熱虹吸再沸器

畢康

摘要 換熱器是冷熱流體進行熱量傳遞的重要化工單元設備。在給定的工藝條件和操作條件下，立式熱虹吸再沸器是一種通過沸騰傳熱完成熱量傳遞功能，同時又具有一定汽化空間的特殊換熱設備。

關鍵詞 再沸器；換熱器；沸騰傳熱

中圖分類號 TQ05 文獻標識碼 A 文章編號2095—6363（2016）04—0037—02

1熱虹吸原理

虹吸現象是液體從較高的液位的一端由管道經過一段高出液體水平面的管段白發流向較低液位的另一端的現象，是由于液體在重力作用下向下流動后在管道中產生真空，在真空與外界氣壓壓差作用下把液體吸上來。

熱虹吸現象和虹吸現象是不同的概念，只是熱虹吸現象與虹吸現象有所相似。熱虹吸現象是液體被加熱后部分汽化，形成汽液混合物，被加熱的混合物體積膨脹變大而密度變小上升使混合物間形成密度差致使較冷的液體及時補充過來的現象。熱虹吸的推動力是氣相和液相的密度差，是一種自然循環，當然也是一種熱循環效應。

2熱虹吸再沸器

再沸器一般是間壁式換熱器中的管殼式換熱器，是一種通過沸騰傳熱完成熱量傳遞功能同時又具有一定汽化空間的特殊換熱設備。其主要類型有立式再沸器、臥式再沸器、釜式再沸器和內置式再沸器。其中從循環動力來看又有熱虹吸式的和強制循環式的。再沸器是精餾工藝中精餾塔非常重要的輔助設備。精餾工藝中釜液由精餾塔塔底進入到再沸器中，一般情況下在再沸器中約有25%～30%的液體被汽化，已經汽化的兩相流體又流進精餾塔中，其中的氣相組分向上通過塔盤，液相組分則流到精餾塔塔底。

工藝過程中，再沸器其主要作用是將精餾塔的釜液蒸發，并維持塔中的上升蒸汽量，若介質清潔不易堵塞，可以選用立式熱虹吸再沸器。立式熱虹吸再沸器的熱流體流經殼程，沸騰過程在管程進行，由塔釜內液面高度提供流動循環的驅動壓頭。一般情況下，再沸器的上管板與塔釜內液面在同一高度，而且在真空條件下，塔釜液面的高度為換熱管管束長度的0.5～0.8倍。立式熱虹吸再沸器的工作原理主要是依靠塔釜內的液體靜壓頭和再沸器內兩相流體的密度差產生推動力形成熱虹吸式運動，形成熱循環。其優點主要是利用再沸器中氣一液混合物和塔底液體的密度差為推動力，熱虹吸作用增加了流體在管內的流動速度，減少了污垢的沉積，提高了再沸器傳熱系數，同時它具有耐溫耐壓高、裝置緊湊、占地面積小的特點。其次，熱虹吸再沸器利用熱虹吸運功產生推動力是自然循環的單元操作，比使用循環泵等形成的強制循環要更加的節能。并且在工作中，再沸器在蒸發過程中還能起到一塊精餾塔板的作用。

3國內外研究綜述

國內的再沸器在國民經濟中得到了廣泛的應用，經過多年的生產實踐和工程應用形成了立式熱虹吸式、臥式熱虹吸式、釜式再沸器等多種結構形式。目前對于立式熱虹吸再沸器的設計選型方法一般是根據經驗或者查閱大量工程圖表，反復進行試差運算，同時也有既快速方便又準確的適用于立式熱虹吸再沸器的軟件設計方法，以及根據工程經驗，通過查閱大量文獻資料，選擇精度較高的傳熱計算關聯式，加以反復校正后，在計算機上進行模擬選型的計算方法。經過一定的發展，再沸器的設計的國家標準而和行業標準都已日趨成熟，如《立式熱虹式重沸器型式與基本參數》（JB/T4716—92）、《管殼式換熱器》（GBl51—1999）、GBl50—2011等都對再沸器的設計提供了理論基礎及技術規范。

國外立式熱虹吸再沸器最早的設計方法是1950年Kern在《傳熱過程》一書中提出的，設計出一個既能產生所需蒸汽量又滿足有效水頭和壓降損失間壓力平衡的再沸器。Gilmour于1954年提出了一些簡化的設計方法，僅考慮傳熱方面的問題，但沒有考慮進出口流率。到1956年Johnson又回到Kern用壓力平衡來確定循環流量，但忽略了進出口壓降損失的方法。在20世紀60年代Fair使用更為可靠的關聯式，使再沸器的設計向前邁出了重要一步。1972年Thorugren簡要描述了一種計算機設計方法。不久，Sarmar等提出了一種考慮兩相流體流動的極為復雜的計算方法。而后，再沸器的設計方法更加完善，無論是計算精度、結構形式還是所用材料都更加的成熟。

4分析及設計方法

由上述對立式熱虹吸再沸器結構和原理的介紹可知，立式熱虹吸再沸器設計的工藝計算主要對流體流經管內的沸騰傳熱計算和流體流動壓降的計算。因為一般情況下釜液都是以過冷狀態進入再沸器，所以傳熱計算又因該包括顯熱段傳熱過程和蒸發段傳熱過程計算。而壓降的計算是比較關鍵的，主要是垂直管內兩相流體流動計算，和循環流速有著密切的關系。考慮到壓降，兩相混合流體出口管的結構對再沸器的性能影響不大，但是出口管的最小過流面積對再沸器的性能影響很重要。工藝設計的大體方案就是先假設再沸器的傳熱系數，由工藝條件計算傳熱量大小，再計算出所需要的傳熱面積，選擇或者計算再沸器的換熱管管徑、長度、數目和筒體直徑，合理布置進出口位置及管徑大小，之后進行最大熱負荷和管程壓降的計算，由熱負荷和壓降的大小對工藝尺寸進行調整，直到同時符合傳熱和壓降的要求。工藝設計確定再沸器的直徑、高度、接管尺寸及位置等工藝尺寸后，是參照國標和規范對再沸器進行結構設計和強度校核，進而利用計算機將設備施工圖繪出。