臥式熱虹吸再沸器HTRI優(yōu)化設(shè)計

龍 奎，楊自偉，樊 凱

(惠生工程(中國)有限公司工藝系統(tǒng)室，上海 201210)

沸騰傳熱是指熱介質(zhì)將熱量傳遞給壁面，然后被加熱的壁面再將熱量傳遞給冷液體并使其汽化。加熱壁面上不斷地發(fā)生氣泡的形成、長大和脫離等過程，使得附近的流出處于強(qiáng)烈的擾動狀態(tài)中，也使得質(zhì)量和熱量的傳遞速率比一般的傳熱過程要迅速的多，所以其傳熱系數(shù)比無相變時候的傳熱系數(shù)也要大的多。

按照沸騰液體所處空間和流動狀態(tài)的不同，可將沸騰分為：(1)池內(nèi)沸騰(或稱大容積沸騰)，即加熱面全部處在液面以下，在加熱壁面生成的氣泡長大后受到浮力的作用脫離壁面，液體僅存在由氣泡擾動和自然對流引起的流動，宏觀上液體是靜止的；(2)流動沸騰，即液體受到一定的吸引力迫使其以一定的流速掠過加熱壁面的沸騰現(xiàn)象。

再沸器是工業(yè)中非常重要的實(shí)現(xiàn)沸沸騰傳熱的設(shè)備，常安裝于精餾塔底，作為熱源對塔底物流進(jìn)行加熱并使部分物料汽化返回塔內(nèi)，以提供完成精餾操作必須的汽液逆向接觸[1]。

1 再沸器型式的類型及選用原則

再沸器根據(jù)形式主要分為釜式再沸器和熱虹吸再沸器。

1.1 釜式再沸器

塔釜液體進(jìn)入釜式再沸器后浸沒管束，受管程的高溫蒸汽等介質(zhì)加熱后發(fā)生以泡核沸騰為主的沸騰過程。上升的汽相夾帶部分液相進(jìn)入釜式再沸器的擴(kuò)大的殼體，大部分液相在較大的汽液分離空間中得以分離出來，因此進(jìn)入上升管返回精餾塔的汽相量較少。飽和液體溢過溢流堰至儲液槽，再流出釜式再沸器進(jìn)入后續(xù)流程。釜式再沸器對操作條件不敏感，可以達(dá)到80%以上的汽化率或使用溫差較低的加熱介質(zhì)，在高真空或者接近臨界壓力下操作時均比較穩(wěn)定，操作彈性較大。但是它不適于易結(jié)垢或含有固體顆粒的介質(zhì)，否則容易堵塞管束或者積聚在溢流堰和管束之間。另外由于殼體有擴(kuò)大部分，所以其金屬耗量大，成本較高，且占地面積也較大[2]。

1.2 熱虹吸再沸器

熱虹吸再沸器是指在重沸器中由于冷流體被加熱汽化，使得上升管中的汽液混合物密度明顯小于入口管中純液相的密度，因此形成的靜壓差不斷推動塔底進(jìn)入再沸器，而加熱產(chǎn)生的氣液混合物自然地返回塔內(nèi)，形成了循環(huán)。其循環(huán)速率完全取決于兩端靜壓差的大小[3]。

熱虹吸再沸器根據(jù)安裝及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可分為臥式熱虹吸再沸器和立式熱虹吸再沸器)。其中臥式熱虹吸再沸器和釜式再沸器都是在殼程沸騰，均屬于池內(nèi)沸騰，立式熱虹吸再沸器在垂直的管程內(nèi)沸騰，屬于流動沸騰。臥式熱虹吸再沸器可以為多管程，立式熱虹吸再沸器常見為單管程[4]。

一般來說立式熱虹吸再沸器傳熱系數(shù)較高、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、制造及安裝成本較低，在滿足工藝要求的前提下應(yīng)優(yōu)先選用。但是在以下條件時，其使用則受到限制。

①工藝介質(zhì)結(jié)垢很嚴(yán)重時不宜選用。

如果工藝介質(zhì)在管程沸騰時很容易結(jié)垢，那么則會造成管路堵塞，導(dǎo)致壓降增大。由于配管及結(jié)構(gòu)上的原因，其垂直管束拆卸較困難，清洗和維修都不方便。

②工藝介質(zhì)粘度較大時不宜選用。

如果介質(zhì)粘度較大，超過0.5cp時，其在垂直管中上升阻力也較大，會降低循環(huán)效果。

③塔和再沸器尺寸較大時不宜選用。

立式熱虹吸再沸器要求塔裙座高度較高，當(dāng)塔直徑較小時，增加裙座高度需要的成本較少，選用立式熱虹吸再沸器是適合的；但當(dāng)塔直徑較大時，裙座高度增加引起的土建成本及安裝成本均成比例增加，也就限制了熱虹吸再沸器管束的長度，熱負(fù)荷一定時可能需要多臺并聯(lián)使用，反而增加了總投資。

因此，不同的工藝過程適宜選用的熱虹吸再沸器形式是不同的。根據(jù)工業(yè)上多年的使用經(jīng)驗(yàn)，在醫(yī)藥化工、精細(xì)化工領(lǐng)域，所處理的物料流量較小，粘度較低，不易結(jié)垢，故基本全部使用立式熱虹吸再沸器；但是在煉油裝置中，介質(zhì)流量較大，粘度高，易結(jié)垢，故臥式熱虹吸再沸器占據(jù)了主導(dǎo)地位，約占90%[5]。

