臥式熱虹吸再沸器在異構(gòu)化裝置中的設(shè)計(jì)優(yōu)化

趙明，王毅，尚劍

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065）

1 引言

在煉油項(xiàng)目異構(gòu)化裝置再沸器設(shè)計(jì)選型時(shí)，多采用臥式熱虹吸再沸器。臥式熱虹吸再沸器的管束為水平方向布置，可以得到較大的傳熱面積和較高的傳熱速率。大部分再沸器采用蒸汽做熱源，而通常蒸汽管網(wǎng)操作參數(shù)是固定的。若再沸器蒸汽熱源選擇不合適，會造成工藝物料氣化率低，同時(shí)由于兩相流的存在，可能會造成設(shè)備或管線振動等情況出現(xiàn)。本文根據(jù)蒸汽和工藝物料合適的平均溫差，結(jié)合現(xiàn)場不同蒸汽規(guī)格，選出合適的蒸汽熱源，對異構(gòu)化裝置熱虹吸再沸器進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2 概述

再沸器主要分為強(qiáng)制循環(huán)式和熱虹吸式再沸器等，熱虹吸式再沸器包括立式熱虹吸再沸器和臥式熱虹吸再沸器。熱虹吸式再沸器通常以自循環(huán)方式操作，依靠釜液和換熱器殼側(cè)氣液混合物的密度差為推動力形成熱虹吸效應(yīng)。

在再沸器熱負(fù)荷確定的情況下，平均溫差、換熱面積、傳熱系數(shù)成為相互制約的因素，而平均溫差對傳熱系數(shù)和換熱面積均有影響，故尋求合適的平均溫差是再沸器設(shè)計(jì)的重要因素。

3 臥式熱虹吸再沸器

3.1 臥式熱虹吸再沸器結(jié)構(gòu)

臥式熱虹吸再沸器是一種管殼式再沸器，它們常用于石油化工裝置[1]。臥式熱虹吸再沸器有許多種[2]，通?！癊”和“J”形較常見，而“X”“G”和“H”形用途更多，這取決于對傳熱速率、結(jié)垢情況、殼程壓降和物料組成等要求。

3.2 臥式熱虹吸再沸器優(yōu)勢

1）與釜式再沸器相比，臥式熱虹吸再沸器的循環(huán)量比較大，通過它的寬沸程混合物所需溫升比釜式再沸器低，臥式熱虹吸再沸器中出現(xiàn)較高的局部沸騰溫差和傳熱速率。

2）與立式熱虹吸再沸器相比，臥式熱虹吸再沸器與塔出口管線垂直高度的水力學(xué)設(shè)計(jì)的彈性很大，所需靜壓頭要低于立式熱虹吸再沸器。對于石油類等寬沸程混合物，多采用臥式熱虹吸再沸器。

4 平均溫差

4.1 平均溫差概述

當(dāng)液體被加熱時(shí)，把在液體內(nèi)部產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象叫作沸騰。如果在傳熱面上產(chǎn)生沸騰，傳熱系數(shù)由于氣泡的產(chǎn)生、成長、脫離而迅速增大。

把表示液體和加熱面之間的平均溫差和熱流密度（單位傳熱面積的熱通量）Q/A 之間的關(guān)系曲線叫沸騰曲線。圖1 為甲醇的沸騰曲線[3]。在圖中A～B 范圍內(nèi)，液體自然對流加熱，這個(gè)范圍叫非沸騰區(qū)。B 是沸騰起始點(diǎn)，在B～D 范圍內(nèi)，氣泡從加熱面表面連續(xù)產(chǎn)生，把這個(gè)范圍叫作泡核沸騰區(qū)。D 點(diǎn)是產(chǎn)生泡核沸騰的最大熱流密度點(diǎn)，此時(shí)的溫差叫作臨界最大溫差。D～H 的范圍被稱為過渡沸騰區(qū)，隨著溫差的上升，熱流密度反而迅速下降，是加熱面表面溫度的不穩(wěn)定區(qū)。H 點(diǎn)有最小的熱流密度，在H～I(xiàn) 的范圍內(nèi)，加熱面被蒸汽膜覆蓋，熱量通過這個(gè)蒸汽膜的導(dǎo)熱和輻射形式傳遞，這個(gè)區(qū)域叫膜狀沸騰區(qū)。

圖1 甲醇沸騰曲線

因?yàn)樵谂莺朔序v下，傳熱系數(shù)高，所以，一般工業(yè)裝置中再沸器設(shè)計(jì)采用的平均溫差都是這個(gè)范圍。表1 列出了一些介質(zhì)的臨界最大溫差的參考值。

表1 部分介質(zhì)臨界最大溫差

由表1 可以得出，大多數(shù)工藝介質(zhì)的臨界最大溫差通常介于20～40 ℃。

4.2 平均溫差的控制

對于蒸汽管網(wǎng)壓力級別固定的裝置，再沸器依據(jù)平均溫差和有污垢熱阻的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)。若再沸器的平均溫差較低，參考圖1 可知，泡核沸騰區(qū)的熱流密度很不穩(wěn)定，部分因素如污垢熱阻會對其產(chǎn)生較大影響，可以采用低翅片管來擴(kuò)大和改變管子表面，增加泡核的生成。

若再沸器在較大的平均溫差下操作，可能會出現(xiàn)膜狀沸騰，甚至干涸沸騰。在有些工況下，由于不得不采用高溫?zé)嵩?，在較大的平均溫差下將再沸器設(shè)計(jì)成膜狀沸騰狀態(tài)，此時(shí)要特別注意增大再沸器的換熱面積裕量，以防由于傳熱系數(shù)的降低而影響再沸器的換熱效果。

總之，再沸器需要在合適的平均溫差下進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 臥式熱虹吸再沸器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

