再沸器的選型和HTRI優(yōu)化設計

鄭 俊，臺寧寧

(海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266101)

再沸器(又稱重沸器)，是精餾裝置中重要的附屬設備之一，常位于精餾塔底部。通過再沸器加熱塔底液體使其部分汽化，成為汽液兩相，為整個精餾系統(tǒng)的傳質和換熱提供所需的熱量。由于再沸器換熱過程是一種相變化過程，長期以來，人們對于它的工藝計算進行了深入的研究[1-2]。但有關再沸器優(yōu)化設計，特別是兩相流動沸騰側的膜換熱系數(shù)和壓力平衡的計算，一直以來仍是難點。僅憑工程經驗，手工計算的方法繁瑣復雜，有時也會出現(xiàn)計算結果與再沸器實際運行情況大相徑庭。

HTRI是一款由美國傳質及換熱協(xié)會基于40多年來廣泛收集的工業(yè)級熱傳遞設備的試驗數(shù)據(jù)而研發(fā)的熱交換器計算程序，不僅可以進行空冷器、加熱爐、套管式、螺旋折流桿等熱交換器的模擬計算，還包括幾乎所有TEMA類型的管殼式熱交換器的模擬計算[3]。目前，該軟件已成為在國內外工程設計公司和換熱器制造廠商進行換熱器工藝計算的主要工具。

本文總結了不同類型再沸器的結構特點和選型的注意事項，并借助HTRI軟件對再沸器的結構和設計參數(shù)進行分析，總結出熱虹吸式再沸器優(yōu)化設計的方法。

1 再沸器的類型與特點

1.1 再沸器的類型與特點

再沸器的類型較多，結構特點和適用場合各不相同，主要有釜式、虹吸式(立式和臥式)、強制循環(huán)式和內置式等。

圖1 再沸器類型

釜式再沸器是由一個供氣液分離、部分擴大的K型殼體和可抽出的加熱管束組成[9]，管束末端有溢流堰，如圖1(a)。塔底液體進入再沸器殼程底部并浸沒管束，受熱產生以泡核為主的沸騰,換熱效率低，面積大。釜式再沸器對流體力學參數(shù)不敏感，操作彈性大，可靠性高，非常適合應用在氣化率高、沸點范圍寬的場合。由于其氣液分離空間大，相當于一塊理論板，故塔底空間可適當縮小。但設備容積大、金屬耗量大、投資高。

強制循環(huán)式再沸器采用泵使塔底液體在再沸器和塔間循環(huán)，如圖1(c)所示。由于塔釜溫度通常較高，泵送成本費高，只在某些特殊場合如塔底物料氣化率很低、粘度很高或熱敏性很強、易于結垢以及在高真空(1300Pa以下)下處理寬餾分液體等情況時才考慮使用。

內置式再沸器是將換熱管束直接插入塔底液體中，換熱管通常為U型管，如圖1(d)所示。優(yōu)點是結構簡單，占地面積小，投資小。缺點是換熱管長受塔釜空間限制，換熱面積較小，換熱效果差，不適用于粘稠、易結垢液體[4]。在換熱面積滿足要求的前提下，內置式是最經濟的一種再沸器。

熱虹吸式再沸器，依靠塔釜液位產生的靜壓頭及再沸器進出口管線流體的密度差使液體自動從塔底流入再沸器，不必用泵即可不斷循環(huán)，因此又稱自然循環(huán)式再沸器。按工藝過程不同，分為一次通過式和循環(huán)式；按沸騰機理不同，分為立式和臥

式。立式是工藝介質在管程沸騰，屬流動沸騰；臥式是工藝介質在殼程沸騰，屬池式沸騰。由于其工藝性能優(yōu)良、單位換熱面積金屬耗量小，目前在煉油化工等行業(yè)應用廣泛[4]；但其分餾效果小于一塊理論板，汽化率一般不大于30%，塔的安裝高度要求嚴格。

1.2 再沸器設計選型應考慮的因素

再沸器設計選型時，應先要清楚各種再沸器的優(yōu)缺點，結合實際工況，進行比選，如表1中釜式和熱虹吸式再沸器的性能比選。除此之外，還要重點考慮以下因素：

①成本：在換熱效果差別不大的情況下，盡量選擇單位換熱面積金屬耗量小的再沸器。通常殼徑越大，單位換熱面積的金屬耗量越低。

②換熱效果：在充分考慮工藝物料性質(粘度、結垢等)、壓降許可的前提下，強化沸騰換熱，提高總換熱系數(shù)。

③操作可靠：在間歇操作或操作負荷變化較大時，再沸器的靜壓波動較大，設計必須考慮苛刻工況的安全操作。特別要提出的是對于熱虹吸再沸器，汽化率不應過大，否則會引起上升管的管壁干竭和發(fā)生霧狀流[4]。

④安裝空間：對于改造項目，再沸器的布置和配管安裝受原有場地限制，故有時需要權衡設備外形和換熱效率，常會犧牲一些換熱效果以滿足現(xiàn)場實際的安裝空間。

表1 再沸器的性能比較

1.3 再沸器的安裝高度

安裝高度是確定蒸餾塔與再沸器相對位置的重要參數(shù)。對于有強制循環(huán)的再沸器，因管路系統(tǒng)有泵，故安裝高度考慮的較少；但對于熱虹吸式再沸器及無強制循環(huán)的釜式再沸器，安裝高度(圖2(a)中Hx)是再沸器壓力平衡滿足設計循環(huán)量要求的關鍵。

