再沸器的選型和HTRI優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄭 俊，臺(tái)寧寧

(海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266101)

再沸器(又稱重沸器)，是精餾裝置中重要的附屬設(shè)備之一，常位于精餾塔底部。通過(guò)再沸器加熱塔底液體使其部分汽化，成為汽液兩相，為整個(gè)精餾系統(tǒng)的傳質(zhì)和換熱提供所需的熱量。由于再沸器換熱過(guò)程是一種相變化過(guò)程，長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)于它的工藝計(jì)算進(jìn)行了深入的研究[1-2]。但有關(guān)再沸器優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是兩相流動(dòng)沸騰側(cè)的膜換熱系數(shù)和壓力平衡的計(jì)算，一直以來(lái)仍是難點(diǎn)。僅憑工程經(jīng)驗(yàn)，手工計(jì)算的方法繁瑣復(fù)雜，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與再沸器實(shí)際運(yùn)行情況大相徑庭。

HTRI是一款由美國(guó)傳質(zhì)及換熱協(xié)會(huì)基于40多年來(lái)廣泛收集的工業(yè)級(jí)熱傳遞設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)而研發(fā)的熱交換器計(jì)算程序，不僅可以進(jìn)行空冷器、加熱爐、套管式、螺旋折流桿等熱交換器的模擬計(jì)算，還包括幾乎所有TEMA類型的管殼式熱交換器的模擬計(jì)算[3]。目前，該軟件已成為在國(guó)內(nèi)外工程設(shè)計(jì)公司和換熱器制造廠商進(jìn)行換熱器工藝計(jì)算的主要工具。

本文總結(jié)了不同類型再沸器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和選型的注意事項(xiàng)，并借助HTRI軟件對(duì)再沸器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，總結(jié)出熱虹吸式再沸器優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

1 再沸器的類型與特點(diǎn)

1.1 再沸器的類型與特點(diǎn)

再沸器的類型較多，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用場(chǎng)合各不相同，主要有釜式、虹吸式(立式和臥式)、強(qiáng)制循環(huán)式和內(nèi)置式等。

圖1 再沸器類型

釜式再沸器是由一個(gè)供氣液分離、部分?jǐn)U大的K型殼體和可抽出的加熱管束組成[9]，管束末端有溢流堰，如圖1(a)。塔底液體進(jìn)入再沸器殼程底部并浸沒(méi)管束，受熱產(chǎn)生以泡核為主的沸騰,換熱效率低，面積大。釜式再沸器對(duì)流體力學(xué)參數(shù)不敏感，操作彈性大，可靠性高，非常適合應(yīng)用在氣化率高、沸點(diǎn)范圍寬的場(chǎng)合。由于其氣液分離空間大，相當(dāng)于一塊理論板，故塔底空間可適當(dāng)縮小。但設(shè)備容積大、金屬耗量大、投資高。

強(qiáng)制循環(huán)式再沸器采用泵使塔底液體在再沸器和塔間循環(huán)，如圖1(c)所示。由于塔釜溫度通常較高，泵送成本費(fèi)高，只在某些特殊場(chǎng)合如塔底物料氣化率很低、粘度很高或熱敏性很強(qiáng)、易于結(jié)垢以及在高真空(1300Pa以下)下處理寬餾分液體等情況時(shí)才考慮使用。

內(nèi)置式再沸器是將換熱管束直接插入塔底液體中，換熱管通常為U型管，如圖1(d)所示。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小，投資小。缺點(diǎn)是換熱管長(zhǎng)受塔釜空間限制，換熱面積較小，換熱效果差，不適用于粘稠、易結(jié)垢液體[4]。在換熱面積滿足要求的前提下，內(nèi)置式是最經(jīng)濟(jì)的一種再沸器。

熱虹吸式再沸器，依靠塔釜液位產(chǎn)生的靜壓頭及再沸器進(jìn)出口管線流體的密度差使液體自動(dòng)從塔底流入再沸器，不必用泵即可不斷循環(huán)，因此又稱自然循環(huán)式再沸器。按工藝過(guò)程不同，分為一次通過(guò)式和循環(huán)式；按沸騰機(jī)理不同，分為立式和臥