在異構(gòu)化裝置中，使用高壓過熱蒸汽為再沸器提供熱源，高壓蒸汽經(jīng)減溫減壓后為異構(gòu)化裝置4 臺再沸器提供熱源，其中用戶1～3 再沸器的平均溫差均在臨界平均溫差范圍內(nèi)，不予討論，本文只討論用戶4。

考慮到其他用戶需求，高壓過熱蒸汽在減溫減壓后的蒸汽操作參數(shù)為1.33 MPa（G），223 ℃。由于1.33 MPa（G）蒸汽對應(yīng)飽和溫度為196 ℃，故減溫減壓后的蒸汽仍為過熱蒸汽。在原設(shè)計(jì)中，用戶4 利用該蒸汽為熱源，其冷熱側(cè)的操作條件如表2 所示。

表2 舊工況冷熱側(cè)操作條件

由于再沸器主要是利用熱源的潛熱，過熱蒸汽在換熱后變成飽和蒸汽凝液。故該再沸器冷熱介質(zhì)的平均溫差約為63 ℃。

用戶4 工藝側(cè)物料主要組分為戊烷，與表1 中的正戊烷參數(shù)接近。查表后，得到其臨界平均溫差為33 ℃，與殼側(cè)工藝物料溫度相加，得出合適的熱源蒸汽溫度約為170 ℃，該蒸汽的飽和壓力為0.7 MPa（G）。

由于本裝置存在中壓蒸汽管網(wǎng)，中壓蒸汽參數(shù)1.0 MPa（G），220 ℃。該蒸汽經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥減壓到0.7 MPa（G），利用該蒸汽作為熱源，修改管程蒸汽熱源參數(shù)，冷熱側(cè)操作條件見表3。

使用HTRI 9.0 軟件對管程參數(shù)不同的再沸器計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表4 所示。

表4 再沸器計(jì)算結(jié)果對比

設(shè)計(jì)中只改變了再沸器管程蒸汽的入口壓力，其他參數(shù)未做任何調(diào)整。經(jīng)過計(jì)算，新工況下計(jì)算結(jié)果沒有出現(xiàn)振動等警告信息，部分計(jì)算結(jié)果發(fā)生明顯變化，具體變化如下。

1）傳熱系數(shù)：新工況下，再沸器的傳熱系數(shù)比原再沸器高69.4%。當(dāng)使用1.33 MPa（G）的過熱蒸汽時(shí)，平均溫差為65.2 ℃，傳熱系數(shù)559 W/（m2·K），傳熱效率低，長期運(yùn)行可能會出現(xiàn)管側(cè)蒸汽凝液過冷現(xiàn)象。當(dāng)使用0.7 MPa（G）的蒸汽時(shí)，對數(shù)平均溫差為38.5 ℃，此時(shí)總傳熱系數(shù)為947 W/（m2·K），對流傳熱系數(shù)高。

2）平均溫差：新工況下，再沸器的平均溫差接近臨界最大溫差，而原設(shè)計(jì)的平均溫差遠(yuǎn)大于臨界最大溫差。當(dāng)采用0.7 MPa（G）的蒸汽時(shí)，由于平均溫差僅為38.5 ℃，傳熱系數(shù)較高，冷熱流體的換熱效果好。

3）設(shè)計(jì)裕量：原再沸器使用高壓過熱蒸汽，由于平均溫差大于臨界最大溫差，再沸器處于膜狀沸騰區(qū)，傳熱系數(shù)低。新再沸器雖然設(shè)計(jì)裕量變小，但平均溫差接近臨界最大溫差，再沸器處于泡核沸騰區(qū)，傳熱系數(shù)高。

4）蒸汽用量：新再沸器蒸汽用量為16 139 kg/h，比原再沸器每小時(shí)減少近7%的蒸汽負(fù)荷，可降低裝置的操作運(yùn)行費(fèi)用。

6 結(jié)論

本文對臥式熱虹吸再沸器結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的介紹，闡述了再沸器在外形結(jié)構(gòu)、操作維護(hù)中的優(yōu)勢及適用范圍。同時(shí)對再沸器平均溫差及其控制進(jìn)行了詳細(xì)介紹和分析。結(jié)合異構(gòu)化裝置中臥式熱虹吸再沸器實(shí)例，使用HTRI 軟件對臥式熱虹吸再沸器進(jìn)行模擬和優(yōu)化，通過對比傳熱系數(shù)、平均溫差、設(shè)計(jì)裕量和蒸汽用量等參數(shù)對原工況和新工況進(jìn)行了詳細(xì)的對比，得出平均溫差是再沸器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一，具體結(jié)論如下。

1）對于再沸器的設(shè)計(jì)，平均溫差的取值需在合適范圍內(nèi)。若平均溫差過大，則會造成傳熱系數(shù)的下降，傳熱效率降低，且長期運(yùn)行可能會出現(xiàn)管側(cè)蒸汽凝液的過冷現(xiàn)象。

2）平均溫差最好選擇在泡核沸騰區(qū)，此時(shí)傳熱系數(shù)較高，壁溫較低，冷熱流體換熱穩(wěn)定，不會出現(xiàn)由于冷熱流體溫差過大造成蒸汽凝液無法順利回收的情況。

7 結(jié)語

對于大型化工項(xiàng)目，特別是有熱虹吸再沸器的石油化工類項(xiàng)目，由于其投資比較大，在規(guī)劃全廠蒸汽管網(wǎng)時(shí)，需考慮各裝置再沸器的平均溫差，從而選擇設(shè)置合適的蒸汽管網(wǎng)壓力，保證各個(gè)蒸汽用戶都能運(yùn)行良好，避免出現(xiàn)過高的平均溫差而造成再沸器操作難以控制，凝液流通不暢的現(xiàn)象。