在HTRI水力學計算中需要輸入的關鍵參數(shù)是靜壓頭，即塔釜正常液位到再沸器下管板的垂直距離(圖2中Hy)。靜壓頭與安裝高度的關系見圖2。對于臥式熱虹吸再沸器，靜壓頭=塔釜正常液位高+安裝高度+殼體直徑；對于立式熱虹吸再沸器，為降低塔的標高，通常規(guī)定再沸器的上管板與塔釜正常液位持平(推薦兩者標高差不超過0.6)。如果調整靜壓頭，氣化率、循環(huán)量、管路阻力降三個相互關聯(lián)的參數(shù)也會相應發(fā)生變化。這使得壓力平衡手工計算相當繁瑣，需要迭代計算才能最終確定，但利用HTRI程序可方便地解決這一問題。

圖2 熱虹吸式再沸器的安裝高度

2 設計實例

某裝置苯分餾塔底再沸器E-101，綜合再沸器設計選型因素(見1.2小節(jié))，采用立式虹吸再沸器，熱源采用300kPa(G)的飽和水蒸氣，熱負荷3000kW，塔釜壓力70kPa(A)，塔釜溫度110℃。

2.1 輸入?yún)?shù)，初步選型

首先，輸入冷熱物流的工藝參數(shù)，包括物流的流量、氣化率、溫度、壓力和污垢熱阻等。再沸器溫度即塔釜采出的溫度，在此溫度及塔釜組成下計算冷流體的物性。由于會出現(xiàn)兩相對流傳熱，故需手動輸入至少兩個溫度點的氣液相物性于HTRI軟件的“用戶自定義組成”界面，也可采用流程模擬軟件如ASPEN或PROⅡ計算得出，利用與HTRI間的端口直接導入。加熱水蒸汽的物性可從HTRI數(shù)據(jù)庫中選取，溫度根據(jù)所選蒸汽的壓力確定。

其次，輸入再沸器結構參數(shù)，包括殼徑、換熱管束長度、換熱管規(guī)格及排列方式和折流板間距。標準設備參照GB151，在HTRI中輸入以上有關換熱器具體的結構參數(shù)，即可設計出符合國家標準的換熱器。

在HTRI中輸入熱負荷，HTRI程序會計算出所需水蒸氣量為1.39 kg/s；輸入假定的氣化率0.15，即可計算出循環(huán)量43.63kg/s和所需靜壓頭3.19 m。計算結果在HTRI報告，見圖3。采用HTRI軟件初步設計出再沸器E-101應選用立式虹吸(BEM)，殼徑φ1400 mm，管長6 m，管子規(guī)格φ38 mm×2.5 mm，管間距48 mm，管子排列方式30度，折流板間距600 mm。

2.2 調整參數(shù)，優(yōu)化設計

HTRI程序運行結束后，在運算信息欄里給出再沸器運行的各種報告，包括振動報告，穩(wěn)定運行報告以及流體流速和流型報告。利用HTRI計算報告的提示需要對以下參數(shù)重點關注并做相應調整[6]：再沸器所需的換熱面積和設計裕量；工藝流體在換熱管內的物理變化過程；真實的循環(huán)量和氣化率；滿足循環(huán)所需的靜壓頭，進而確定塔器和再沸器之間的相對布置關系；按壓力降分配法確定進出口管的尺寸等。這些都可以幫助優(yōu)化再沸器的設計。

表2 靜壓頭隨氣化率的變化表

①確定最佳靜壓頭。在HTRI程序中輸入不同的靜壓頭，得出一組氣化率和面積裕量，見表2。氣化率對推動力與阻力之比影響很大，而推動力與阻力之比要在1.001～1.05之間。從表2中可看出，氣化率隨著靜壓頭的增大而減小，換熱面積余量隨著靜壓頭先增大后減小。故綜合換熱效果和安裝成本，選擇3.2m的靜壓頭。

②確定最佳管徑。

圖3 再沸器計算結果表

如圖3所示，校核管子進出口處、殼側進出口處和接管內的流速。從圖中可看出殼側出口管嘴處流速過低，不符合工藝要求，故應減小殼側出口管嘴。另一方面，流速是否合適還與折流板間距和圓缺率有關。衡量這兩個指標的重要條件是殼程流體的窗口流速和X-流流速盡可能相等，它們之比在0.8～1.2之間，如果超過這個范圍，則沿管長方向流體被重復的加速和減速，從而使壓降不能充分轉化為傳熱系數(shù)的提高[7]。

3 結論

(1)采用HTRI軟件進行再沸器選型、核算及優(yōu)化設計，操作簡單靈活、計算結果準確可靠，節(jié)省了大量的人力，大大提高工作效率。

(2)HTRI軟件能提供詳盡的計算輸出報告和可視化的設備三維模型，為再沸器的合理設計和優(yōu)化改進指明了方向。

(3)HTRI軟件能為設計、生產提供很多幫助。設計人員和工程技術人員如能熟練掌握，將會產生巨大的效益。

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