立式熱虹吸再沸器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

孫文強(qiáng)

摘 要：立式熱虹吸再沸器在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是重要的熱量交換設(shè)備。文章結(jié)合其工作原理，針對(duì)影響其運(yùn)行狀況的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行簡要的論述，針對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常遇到的問題提供解決辦法。希望能夠?yàn)榱⑹綗岷缥俜衅髟O(shè)計(jì)的優(yōu)化提供一些有益的幫助。

關(guān)鍵詞：立式熱虹吸再沸器；設(shè)計(jì)要點(diǎn)；解決辦法

中圖分類號(hào)：TE967 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）17-0074-02

Abstract： Vertical thermosyphon reboiler is widely used in petrochemical industry and is an important heat exchange equipment. In accordance with its working principle， this paper briefly discusses the design essentials that affect its running condition， and provides solutions to the problems often encountered in the design. It is hoped that it can provide some useful help for the optimization of the design of the vertical thermosyphon reboiler.

Keywords： vertical thermosyphon reboiler； design points； solution

在石油化工領(lǐng)域，再沸器是重要的熱量交換設(shè)備，設(shè)置于蒸餾塔底部。其作用是利用加熱介質(zhì)將塔釜工藝介質(zhì)部分氣化，通過循環(huán)送回蒸餾塔，為分離過程提供能量。立式熱虹吸再沸器是一種常見的再沸器，具有傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊，被加熱介質(zhì)在管內(nèi)停留時(shí)間短，不易結(jié)垢，安裝方便，占地面積小，設(shè)備造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用較低等顯著優(yōu)勢[1]。

立式熱虹吸再沸器在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)、氣化率、進(jìn)出口管路阻力降，安裝高度，管內(nèi)流型、熱通量等因素對(duì)再沸器穩(wěn)定運(yùn)行的影響。本文將對(duì)以上問題進(jìn)行論述，并對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到對(duì)問題提供解決的辦法，以便在再沸器的工程設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)合理設(shè)計(jì)。

1 原理介紹

立式熱虹吸再沸器屬于自然循環(huán)式再沸器。蒸餾塔塔釜介質(zhì)經(jīng)過再沸器，部分介質(zhì)被氣化，在再沸器及出口管線中形成兩相流，由于塔釜的靜液位與兩相流存在密度差，形成推動(dòng)力，使塔釜介質(zhì)不斷被虹吸入再沸器，無需外部提供動(dòng)力即可完成循環(huán)。其示意圖如圖1所示。

蒸餾塔塔釜介質(zhì)在進(jìn)入立式熱虹吸再沸器后，由于其物理狀態(tài)的不同，其換熱機(jī)理也不相同。隨著介質(zhì)在管內(nèi)不斷上升，管內(nèi)的介質(zhì)流型及傳熱機(jī)理分布如圖2所示。

液相流（過冷段）：介質(zhì)進(jìn)入換熱管底部開始換熱，由于靜壓頭的存在使介質(zhì)的操作壓力高于其飽和壓力，仍然是液相，傳熱的方式為液體對(duì)流傳熱。

泡狀流：隨著介質(zhì)在管內(nèi)的上升，操作壓力接近換熱管壁溫下所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓，介質(zhì)在換熱管表面被氣化，逐漸產(chǎn)生氣泡，傳熱的方式為泡核沸騰傳熱。

塞狀流：氣泡大量產(chǎn)生，聚集成體積更大的氣態(tài)活塞，液體塊與氣體塊交替上升，傳熱系數(shù)上升，傳熱方式為飽和核態(tài)沸騰和兩相對(duì)流換熱。

環(huán)狀流：氣體量持續(xù)增加，氣體帶動(dòng)液體沿?fù)Q熱管向上運(yùn)動(dòng)，將液體壓迫在垂直管壁上形成環(huán)狀流動(dòng)，主要的相變過程在這段發(fā)生，傳熱系數(shù)達(dá)到最大，傳熱方式為兩相對(duì)流傳熱。環(huán)狀流是立式管中最理想的沸騰狀態(tài)。

霧狀流：氣化的量繼續(xù)增加，液體變成小液體，與氣體混合呈霧狀，傳熱方式為氣相對(duì)流換熱，傳熱系數(shù)因?yàn)閭鳠岱绞降母淖兌@著降低，因此霧狀流在再沸器設(shè)計(jì)時(shí)需盡量避免。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

（1）結(jié)構(gòu)參數(shù)。在確定立式熱虹吸再沸器對(duì)換熱管管徑時(shí)，由于塔釜介質(zhì)在管內(nèi)沸騰，如果使用小管徑的換熱管，則會(huì)增加再沸器的阻力降，一般使用內(nèi)徑大于25mm的換熱管。在確定換熱管長時(shí)，過長對(duì)換熱管也會(huì)增加再沸器對(duì)阻力降，同時(shí)會(huì)增加介質(zhì)形成霧狀流對(duì)可能性，一般管長不宜超過6m[2]。換熱管內(nèi)對(duì)流速一般控制在0.5～1.5m/s，要以此原則選擇再沸器殼徑，殼徑比以2～5為宜。結(jié)構(gòu)參數(shù)在設(shè)計(jì)再沸器時(shí)需根據(jù)計(jì)算結(jié)果不斷調(diào)整，直到介質(zhì)出口狀態(tài)滿足要求。

