熱虹吸再沸器的合理選型及優化

朱玉玲

（天津長蘆新材料研究院有限公司，天津300350）

本文將不再對熱虹吸再沸器進行設計計算，以下章節將詳述熱虹吸再沸器的原理、循環型式及其工藝結構。

1 熱虹吸原理

熱虹吸再沸器僅是熱虹吸系統的一部分，熱虹吸的產生主要是由于再沸器進口端管和出口端管靜壓差造成的，系統中流體的循環是流體靜壓頭和摩擦阻力降平衡的結果，見圖1。

圖1 熱虹吸原理示意圖

式中，Hi為再沸器進口靜壓頭，H0為再沸器出口靜壓頭，△Pf為系統阻力降：包括進口阻力降△Pfi，換熱器阻力降△Pfex，出口阻力降△Pfo。

摩擦阻力降跟很多因素相關，比如循環量，流體性質，流體相態，流型和流動形態Re。

Pi，Po則與流體性質，操作壓力和熱輸入相關。

2 熱虹吸再沸器類型

熱虹吸再沸器是一類使用廣泛的、可靠性強的精餾塔塔釜再沸器。循環量大，物系停留時間較短，傳熱系數高，裝置緊湊，產生氣液兩相流，能將污垢從再沸器中沖刷出來，減少污垢，通常更容易操作和維護。熱虹吸再沸器分為立式熱虹吸再沸器和臥式熱虹吸再沸器，見圖2。

圖2 熱虹吸再沸器類型

通常，石油煉化企業多傾向于使用臥式熱虹吸再沸器，普通化工企業多選用立式熱虹吸再沸器，而石化企業則兩者兼有，并且立式熱虹吸再沸器使用比例會高于臥式。究其原因：一般是工藝介質比較臟，易于結垢，再沸器熱負荷比較大的傾向使用臥式熱虹吸再沸器；而工藝介質相對干凈，再沸器負荷相對較小的一般選用立式熱虹吸再沸器。主要原因為：

1）臥式熱虹吸再沸器相對立式熱虹吸再沸器檢修容易；2）負荷小的選用立式熱虹吸再沸器，管路布置會相對簡單，安裝費用低，總的成本會低；3）如果負荷大的選用立式熱虹吸再沸器，勢必會增加換熱管的長度，由此導致塔的裙座高度也會增加，一般工程上是不允許這么做的，使用立式熱虹吸再沸器換熱管的長度是有限制的，通常尺寸長度在2.4～3.6m，很少有更大的。煉油企業相對于化工企業來說，一般換熱器熱負荷較大，工藝介質比較臟，而且易結垢，所以基本都是選用臥式熱虹吸再沸器。

臥式熱虹吸再沸器的安裝高度低于立式，其循環推動力較大，循環量也更大。一般立式熱虹吸再沸器的管程走工藝液體，殼程走加熱蒸汽，臥式熱虹吸再沸器則相反。

熱虹吸再沸器幾乎適用于所有介質和工藝系統。一般工藝介質結垢嚴重，粘度較大，間歇操作，及其他不穩定操作系統則很少用熱虹吸再沸器。

表1 總結了不同類型熱虹吸再沸器的一些參數比較。

表1 熱虹吸再沸器參數比較

3 熱虹吸再沸器循環形式

熱虹吸再沸器的基本循環形式，分為一次通過式和循環式，見圖3。一次通過式和循環式的參數對比，見表1。一次通過式熱虹吸再沸器，從模擬的角度看，等效于釜式再沸器，相當于精餾塔的一塊理論板。進口側液體從塔板集液盤采出，而不是塔釜，再沸器兩相流返回到塔板的下方，正常操作過程中，靜壓頭恒定，流體循環量恒定，只要熱輸入量保持不變，返回塔的流體汽化率就恒定不變。一次通過式汽化率最好不要超過25%，汽化率過高的話，容易形成膜狀沸騰或是霧狀流，換熱器性能會大大降低。對于相對揮發度高、再沸器熱負荷大的物系，如果流體汽化率能維持在合理的范圍，一次通過式或許是比較好的選擇，因為它能從最大程度上使換熱器的對數平均溫差增大，減小換熱器的面積，降低投資費用。

圖3 熱虹吸再沸器基本循環形式

一般工藝要求循環流體低汽化率的操作，一次通過式的熱虹吸再沸器也會是比較好的選擇。因為循環式的，在低汽化率不能夠產生有效的推動力，很難形成熱虹吸。一次通過式的再沸器進口側會增加額外的靜壓頭。