三種形式的再沸器的性能對比情況見表1[1]。

表1 再沸器性能對比情況

目前立式熱虹吸再沸器的計算及設(shè)計方面的報道較多[6-8]，已研究地較為透測，本文主要針對臥式熱虹吸再沸器進(jìn)行研究。

2 應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)以胺液再生單元的再生塔底再沸器作為工程實(shí)例來介紹使用HTRI設(shè)計臥式熱虹吸再沸器的方法和設(shè)計要點(diǎn)。

2.1 輸入物性數(shù)據(jù)

計算需要的物性數(shù)據(jù)可以通過PRO/II模擬文件直接導(dǎo)入htri文件，也可以手動輸入，臥式熱虹吸再沸器流量參數(shù)見表2，部分殼側(cè)工藝介質(zhì)物性參數(shù)見圖1，部分管側(cè)蒸汽物性參數(shù)見圖2。

表2 流量參數(shù)

圖1 部分殼側(cè)工藝介質(zhì)物性參數(shù)

圖2 部分管側(cè)蒸汽物性參數(shù)

2.2 輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)

首先在Reboiler標(biāo)簽頁中默認(rèn)選擇Reboiler Type為No piping specified，即先將此臥式熱虹吸再沸器當(dāng)成普通的管殼式換熱器進(jìn)行計算。輸入TEMA型式為BJ12S，殼徑1500 mm，單弓型折流板，板切率35%，板間距600 mm，管長6 m，管外徑25 mm、45°角排列、雙管程等。

運(yùn)行之后根據(jù)Reports頁的Overdesign、Velocities、Flow Fractions和Data Check Messages、Runtime Messages、Vibration標(biāo)簽頁的提示信息等對之前輸入的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整直至符合普通管殼式換熱器的要求。

2.3 輸入管道參數(shù)

在完成上述步驟之后，再到Reboiler標(biāo)簽頁中選擇Reboiler Type為Thermosiphon reboiler。因?yàn)橹皩?dǎo)入物性數(shù)據(jù)的時候用的壓力為塔釜的壓力，所以在此頁的Inlet Pressure Location一項(xiàng)中選擇At column bottom[8]。

切換至Piping標(biāo)簽頁，默認(rèn)選擇Inlet Piping和Outlet Piping的Friction factor method均為Smooth。此法適用于管徑較大，相對粗糙度較小的場合；Commercial方法的計算結(jié)果稍保守一些；Colebrook-White方法適用于已知管道粗糙度的場合。在Piping Data區(qū)域輸入進(jìn)出再沸器的管徑及估算的管長，其示意圖見圖3。

圖3 臥式熱虹吸再沸器HTRI Piping示意圖

再進(jìn)入Piping——Inlet標(biāo)簽頁，在Piping頁輸入的Main Inlet的長度和管徑數(shù)值已自動傳遞至此標(biāo)簽頁，默認(rèn)勾選Bend Allowance為Yes，這樣HTRI會自動地加上彎頭、三通等管件的當(dāng)量長度。

進(jìn)口段當(dāng)量長度具體計算原則如下：

①對于所有的殼體，進(jìn)口段當(dāng)量長度= 主進(jìn)口管(A)長度+68倍主進(jìn)口管(A)直徑；

②對于G、H和J21型殼體，進(jìn)口段當(dāng)量長度=主進(jìn)口管(A)長度+68倍主進(jìn)口管(A)直徑+79倍集合管(E)直徑；

③管嘴接管(B)處不再增加當(dāng)量長度。

對于J12型殼體，進(jìn)口管嘴只有一個，所以不存在管嘴接管(B)和集合管(E)，即此處不需要輸入其他參數(shù)。

再進(jìn)入Piping——Outlet標(biāo)簽頁，在Piping頁輸入的Main Outlet的長度和管徑數(shù)值同樣已自動傳遞至此標(biāo)簽頁，同上理默認(rèn)勾選Bend Allowance為Yes。

出口段當(dāng)量長度具體計算原則如下：

①對于所有的殼體，出口段長度= 主出口管(C)長度+34倍主出口管(C)直徑；

②對于G、H和J21型殼體，出口段長度=主出口管(C)長度+34倍主出口管(C)直徑+79倍集合管(F)直徑；

③管嘴接管(D)處不再增加當(dāng)量長度。

對于J12型殼體，出口管嘴有量個，所以需要輸入管嘴接管(D)和集合管(F)的管徑及長度。

完成上述設(shè)置后重新進(jìn)行計算，如2.2節(jié)所示根據(jù)HTRI反饋信息進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整，直至符合要求。

2.4 計算結(jié)果

圖4為上述實(shí)例的計算報告，在各信息窗口無任何異常警告信息，亦即此再沸器設(shè)計成功。

圖4 實(shí)例計算報告

圖5為Final Results頁的Overall Performance Data計算結(jié)果，可以看出此時HTRI計算出的需要凈壓頭為1.821 m，通常考慮50%的余量，即保證2.73 m的安裝高度即可完全滿足此熱虹吸再沸器推動力的要求。

圖5 凈壓頭計算報告

3 結(jié)論

綜上所述，本文主要介紹了再沸器的基本分類及各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適宜運(yùn)用的場合，再以再生塔底再沸器作為實(shí)例，展示了用HTRI軟件輸入物性參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、管道參數(shù)的過程，并對管道參數(shù)調(diào)作了詳細(xì)說明，設(shè)計出了符合要求的臥式熱虹吸再沸器，可供相關(guān)人員設(shè)計再沸器時參考。