（2）氣化率[3]。立式熱虹吸再沸器，一般比較適宜的氣化率是5%～35%。在確定氣化率時(shí)需考慮工藝介質(zhì)的特性以及管內(nèi)氣液的流動(dòng)型式。

不同的工藝介質(zhì)特性要選取不同的氣化率，對(duì)于純組分和窄沸騰域介質(zhì)，側(cè)重考慮熱量和動(dòng)量傳遞性質(zhì)，對(duì)于寬沸騰域介質(zhì)，側(cè)重考慮傳質(zhì)的限制作用。同時(shí)氣液的密度差也是必須考慮的因素。一般水溶液的介質(zhì)推薦氣化率2%～10%，烴類介質(zhì)的推薦氣化率為10%～20%。

管內(nèi)氣液的流動(dòng)型式對(duì)再沸器傳熱效果及穩(wěn)定性都有影響。如果氣化率較低，管內(nèi)主要是泡狀流，則容易造成運(yùn)行的不穩(wěn)定。如果氣化率較高，管內(nèi)已經(jīng)達(dá)到霧狀流，則會(huì)顯著降低換熱器的傳熱效果。在選擇氣化率時(shí)需盡量避免。

（3）進(jìn)出口管路阻力降。進(jìn)出口管道的阻力降主要受進(jìn)出口管道的長度及管徑影響。再加進(jìn)口管路的阻力降有助于提高再沸器整體穩(wěn)定性，并減少換熱管底部顯熱段的長度，同時(shí)有助于提高氣化率。但進(jìn)口管路的阻力降過大，可能會(huì)造成塔釜低液位時(shí)換熱管內(nèi)出現(xiàn)霧狀流。出口管路管徑在確定時(shí)，過大會(huì)造成出口氣體流速低，無法實(shí)現(xiàn)正常的循環(huán)，過小會(huì)使阻力降升高。一般應(yīng)保證出口管路的阻力降小于總循環(huán)壓降的30%[3]。

（4）安裝高度。安裝高度是指塔釜液位距再沸器下管板的距離。這個(gè)液位差即為立式熱虹吸循環(huán)的動(dòng)力。隨著安裝高度的不斷升高，再沸器的氣化率不斷降低。因此安裝高度過大，容易形成泡狀流，安裝高度過低，則容易形成霧狀流。在確定安裝高度時(shí)，需同時(shí)考慮進(jìn)出口管路阻力降和氣化率，以實(shí)現(xiàn)再沸器的熱虹吸循環(huán)及穩(wěn)定運(yùn)行。一般安裝高度是在正常液位操作條件下確定的，因此在確定后還需核算低液位和高液位下安裝高度是否合適。

（5）管內(nèi)流型。對(duì)于立式熱虹吸再沸器，出口管線中最好為環(huán)狀流，此時(shí)再沸器的傳熱效果及運(yùn)行穩(wěn)定性最佳。如果出口管線中為活塞流，會(huì)造成出口管線的振動(dòng)問題，需設(shè)置管路支撐。如果出口管線為霧狀流，加熱介質(zhì)的熱量無法被迅速帶走，使換熱管局部溫度過高，造成再沸器損壞。

（6）熱通量。熱通量是單位面積的換熱能力。如果熱通量選擇過高，則會(huì)出現(xiàn)流量不穩(wěn)定，液相和氣相在換熱管中流動(dòng)失穩(wěn)而發(fā)生脈動(dòng)。檢查熱通量對(duì)立式熱虹吸再沸器尤其重要[4]。建議塔釜介質(zhì)為烴類時(shí)熱通量不超過50kW/m2，水溶液體系熱通量不超過75kW/m2。

3 問題及解決辦法

在立式熱虹吸再沸器設(shè)計(jì)時(shí)，以上因素對(duì)再沸器的運(yùn)行效果都有影響，必要時(shí)需要調(diào)整一項(xiàng)或者幾項(xiàng)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)再沸器的平穩(wěn)運(yùn)行。表1中列出了出現(xiàn)頻率較高的幾個(gè)問題及解決辦法。

4 結(jié)束語

立式熱虹吸再沸器在設(shè)計(jì)中需考慮的因素較多，難度較大。本文根據(jù)其工作原理，從傳熱及運(yùn)行角度，簡述了立式熱虹吸再沸器在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為再沸器設(shè)計(jì)人員提供有益的幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳德榮.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四版）[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2]王寧.立式熱虹吸再沸器的核算[J].石化技術(shù)，2016（6）：152-153.

[3]王松漢.石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三卷）[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[4]Andrew W. Sloley. Properly Design Thermosyphon Reboiler[J]. CHEMICAL ENGINEERING PROGRESS，MARCH，1997：52-64.