循環式熱虹吸再沸器的主要優點就是它從一定程度上弱化了熱輸入對循環流體汽化程度的影響。因為一旦熱輸入過多，過度的汽化就會導致工藝側流體從泡核沸騰變成膜狀沸騰，傳熱速率就會下降。只要設計合理，循環式熱虹吸再沸器汽化率可以一直維持在合理的范圍，從而使再沸器的尺寸最小化。

4 常見的循環式熱虹吸再沸器工藝結構

循環式的工藝結構分為兩種：循環無隔板和循環帶隔板，見圖4。帶隔板的設計根據塔釜產品采出在不同側又區分為兩種，這兩種形式設計的優缺點跟所涉物系的工藝性質有關。選用循環無隔板或者帶隔板，或者帶隔板的哪種形式跟整個系統有關，主要考慮因素有物系相對揮發度，換熱面積，系統穩定性。

循環無隔板的熱虹吸再沸器為返回塔釜的流體提供了最大的氣液分離空間，有利于氣液分離，見圖4a，這種型式結構簡單，易于控制。底層塔板冷液體與塔釜熱液體混和產生氣體，如果塔釜液位過高，沒有足夠的氣液分離空間，容易形成鼓泡，物沫夾帶嚴重，致使上層塔板板效率下降。通常這種設計都會留有一定的安全裕量，并在再沸器入口增加一個節流閥門，以維持壓力平衡和系統穩定。

圖4 循環式熱虹吸再沸器常見工藝結構

循環帶隔板的結構主要有兩種，一種是：塔釜分成兩部分，兩者組成不同，底層塔板液體流入到再沸器集液池，再沸器返回液體送入釜底集液池，釜底集液池液體溫度高于再沸器集液池液體溫度，任何一點的液體溢出，都會造成再沸器集液池液體汽化，再沸器返回液體僅有一部分與再沸器集液池液體混合。這種結構會增大換熱器的對數平均溫差，減小換熱器的面積，降低投資費用，見圖4b，這種結構在性能上來說，某種程度上是介于一次通過式和圖4a 所示循環式之間的一種熱虹吸型式。只有相對揮發度高的物系，使用這種工藝結構，才可以大大減小換熱器面積，對于相對揮發度低的物系，是沒有任何優勢可言的。因為相對揮發度低的物系，對不同的熱虹吸系統工藝結構來說，換熱器進口溫度差別并不明顯，不會大幅減小換熱器面積。

另一種是：塔釜分成兩部分，兩者組成相同，溫度相同。底層塔板液體流入到再沸器集液池，再沸器返回液體也流入再沸器集液池，釜底集液池僅僅收集再沸器集液池溢出液體，從本質上來說，這種結構型式與循環無隔板再沸器是一樣的。區別在于加了隔板，能夠維持液位穩定，保持恒定的靜壓頭，為系統提供穩定的推動力，見圖4c，這種結構型式是我們最常用的一種，系統穩定性的增強，很多時候比換熱器面積小，成本更低。

5 影響熱虹吸系統穩定性因素

穩定性對熱虹吸系統來說很重要，我們要特別注意熱虹吸過程中的動態變化。熱虹吸再沸器入口液位和流體密度的改變，出口兩相流流型的不穩定性都會改變壓力平衡，影響熱虹吸推動力。而一旦壓力平衡改變，流體瞬時循環量就會改變，從而影響傳熱對數溫差，汽化率也會隨之改變。熱平衡和壓力平衡是緊密聯系在一起的，不能相互獨立。

在實際的化工操作中，維持某一參數恒定不變是不可能的，通常我們設計的時候都會留有一定的安全裕量，比如增大換熱器的面積；增大再沸器返回管口與塔釜液位之間的氣液分離空間，減少物沫夾帶。立式熱虹吸再沸器出口法蘭與塔的入口法蘭直連，避免兩相流的不穩定性；臥式熱虹吸再沸器出口管道避免傾斜管道，兩相流流型設計在合理的區間，比如氣泡流或者環流，避免波狀流、活塞流、液節流。

6 結論

當確定使用熱虹吸再沸器時，第一步就是確認使用立式還是臥式，下一步就是選擇再沸器循環型式，最后計算再沸器換熱面積，設計確認熱虹吸再沸器的工藝結構。

熱虹吸再沸器的設計更多的要考慮其動態穩定性。熱虹吸再沸器的壓力平衡和熱平衡是緊密聯系在一起的，不可能修改其中一個而不改變另一個，只有理解了這些，我們才能夠設計選擇出正確的、可靠的熱虹吸再沸器及其工藝結構型式。