熱虹吸式再沸器的優化操作

劉鐵柱 （中沙（天津）石化有限公司，天津 300270）

1 生產概述

我廠丁二烯裝置是以ACN法抽提丁二烯，乙腈作為溶劑，原料為乙烯裝置副產品的裂解碳四，通過萃取精餾和普通精餾等物理分離過程，最后得到聚合級丁二烯產品。為第一萃取系統提供熱量的E-104、E-105熱虹吸換熱器，其管程為碳四及溶劑混合物，殼程為熱溶劑。

2012年10月2日，裝置檢修后開車的過程中，出現了E-104、E-105換熱器堵塞的情況，導致一萃系統的T-101B塔壓差升高至0.171MPa，遠遠高于穩定運行時的塔壓差，且塔釜液位持續降低。經過分析判斷，確認為E-104、E-105換熱器出現堵塞現象，破壞了熱虹吸式換熱器的工作狀況，導致換熱器內物料無法正常流動，塔板上物料積累過高但又沒有淹沒升氣孔。從而形成了塔壓差升高且塔釜液位持續下降的現象。通過對堵塞換熱器的處理，也印證了該分析原因。

2 換熱原理

熱虹吸式換熱器，其工作原理依靠塔釜內液體靜壓頭和塔釜再沸器內兩相流的密度差產生推動力形成熱虹吸式運動，換句話說，就是利用再沸器中氣-液混合物和塔底液體的密度差為推動力，增加了流體在管內的流動速度，減少了污垢的沉積，提高了傳熱系數。熱虹吸作用的產生主要是由于塔釜內的靜壓頭與再沸器內的兩相流的摩擦壓降及其靜壓頭總和的差產生推動力的結果。

垂直管內的蒸發：立式熱虹吸式再沸器的傳熱管是垂直的加熱管，液體由底部進入，經加熱沸騰由管的上部返回塔內。在垂直管內被解熱液體沸騰的過程參見圖1。

圖1 被加熱液體在垂直管內沸騰狀態圖

由圖1看出被加熱液體在管內經歷了一下幾個階段：

2.1 單相對流顯熱段

因為靜壓頭的存在，該區域的壓力大于流體飽和狀態的壓力。為使該區域的液體氣化沸騰，必須將液體加熱到對應壓力下的飽和溫度以上。顯熱段的長度取決于液體的液相傳熱系數、管壁兩側總的溫差、再沸器進口管的壓降等。

2.2 過冷沸騰段

壓力隨著流體經換熱管向上流動而逐漸降低，直到接近液體在換熱管壁溫所對應的飽和蒸汽壓時，在換熱管壁上液體開始形成氣泡，氣泡不斷長大，破裂。此時沒有氣體產生，但是由于所形成的氣泡作用，該段流體的膜傳熱系數迅速增大。

2.3 泡狀流動和活塞流段

當液體持續加熱達到飽和溫度時，在管壁形成大量氣泡后離開換熱管內壁，氣泡在流體內變大聚集而形成氣體活塞。

2.4 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，管內液體出現攪動現象。

2.5 環狀流段

當氣體的垂直應力足夠大時，氣體帶動液體沿換熱管向上運動，此時流體在立式熱虹吸再沸器內完成了主要的相變和傳熱過程。氣液兩相經過再沸器上封頭進入精餾塔。

3 原因分析

分析E-104、E-105換熱器的堵塞的原因，主要有以下兩種情況存在：一、停車過程中，萃取系統內存在的膠狀物全部脫落到塔釜中，通過塔釜與再沸器相連管線進入換熱器下封頭內。通過上述原理可知，物料是在熱虹吸再沸器內流動方向是自下而上，這就造成了在開車時膠狀物堵塞在換熱器下部管板處或者換熱管內。而無論膠狀物存在什么地方，都會使得物料流動不暢，破壞熱虹吸的工作狀況。二、裝置運行過程中，高濃度的乙腈在換熱管內壁形成膠狀物，這類膠狀物在形成初期為直筒形狀，如果裝置運行中出現稍微波動，就可能導致這類膠狀物隨物料進行移動，當大量該類膠狀物聚集在某一處時，就會發生堵塞換熱管的情況。

4 改進操作思路

選擇熱虹吸式再沸器，是因為大流量循環時，物料停留時間短，對再沸器管程有強烈的沖刷作用，不至于結垢。另外，換熱器能產生熱虹吸，是因為在蒸發段，由于汽化、汽液兩相流密度降低，使得液位差形成的推動力足以推動汽液兩相流在高于塔內液面的換熱器上口流出，這就是虹吸現象在工業中的典型應用，所以液位越高，循環量越大，如果再沸器的熱負荷還可提高，那么該操作對循環而言，是大有好處的。但是，過高的液位會使液面出現浪涌，因為有了鼓泡區，使汽液分離空間減少，霧沫夾帶嚴重，最嚴重時會使上層塔板效率下降，產品不合格，因此這是非正常情況下才使用的一種手段。

5 結語

5.1 在裝置開停車期間，必須要仔細清洗熱虹吸式再沸器的管程，防止膠狀物堵塞管線。另外，塔板上的膠狀物也要清理干凈，避免膠狀物在開車過程中脫落到塔釜，影響虹吸式再沸器的正常使用。

5.2 在裝置運行過程中，在塔釜其他換熱器的熱負荷還有余量的前提下，可以適當提高塔釜液位（該液位高度不能超過再沸器的上部入口高度）。增大虹吸式再沸器的循環量，提高循環動力，利用物料的流動去沖刷管程內壁，進而清理部分換熱管內的膠狀物。

[1]汪鎮安，化工工藝設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2003.