象，安裝高度也使得投資增加，同時(shí)使得換熱器余量增大，設(shè)備投資增大。

為保證合理的安裝高度，余量一般取1.5~2 m，并根據(jù)最終配管布置圖進(jìn)行核算，確保重沸器可正常運(yùn)行。

2.2.2 重沸器返回口到塔底液位的距離2

采用熱虹吸式重沸器，其返塔線的安裝位置對(duì)于重沸器的正常運(yùn)行至關(guān)重要。如過(guò)大，則造成出口管線壓力降增大，需要的推動(dòng)力增加，增加了安裝高度，增加投資。

如果太低，塔底液面達(dá)到重沸器的返塔線管口處, 則重沸器就無(wú)法運(yùn)行。為保證合理的安裝高度，重沸器返塔線安裝高度最少應(yīng)比塔底最高液面(HLL)高出160 mm[5]。

2.3 重沸器結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

為減小殼程摩擦壓力降，一般選擇帶折流板的“J”型或“H”型殼體，選取較大的折流板間距，但同時(shí)需注意間距增大，易造成震動(dòng)，可增大切口尺寸，以減小板間泄漏，同時(shí)減少震動(dòng)。采用大管徑換熱管，適當(dāng)加大管間距。

3 結(jié)束語(yǔ)

臥式熱虹吸式重沸器設(shè)計(jì)的成功與否涉及到傳熱、兩相流動(dòng)、設(shè)備、安裝等諸多方面。了解系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)對(duì)臥式熱虹吸式重沸器的影響，對(duì)臥式熱虹吸式重沸器的設(shè)計(jì)具有重要意義。臥式熱虹吸式重沸器的流速選取、安裝高度以及重沸器結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對(duì)臥式熱虹吸式重沸器設(shè)計(jì)的影響，實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)實(shí)際情況，合理選取相關(guān)參數(shù)，做到事前估算、事后核算，保證重沸器的平穩(wěn)運(yùn)行，保障產(chǎn)品質(zhì)量。

［1］劉巍，等．冷換設(shè)備工藝計(jì)算手冊(cè)[M]. 中國(guó)石化出版社, 2003

［2］楊秀芝. 煉油廠塔底重沸器泄漏分析及改造[J]. 石油化工設(shè)備, 2003, 32 (2): 56-57．

［3］劉成軍. 熱虹吸式重沸器循環(huán)回路的設(shè)計(jì)探討[J]. 化工設(shè)計(jì), 2008, 18 (6): 24-26.

［4］劉成軍.熱虹吸式重沸器的選用和配管[J]. 煉油設(shè)計(jì), 1999, 29: 19-22.

［5］楊盛敏．重沸器的選用設(shè)計(jì)[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù), 1995, 16（5）: 24-29．

［6］錢(qián)頌文．換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2002．

Design of Horizontal Thermal Siphon Reboiler in Oil Refining Unit

（China Petroleum Engineering & Construction Corporation East-China Design Branch, Shandong Qingdao 226071, China）

Design and installation of horizontal thermal siphon reboilers in oil refining unit will directly affect the operation of oil refining unit and the product quality. In this paper, the effect of the fluid velocity and installation height and structural parameters and other factors on the horizontal thermal siphon reboiler design was analyzed, and some relevant experience design values were provided, in order to help in the future design of horizontal thermal siphon reboilers.

horizontal type；thermal siphon；reboiler；design

TE 624

B

1004-0935（2017）09-0923-03

2017-08-24

趙麗娟（1982-），女，工程師，碩士，遼寧省葫蘆島市人，2010年畢業(yè)于遼寧科技大學(xué)，研究方向：從事化學(xué)工藝技術(shù)工作。