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      MRU再生塔再沸器的工程設計

      2020-07-01 03:38:50王文濤何佳偉
      云南化工 2020年6期
      關鍵詞:富液沸器乙二醇

      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。

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