甲醇水分離塔再沸器的工程設(shè)計(jì)

孫 濤，丁冬林，袁 欣

（1.中石化南京工程有限公司，江蘇南京 211100；2.江蘇蘇美達(dá)成套設(shè)備工程有限公司，江蘇南京 210018）

1 概 述

低溫甲醇洗 （Rectisol）工藝是由德國(guó)的林德公司 （Linde）和魯奇公司 （Lurgi）于20世紀(jì)50年代共同開發(fā)的一種高效氣體凈化工藝，具有氣體凈化度高、選擇性好、溶劑消耗少、能耗低等顯著特點(diǎn)［1］，在煤化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。低溫甲醇洗工藝流程中涉及20余臺(tái)換熱器，而甲醇水分離塔再沸器是其中較為關(guān)鍵的1臺(tái)換熱設(shè)備，其運(yùn)行狀況對(duì)甲醇水分離塔乃至整個(gè)低溫甲醇洗系統(tǒng)的影響較大。以下結(jié)合某具體工程案例對(duì)甲醇水分離塔再沸器的工程設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

2 立式熱虹吸再沸器的工作原理

2.1 物料循環(huán)

甲醇水分離塔再沸器采用立式熱虹吸式。工作中，立式熱虹吸再沸器加熱介質(zhì)走殼程；工藝流體走管程，在管內(nèi)汽化，屬自然循環(huán)的單元操作，其動(dòng)力來自再沸器內(nèi)流體與塔釜液相流體的密度差［2］。如圖1所示，液體由塔釜流出并通過入口管線進(jìn)入再沸器，由于靜壓頭的存在，換熱管入口處的壓力大于流體的飽和壓力，液體須被加熱至對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度后才能汽化，因此再沸器底部換熱管存在顯熱加熱段 （B-C部分）；之后，在蒸發(fā)加熱段 （C-D部分）飽和液體部分沸騰蒸發(fā)，流體變?yōu)闅庖簝上嗔?；最后，氣液兩相?jīng)出口管道返回塔釜，完成物料循環(huán)［3］。

圖1 立式熱虹吸再沸器工作原理示意圖

2.2 傳熱與流動(dòng)特征

立式熱虹吸再沸器換熱管內(nèi)的傳熱與流動(dòng)狀況如圖 2所示［3］。

圖2 立式熱虹吸再沸器換熱管內(nèi)兩相流流型

（1）液相流：由于液體靜壓頭的作用，本區(qū)域的操作壓力大于介質(zhì)的飽和壓力，為使液體汽化沸騰，必須將液體加熱到對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度以上；本區(qū)域內(nèi)傳熱方式為液相對(duì)流傳熱，傳熱速率相對(duì)較小。

（2）泡狀流：液體逐步汽化，氣泡在液相內(nèi)分散流動(dòng)，傳熱方式為泡核沸騰傳熱。

（3）塞狀流：氣泡量逐漸增大，大量氣泡變大聚集形成氣體活塞，占據(jù)換熱管的大部分橫截面積；本流型是立式熱虹吸再沸器管程內(nèi)的主導(dǎo)流型，其傳熱方式為泡核沸騰傳熱+兩相對(duì)流傳熱。

（4）環(huán)狀流：當(dāng)氣體剪應(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管程內(nèi)完成了主要的相變和傳熱過程，氣體量的持續(xù)增加使流體形成環(huán)狀流，管芯部分氣體的流速比液體的大；本區(qū)域內(nèi)傳熱方式為兩相對(duì)流傳熱。

（5）霧狀流：本區(qū)域液相呈分散狀，以液滴形式存在于氣體之中，管壁間的傳熱主要由氣相控制，傳熱系數(shù)大大降低，又因?yàn)閭鳠峁鼙跍亟咏訜峤橘|(zhì)溫度，易造成換熱管過熱而引起再沸器管板處泄漏及結(jié)垢加劇，所以設(shè)計(jì)再沸器時(shí)要避免霧狀流的出現(xiàn)。

3 工程設(shè)計(jì)案例

3.1 工藝條件

某項(xiàng)目甲醇水分離塔塔頂操作壓力0.38 MPa（A），塔釜操作壓力0.42MPa（A），塔釜操作溫度146℃，塔釜液相為H2O99.98% （摩爾分?jǐn)?shù)，下同）、CH3OH0.02%?，F(xiàn)需設(shè)計(jì)一立式熱虹吸再沸器，熱負(fù)荷2000kW左右，加熱介質(zhì)為低壓蒸汽 ［溫度約170℃，壓力約0.70 MPa（A）］。

3.2 關(guān)鍵參數(shù)的確定

3.2.1 汽化率

汽化率是熱虹吸再沸器設(shè)計(jì)過程中一個(gè)非常重要的參數(shù)。在工藝介質(zhì)給定的情況下，汽化率是熱負(fù)荷、靜壓頭和再沸器結(jié)構(gòu)尺寸的函數(shù)。靜壓頭也即塔釜正常液位至再沸器下管板的垂直距離，是影響再沸塔汽化率的關(guān)鍵。常壓和加壓系統(tǒng)內(nèi)，汽化率通常在5%～25%，其出口在較低的蒸氣質(zhì)量分率下，各種結(jié)垢均有減小的傾向；對(duì)于容易結(jié)垢的介質(zhì)，其蒸氣質(zhì)量分率不宜超過20%。含沉淀物或重殘?jiān)鹊慕橘|(zhì)，其結(jié)垢傾向與流體速率關(guān)系密切，提高介質(zhì)流速以減少結(jié)垢是首要考慮的問題［2］。

