MRU再生塔再沸器的工程設計

張 孝，李 華*，趙 磊，王文濤，何佳偉

（1.重慶前衛(wèi)科技集團有限公司，重慶 401121；2.江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

關鍵字：再沸器；MRU；EDR

在深水開采可燃冰時，由于通道處于高壓輸送情況下，通道內會出現水合物造成管線凍堵，對正常開采產生一定的影響。借鑒以往的開發(fā)經驗，采用乙二醇（MEG）作為水合物抑制劑，防止管道內水合物的生成。乙二醇再生與回收（MRU）包括預處理、脫水再生和脫鹽三個單元，分別除去MEG富液中的烴、水和鹽等雜質，從而得到滿足往入純度要求的MEG貧液，實現MEG的循環(huán)使用［1-5］。

再沸器是MRU脫水再生單元中安裝在再生塔底部的換熱器，主要是依靠熱載體對塔釜內的MEG富液進行加熱，使MEG富液中的水汽化返回再生塔內，使富液得到分餾所需要的熱量［6］。本文采用Aspen EDR對MRU中再生塔再沸器進行工程設計，對介再沸器的工作原理進行了簡介，并確定了相關參數，設計出了滿足要求且穩(wěn)定運行的再沸器，本研究為MRU中的再沸器設計奠定一定基礎。

1 再沸器選型及原理

1.1 再沸器的選型

再沸器主要有釜式、熱虹吸式（立式和臥式）、強制循環(huán)式和內置式等類型，本文設計研究對象是MRU再生單元中的再沸器，立式熱虹吸再沸器以傳熱系數大、投資低、結構緊湊較小、穩(wěn)定性較高、加熱停留時間短等優(yōu)點，作為MRU中再沸器的首選方案［6］。

1.2 再沸器的工作原理

立式熱虹吸再沸器的循環(huán)動力來自于塔釜靜壓頭和再沸器內兩相流體的密度差，阻力為再沸器進出口管阻力降以及管程阻力降。其中加熱介質走殼程，工藝流體走管程，圖1為立式熱虹吸再沸器換熱管中的不同區(qū)域，根據換熱管內流體不同的氣液狀態(tài)而劃分。

圖1 再沸器工作原理圖

單相對流顯熱段：由于存在靜壓頭，所以此區(qū)域的壓力需大于流體飽和狀態(tài)下的壓力。為了使換熱管內液體沸騰，需對液體進行加熱，達到對應壓力下的飽和溫度。

過冷沸騰段：隨著換熱管內的液體向上，壓力隨之降低，當壓力下降到管壁所對應的飽和蒸氣壓時，氣泡在管壁上形成，并不斷長大破裂。

泡狀流（Bubble）和活塞流段（Slug）：當換熱管內流體被不斷的加熱，管壁內形成大量氣泡，氣泡從管內壁離開，在流體內匯集變大形成氣體活塞。

攪動流段（Churn）：隨著溫度升高，換熱管內氣體不斷增加，氣體活塞匯集在一起，形成一連串的氣核，由于氣液相間的相互作用，管內液體出現攪動現象。

環(huán)狀流段（Annular）：當氣體的剪切應力達到一定程度時，液體會隨著氣體向上運動在換熱管內，此時流體在換熱管內完成了主要的相變。

在圖1中，環(huán)狀流上部有一段區(qū)域為霧狀流（Mist），設計再沸器時要避免出現此氣化流型，因為霧狀流的出現會在很大程度下降低總傳熱系數。

2 再沸器設計

2.1 工藝條件

立式熱虹吸式再沸器中冷熱流體（飽和水蒸氣和乙二醇富液）的工藝條件見表1。入口管線長8000mm，出口管線長1000mm。

表1 立式熱虹吸式再沸器工藝數據

2.2 關鍵參數

2.2.1 物性參數

溫度為175℃、壓力為0.8MPa的熱流體飽和蒸汽，物性包選擇B-JAC物性，物性方法選擇I-deal［6］。針對冷流體富乙二醇的物性參數，物性包選擇Aspen Properties物性庫，由于物系僅含有乙二醇、水和一價鹽，該物系為極性物系，因此采用NRTL-RK方程作為物性方法［4］。

2.2.2 結構參數

再沸器采用單管程E型殼體，前封頭采用B型，后封頭采用M型；換熱管選用25mm×2mm的316不銹鋼管道作為換熱管，管間距為32mm，采用正三角形排列；考慮到MRU系統(tǒng)安裝要求，再沸器按照高度不能太高，故選擇傳熱管長度為3m；選擇圓缺高度為直徑40%～45%的折流板，缺口方向為橫缺形。

2.2.3 水力學參數

由于MRU再生塔采用碳鋼材質，在系統(tǒng)的運行過程中，鐵銹剝落物以及MEG富液中的烴類和鹽水化合物等雜質會進入MRU再生塔塔釜，據參考文獻以及設計經驗，考慮到結垢等因素，再沸器的汽化率宜小于25%大于5%［6］。

2.2.4 管路系統(tǒng)壓降

通常情況下，再沸器的管程進口壓降占總壓降的20%～35%為宜，特別對有軸向接管的換熱器，出口壓降占總壓降的10%～20%，最大不能超過35%［6］。

2.3 再沸器設計結果及分析

將冷熱流體的工藝參數、物性參數、結構參數輸入到Aspen EDR的設計模式中進行初步設計后，再將計算模式由設計模式轉到模擬模式，根據初步設計結果，依據相關標準上的標準規(guī)格對立式熱虹吸式再沸器的參數進行圓整和校核。

2.3.1 靜壓頭的選取

靜壓頭即塔釜正常液位至再沸器下管板的垂直距離，是影響再沸器內的汽化率值的關鍵參數。在EDR軟件Thermosiphon Piping中分別輸入1200～3600mm中的7個靜壓頭，數據如表2所示。根據相關資料，水蒸氣與有機液體的傳熱系數經驗值范圍為570～1100 W/（m2·K）［6］，由表 2可知，再沸器在不同的靜壓頭下，均滿足總傳熱系數范圍值且穩(wěn)定運行。當靜壓頭為1200mm時氣化率為18.2%，靜壓頭為3600mm時氣化率為6.9%，均滿足再沸器氣化率宜小于25%大于5%的要求，根據參考文獻的經驗總結，靜壓頭的取值宜小于換熱管長度，換熱管長度為3000mm，故取2400mm的靜壓頭作為設計基準，且靜壓頭為2400mm時，換熱管內的最終流型為環(huán)狀流（Annular），滿足設計要求。

表2 靜壓頭與再沸器汽化率的對應關系

2.3.2 再沸器管程進出口管徑的選擇

當立式熱虹吸再沸器靜壓頭為2400mm時，入口管線管徑為100mm、出口管線管徑為300mm時，殼側進出口接管壓力降分別占殼側總壓降的4.12%和7.29%，殼側的壓力降主要分布在折流板的錯流區(qū)和窗口區(qū)。管側進出口接管壓力降分別為管側總壓降的24.28%和18.54%，與建議的出入口管路系統(tǒng)壓降比相符。

2.3.3 設計結果

采用Aspen EDR軟件對乙二醇再生脫水流程中的再生塔再沸器進行設計，最終得到換熱器主要參數，見表3。

表3 再沸器主要參數表

3 結語

對再沸器的工作原理進行了介紹。采用Aspen EDR軟件對立式熱虹吸再沸器進行工程設計，設計出了滿足要求且穩(wěn)定運行的再沸器，本研究為MRU中的再沸器設計奠定一定基礎?？晒┫嚓P人員使用EDR設計再沸器時作為參考。