熱虹吸式再沸器的設(shè)計與選用解析

陳發(fā)揮

摘 要：再沸器常用于蒸餾塔底，對塔底流體加熱使其部分汽化返回塔內(nèi)，為蒸餾塔提供上升蒸汽，設(shè)計再沸器時，必須與蒸餾塔的使用特點和結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。在石油化工廠，熱虹吸式再沸器應(yīng)用很廣泛，且多采用管殼式。

關(guān)鍵詞：再沸器;熱虹吸式;設(shè)計;選用

1 常見再沸器的種類

1.1 立式熱虹吸再沸器

如圖所示立式熱虹吸再沸器是利用塔底單相釜液與換熱器傳熱管內(nèi)汽液混合物的密度差形成循環(huán)推動力，構(gòu)成工藝物流在精餾塔底與再沸器間的流動循環(huán)。立式及臥式熱虹吸再沸器本身沒有氣、液分離空間和緩沖區(qū)，這些均由塔釜提供。工藝物流側(cè)在管程，傳熱系數(shù)高，投資低，為獲得好的循環(huán)，可能需要比較高的塔裙高度。汽化率為15%-40%?？捎糜谡婵蘸偷蛪合到y(tǒng)。

式熱虹吸再沸器具有的特點：循環(huán)推動力是釜液和換熱器傳熱管氣液混合物的密度差;結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、傳熱系數(shù)高;殼程不能機械清洗，不適宜高粘度、或臟的傳熱介質(zhì);塔釜提供氣液分離空間和緩沖區(qū);設(shè)備被直接安裝在塔旁由于管線系統(tǒng)簡單，故設(shè)備造價低。

1.2 臥式熱虹吸式再沸器

如圖所示臥式熱虹吸式再沸器加熱介質(zhì)在管內(nèi)流動，管程可以為單流程也可以為多流程。進料是從塔底下降管引入再沸器，液體在殼程沸騰發(fā)生汽化，形成密度較小的汽液混合物，由于進料管和排出管中液體的密度差產(chǎn)生靜壓差，成為流體自然循環(huán)的推動力。

臥式熱虹吸式再沸器具有的特點：循環(huán)推動力是釜液和換熱器傳熱管氣液混合物的密度差;占地面積大，傳熱系數(shù)中等，維護、清理方便;塔釜提供氣液分離空間和緩沖區(qū)。有較高的循環(huán)率，因而有較高的流速和較低的出口干度，從而防止了高沸點組分的積聚和降低了結(jié)垢的速率。工藝物流側(cè)在殼程，傳熱系數(shù)中偏高，投資適中，占地面積大，裙座高度低，汽化率為3%-35%。

2 熱虹吸式再沸器流動沸騰機理

立式熱虹吸式再沸器的受熱段可分為五段，分別為：①單相對流顯熱段，由于靜壓頭的存在，該區(qū)域的壓力大于流體飽和狀態(tài)的壓力。為使液體氣化沸騰，必須將液體加熱到對應(yīng)壓力下的飽和溫度以上;②過冷沸騰段，當(dāng)流體經(jīng)換熱管向上流動，壓力逐降低，直到接近換熱管壁溫所對應(yīng)的飽和蒸氣壓時，在換熱管壁上液體開始形成氣泡，氣泡不斷長大，破裂。盡管沒有氣體產(chǎn)生，但由于氣泡的作用，該段流體的膜傳熱系數(shù)迅速增加;③泡狀流和活塞流段，當(dāng)流體持續(xù)加熱達到飽和溫度時，大量氣泡在管壁形成，離開換熱管內(nèi)壁并在流體內(nèi)變大聚集形成氣體活塞;④攪動流段，隨著氣體體積的增加，氣體活塞聚集在一起形成一連串的氣核。但在這個區(qū)域氣體流速還不足以帶動液體向上流動，同時由于氣液相間的相互作用，管內(nèi)液體出現(xiàn)攪動現(xiàn)象;⑤環(huán)狀流段，當(dāng)氣體的剪切應(yīng)力足夠大時，氣體帶動液體沿?fù)Q熱管向上運動，此時流體在立式熱虹吸再沸器內(nèi)完成了主要的相變和傳熱過程。設(shè)計再沸器時要避免霧狀流的出現(xiàn)。

3.選用注意事項

①結(jié)構(gòu)尺寸：管徑：由于管內(nèi)物料中含有蒸汽和液體，管外徑通常為38mm，不應(yīng)小于25mm。管長：通常采用2.5m，最長為3.5m或4m，很少采用5m;②壓力降：總壓力降包括從塔底液面起，流體流經(jīng)再沸器入口管壓、換熱管壓降，氣液混合物返回塔底液面上方所克服的阻力。入口管線壓力降越小，循環(huán)量越大，出口汽化分率越小，不利于穩(wěn)定操作;出口管線壓力降越小，操作性能越穩(wěn)定;③進出管口大?。阂话阍俜衅鞒隹诠芙孛娣e不小于管程的總橫截面積，液體混合物進口管徑為1/2蒸汽出口管;④出口汽化率：有機物通常取15%～40%，大多數(shù)操作情況下平均值約為25%～28%。水溶液的氣化率可以從5%到25%～30%范圍變化;⑤再沸器的安裝高度：再沸器最佳設(shè)計要能夠使液體混合物在到達管子頂部時全部完成單程的氣化率，然后氣液混合物離開再沸器進入精餾塔底部空間，為了達到這個目的，可調(diào)節(jié)再沸器的上管板與蒸餾塔塔釜液位持平。有時為了優(yōu)化循環(huán)速率，塔釜液位需要高出管板約25%～30%的再沸器管長;⑥再沸器有效溫差：氣液混合物的出口溫度與殼程熱流體的入口溫度差不應(yīng)超過23℃～28℃。溫差過高，與流體溫度有關(guān)的結(jié)垢速度迅速增加甚至出現(xiàn)焦化現(xiàn)象，汽液混合物有可能在管子上部轉(zhuǎn)化為傳熱速率較低的膜狀沸騰。

4 結(jié)語

綜上所述，熱虹吸式再沸器可利用自身液柱靜壓差提供驅(qū)動力，不需額外消耗動力，金屬耗量低，投資和操作費用相對較低，可控性好，在石油化工企業(yè)應(yīng)用較廣泛。再沸器的選用合理與否，直接影響其所服務(wù)蒸餾塔的運行穩(wěn)定，了解熱虹吸式再沸器沸騰機理和選型注意事項，有助于合理地設(shè)計和選用再沸器，使其穩(wěn)定地為所服務(wù)的蒸餾塔提供熱量。

參考文獻：

[1]孫蘭義，馬占華，王志剛，張駿馳.換熱器工藝設(shè)計[M].北京：中國石化出版社，2015.