對(duì)于甲醇水分離塔，由于多采用碳鋼材質(zhì)，運(yùn)行過程中塔釜會(huì)出現(xiàn)鐵銹剝落物，加之上游系統(tǒng)來的羰基化合物等雜質(zhì)也會(huì)進(jìn)入甲醇水分離塔塔釜，據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，考慮結(jié)垢因素，立式熱虹吸再沸器的汽化率宜小于20%。

3.2.2 換熱管規(guī)格

立式熱虹吸再沸器換熱管管長(zhǎng)通常在3.0～3.7m，管子越長(zhǎng)，循環(huán)推動(dòng)力越大，塔的標(biāo)高也會(huì)相應(yīng)增加［2］?？紤]到3m為標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)度，因此本再沸器選用的換熱管管長(zhǎng)定為3m，并按熱虹吸再沸器的通常做法，換熱管管徑 （外徑）定為25mm、壁厚2mm，管間距32mm。

3.2.3 管路系統(tǒng)壓降

通常情況下，增大再沸器入口管線壓降有利于提高再沸器運(yùn)行的整體穩(wěn)定性，同時(shí)可減少再沸器下部的過冷段和顯熱段。因此，入口管路系統(tǒng)壓降占總壓降的20%～30%為宜，出口管路系統(tǒng)壓降占總壓降的10%～20%為宜 （最大不超過 35%）［2］。

3.3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.3.1 再沸器安裝高度的確定

如3.2.1所述，靜壓頭是影響再沸器汽化率的關(guān)鍵，在再沸器結(jié)構(gòu)尺寸和進(jìn)出口管線尺寸已經(jīng)確定的前提下，利用換熱器計(jì)算軟件Aspen EDR模擬計(jì)算不同靜壓頭下立式熱虹吸再沸器出口的汽化率以及再沸器運(yùn)行的穩(wěn)定性，結(jié)果見表1。可以看出，靜壓頭在2600mm以上均能滿足本立式熱虹吸再沸器出口汽化率不超過20%的要求，同時(shí)靜壓頭在2600mm以上時(shí)本立式熱虹吸再沸器能穩(wěn)定運(yùn)行。故對(duì)于本案例而言，正常液位的靜壓頭定為3000mm，從而確定了再沸器的安裝高度。

表1 靜壓頭與再沸器汽化率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.3.2 循環(huán)回路壓降分析

據(jù)3.2.3提及的設(shè)計(jì)原則，本立式熱虹吸再沸器入口管線管徑定為DN100、出口管線管徑為DN300，當(dāng)靜壓頭為3000mm時(shí)，本再沸器循環(huán)回路各部分壓降計(jì)算結(jié)果為：入口管線壓降4.900kPa、再沸器壓降17.068kPa、出口管線壓降 3.560kPa，分別占總壓降的 19.2%、66.8%、14.0%。可見，立式熱虹吸再沸器的入口管路系統(tǒng)壓降占總壓降的19.2%，與建議的入口管路系統(tǒng)壓降占總壓降的比例 （20% ～30%）相差不大；出口管路系統(tǒng)壓降占總壓降的14.0%，與建議的出口管路系統(tǒng)壓降占總壓降的比例 （10%～20%）相符。綜上，本立式熱虹吸再沸器的進(jìn)、出口管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

3.3.3 不同液位下再沸器性能的校核

考慮到甲醇水分離塔的實(shí)際操作情況，分別計(jì)算了塔釜處于高液位、正常液位、低液位時(shí)本立式熱虹吸再沸器的性能，結(jié)果見表2。可以看出，不同液位下本再沸器的汽化率、入口ρν2、出口介質(zhì)流型等工藝指標(biāo)均可滿足要求，同時(shí)，計(jì)算報(bào)告信息欄中顯示本再沸器運(yùn)行穩(wěn)定。

表2 不同液位下再沸器性能的校核

3.3.4 再沸器總體結(jié)構(gòu)參數(shù)

經(jīng)上述計(jì)算與分析，本立式熱虹吸再沸器的安裝高度、換熱管管長(zhǎng)、再沸器的進(jìn)出口管路系統(tǒng)壓降等關(guān)鍵參數(shù)均已確定，由AspenEDR軟件計(jì)算獲得換熱器的主要設(shè)備參數(shù)，見表3。

表3 立式熱虹吸再沸器的主要設(shè)備參數(shù)

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）靜壓頭是影響再沸器汽化率的關(guān)鍵，對(duì)于甲醇水分離塔立式熱虹吸再沸器而言，考慮其工藝特點(diǎn)，需控制再沸器出口汽化率不超過20%。據(jù)計(jì)算結(jié)果，本案例中甲醇水分離塔在正常液位、高液位、低液位時(shí)，再沸器出口汽化率分別為15.1%、12.8%、19.0%。

（2）立式熱虹吸再沸器進(jìn)出口管路系統(tǒng)的壓降對(duì)再沸器的汽化率、運(yùn)行穩(wěn)定性等有重要影響，進(jìn)出口管路系統(tǒng)壓降所占總壓降的比例需加以控制，否則會(huì)造成熱虹吸再沸器運(yùn)行不穩(wěn)定。據(jù)計(jì)算結(jié)果，本案例中甲醇水分離塔再沸器入口管線管徑為100mm，出口管線管徑為300mm。

（3）考慮到實(shí)際操作情況，校核了甲醇水分離塔塔釜處于高液位、正常液位、低液位時(shí)本立式熱虹吸再沸器的性能，計(jì)算結(jié)果顯示再沸器的各項(xiàng)工藝指標(biāo)均能滿足要求。

（4）工程設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，需密切關(guān)注立式熱虹吸再沸器的運(yùn)行信息，以確保再沸器的穩(wěn)定運(yùn)行，否則需調(diào)整相關(guān)參數(shù)。