式。立式是工藝介質(zhì)在管程沸騰，屬流動(dòng)沸騰；臥式是工藝介質(zhì)在殼程沸騰，屬池式沸騰。由于其工藝性能優(yōu)良、單位換熱面積金屬耗量小，目前在煉油化工等行業(yè)應(yīng)用廣泛[4]；但其分餾效果小于一塊理論板，汽化率一般不大于30%，塔的安裝高度要求嚴(yán)格。

1.2 再沸器設(shè)計(jì)選型應(yīng)考慮的因素

再沸器設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)先要清楚各種再沸器的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際工況，進(jìn)行比選，如表1中釜式和熱虹吸式再沸器的性能比選。除此之外，還要重點(diǎn)考慮以下因素：

①成本：在換熱效果差別不大的情況下，盡量選擇單位換熱面積金屬耗量小的再沸器。通常殼徑越大，單位換熱面積的金屬耗量越低。

②換熱效果：在充分考慮工藝物料性質(zhì)(粘度、結(jié)垢等)、壓降許可的前提下，強(qiáng)化沸騰換熱，提高總換熱系數(shù)。

③操作可靠：在間歇操作或操作負(fù)荷變化較大時(shí)，再沸器的靜壓波動(dòng)較大，設(shè)計(jì)必須考慮苛刻工況的安全操作。特別要提出的是對(duì)于熱虹吸再沸器，汽化率不應(yīng)過(guò)大，否則會(huì)引起上升管的管壁干竭和發(fā)生霧狀流[4]。

④安裝空間：對(duì)于改造項(xiàng)目，再沸器的布置和配管安裝受原有場(chǎng)地限制，故有時(shí)需要權(quán)衡設(shè)備外形和換熱效率，常會(huì)犧牲一些換熱效果以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的安裝空間。

表1 再沸器的性能比較

1.3 再沸器的安裝高度

安裝高度是確定蒸餾塔與再沸器相對(duì)位置的重要參數(shù)。對(duì)于有強(qiáng)制循環(huán)的再沸器，因管路系統(tǒng)有泵，故安裝高度考慮的較少；但對(duì)于熱虹吸式再沸器及無(wú)強(qiáng)制循環(huán)的釜式再沸器，安裝高度(圖2(a)中Hx)是再沸器壓力平衡滿足設(shè)計(jì)循環(huán)量要求的關(guān)鍵。

在HTRI水力學(xué)計(jì)算中需要輸入的關(guān)鍵參數(shù)是靜壓頭，即塔釜正常液位到再沸器下管板的垂直距離(圖2中Hy)。靜壓頭與安裝高度的關(guān)系見(jiàn)圖2。對(duì)于臥式熱虹吸再沸器，靜壓頭=塔釜正常液位高+安裝高度+殼體直徑；對(duì)于立式熱虹吸再沸器，為降低塔的標(biāo)高，通常規(guī)定再沸器的上管板與塔釜正常液位持平(推薦兩者標(biāo)高差不超過(guò)0.6)。如果調(diào)整靜壓頭，氣化率、循環(huán)量、管路阻力降三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。這使得壓力平衡手工計(jì)算相當(dāng)繁瑣，需要迭代計(jì)算才能最終確定，但利用HTRI程序可方便地解決這一問(wèn)題。

圖2 熱虹吸式再沸器的安裝高度

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

某裝置苯分餾塔底再沸器E-101，綜合再沸器設(shè)計(jì)選型因素(見(jiàn)1.2小節(jié))，采用立式虹吸再沸器，熱源采用300kPa(G)的飽和水蒸氣，熱負(fù)荷3000kW，塔釜壓力70kPa(A)，塔釜溫度110℃。

2.1 輸入?yún)?shù)，初步選型

首先，輸入冷熱物流的工藝參數(shù)，包括物流的流量、氣化率、溫度、壓力和污垢熱阻等。再沸器溫度即塔釜采出的溫度，在此溫度及塔釜組成下計(jì)算冷流體的物性。由于會(huì)出現(xiàn)兩相對(duì)流傳熱，故需手動(dòng)輸入至少兩個(gè)溫度點(diǎn)的氣液相物性于HTRI軟件的“用戶自定義組成”界面，也可采用流程模擬軟件如ASPEN或PROⅡ計(jì)算得出，利用與HTRI間的端口直接導(dǎo)入。加熱水蒸汽的物性可從HTRI數(shù)據(jù)庫(kù)中選取，溫度根據(jù)所選蒸汽的壓力確定。

其次，輸入再沸器結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括殼徑、換熱管束長(zhǎng)度、換熱管規(guī)格及排列方式和折流板間距。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備參照GB151，在HTRI中輸入以上有關(guān)換熱器具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即可設(shè)計(jì)出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的換熱器。

在HTRI中輸入熱負(fù)荷，HTRI程序會(huì)計(jì)算出所需水蒸氣量為1.39 kg/s；輸入假定的氣化率0.15，即可計(jì)算出循環(huán)量43.63kg/s和所需靜壓頭3.19 m。計(jì)算結(jié)果在HTRI報(bào)告，見(jiàn)圖3。采用HTRI軟件初步設(shè)計(jì)出再沸器E-101應(yīng)選用立式虹吸(BEM)，殼徑φ1400 mm，管長(zhǎng)6 m，管子規(guī)格φ38 mm×2.5 mm，管間距48 mm，管子排列方式30度，折流板間距600 mm。

2.2 調(diào)整參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)

HTRI程序運(yùn)行結(jié)束后，在運(yùn)算信息欄里給出再沸器運(yùn)行的各種報(bào)告，包括振動(dòng)報(bào)告，穩(wěn)定運(yùn)行報(bào)告以及流體流速和流型報(bào)告。利用HTRI計(jì)算報(bào)告的提示需要對(duì)以下參數(shù)重點(diǎn)關(guān)注并做相應(yīng)調(diào)整[6]：再沸器所需的換熱面積和設(shè)計(jì)裕量；工藝流體在換熱管內(nèi)的物理變化過(guò)程；真實(shí)的循環(huán)量和氣化率；滿足循環(huán)所需的靜壓頭，進(jìn)而確定塔器和再沸器之間的相對(duì)布置關(guān)系；按壓力降分配法確定進(jìn)出口管的尺寸等。這些都可以幫助優(yōu)化再沸器的設(shè)計(jì)。

表2 靜壓頭隨氣化率的變化表

①確定最佳靜壓頭。在HTRI程序中輸入不同的靜壓頭，得出一組氣化率和面積裕量，見(jiàn)表2。氣化率對(duì)推動(dòng)力與阻力之比影響很大，而推動(dòng)力與阻力之比要在1.001～1.05之間。從表2中可看出，氣化率隨著靜壓頭的增大而減小，換熱面積余量隨著靜壓頭先增大后減小。故綜合換熱效果和安裝成本，選擇3.2m的靜壓頭。

②確定最佳管徑。

圖3 再沸器計(jì)算結(jié)果表

如圖3所示，校核管子進(jìn)出口處、殼側(cè)進(jìn)出口處和接管內(nèi)的流速。從圖中可看出殼側(cè)出口管嘴處流速過(guò)低，不符合工藝要求，故應(yīng)減小殼側(cè)出口管嘴。另一方面，流速是否合適還與折流板間距和圓缺率有關(guān)。衡量這兩個(gè)指標(biāo)的重要條件是殼程流體的窗口流速和X-流流速盡可能相等，它們之比在0.8～1.2之間，如果超過(guò)這個(gè)范圍，則沿管長(zhǎng)方向流體被重復(fù)的加速和減速，從而使壓降不能充分轉(zhuǎn)化為傳熱系數(shù)的提高[7]。

3 結(jié)論

(1)采用HTRI軟件進(jìn)行再沸器選型、核算及優(yōu)化設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單靈活、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，節(jié)省了大量的人力，大大提高工作效率。

(2)HTRI軟件能提供詳盡的計(jì)算輸出報(bào)告和可視化的設(shè)備三維模型，為再沸器的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化改進(jìn)指明了方向。

(3)HTRI軟件能為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)提供很多幫助。設(shè)計(jì)人員和工程技術(shù)人員如能熟練掌握，將會(huì)產(chǎn)生巨大的效益。

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