MRU再生塔再沸器的工程設計

張 孝，李 華*，趙 磊，王文濤，何佳偉

（1.重慶前衛科技集團有限公司，重慶 401121；2.江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212000）

關鍵字：再沸器；MRU；EDR

在深水開采可燃冰時，由于通道處于高壓輸送情況下，通道內會出現水合物造成管線凍堵，對正常開采產生一定的影響。借鑒以往的開發經驗，采用乙二醇（MEG）作為水合物抑制劑，防止管道內水合物的生成。乙二醇再生與回收（MRU）包括預處理、脫水再生和脫鹽三個單元，分別除去MEG富液中的烴、水和鹽等雜質，從而得到滿足往入純度要求的MEG貧液，實現MEG的循環使用［1-5］。

再沸器是MRU脫水再生單元中安裝在再生塔底部的換熱器，主要是依靠熱載體對塔釜內的MEG富液進行加熱，使MEG富液中的水汽化返回再生塔內，使富液得到分餾所需要的熱量［6］。本文采用Aspen EDR對MRU中再生塔再沸器進行工程設計，對介再沸器的工作原理進行了簡介，并確定了相關參數，設計出了滿足要求且穩定運行的再沸器，本研究為MRU中的再沸器設計奠定一定基礎。

1 再沸器選型及原理

1.1 再沸器的選型

再沸器主要有釜式、熱虹吸式（立式和臥式）、強制循環式和內置式等類型，本文設計研究對象是MRU再生單元中的再沸器，立式熱虹吸再沸器以傳熱系數大、投資低、結構緊湊較小、穩定性較高、加熱停留時間短等優點，作為MRU中再沸器的首選方案［6］。

1.2 再沸器的工作原理

立式熱虹吸再沸器的循環動力來自于塔釜靜壓頭和再沸器內兩相流體的密度差，阻力為再沸器進出口管阻力降以及管程阻力降。其中加熱介質走殼程，工藝流體走管程，圖1為立式熱虹吸再沸器換熱管中的不同區域，根據換熱管內流體不同的氣液狀態而劃分。

圖1 再沸器工作原理圖

單相對流顯熱段：由于存在靜壓頭，所以此區域的壓力需大于流體飽和狀態下的壓力。為了使換熱管內液體沸騰，需對液體進行加熱，達到對應壓力下的飽和溫度。

過冷沸騰段：隨著換熱管內的液體向上，壓力隨之降低，當壓力下降到管壁所對應的飽和蒸氣壓時，氣泡在管壁上形成，并不斷長大破裂。

泡狀流（Bubble）和活塞流段（Slug）：當換熱管內流體被不斷的加熱，管壁內形成大量氣泡，氣泡從管內壁離開，在流體內匯集變大形成氣體活塞。

攪動流段（Churn）：隨著溫度升高，換熱管內氣體不斷增加，氣體活塞匯集在一起，形成一連串的氣核，由于氣液相間的相互作用，管內液體出現攪動現象。

環狀流段（Annular）：當氣體的剪切應力達到一定程度時，液體會隨著氣體向上運動在換熱管內，此時流體在換熱管內完成了主要的相變。

在圖1中，環狀流上部有一段區域為霧狀流（Mist），設計再沸器時要避免出現此氣化流型，因為霧狀流的出現會在很大程度下降低總傳熱系數。

2 再沸器設計

2.1 工藝條件

立式熱虹吸式再沸器中冷熱流體（飽和水蒸氣和乙二醇富液）的工藝條件見表1。入口管線長8000mm，出口管線長1000mm。

表1 立式熱虹吸式再沸器工藝數據

2.2 關鍵參數

2.2.1 物性參數

溫度為175℃、壓力為0.8MPa的熱流體飽和蒸汽，物性包選擇B-JAC物性，物性方法選擇I-deal［6］。針對冷流體富乙二醇的物性參數，物性包選擇Aspen Properties物性庫，由于物系僅含有乙二醇、水和一價鹽，該物系為極性物系，因此采用NRTL-RK方程作為物性方法［4］。

2.2.2 結構參數

再沸器采用單管程E型殼體，前封頭采用B型，后封頭采用M型；換熱管選用25mm×2mm的316不銹鋼管道作為換熱管，管間距為32mm，采用正三角形排列；考慮到MRU系統安裝要求，再沸器按照高度不能太高，故選擇傳熱管長度為3m；選擇圓缺高度為直徑40%～45%的折流板，缺口方向為橫缺形。

2.2.3 水力學參數

由于MRU再生塔采用碳鋼材質，在系統的運行過程中，鐵銹剝落物以及MEG富液中的烴類和鹽水化合物等雜質會進入MRU再生塔塔釜，據參考文獻以及設計經驗，考慮到結垢等因素，再沸器的汽化率宜小于25%大于5%［6］。

2.2.4 管路系統壓降

通常情況下，再沸器的管程進口壓降占總壓降的20%～35%為宜，特別對有軸向接管的換熱器，出口壓降占總壓降的10%～20%，最大不能超過35%［6］。

2.3 再沸器設計結果及分析

將冷熱流體的工藝參數、物性參數、結構參數輸入到Aspen EDR的設計模式中進行初步設計后，再將計算模式由設計模式轉到模擬模式，根據初步設計結果，依據相關標準上的標準規格對立式熱虹吸式再沸器的參數進行圓整和校核。

2.3.1 靜壓頭的選取

靜壓頭即塔釜正常液位至再沸器下管板的垂直距離，是影響再沸器內的汽化率值的關鍵參數。在EDR軟件Thermosiphon Piping中分別輸入1200～3600mm中的7個靜壓頭，數據如表2所示。根據相關資料，水蒸氣與有機液體的傳熱系數經驗值范圍為570～1100 W/（m2·K）［6］，由表 2可知，再沸器在不同的靜壓頭下，均滿足總傳熱系數范圍值且穩定運行。當靜壓頭為1200mm時氣化率為18.2%，靜壓頭為3600mm時氣化率為6.9%，均滿足再沸器氣化率宜小于25%大于5%的要求，根據參考文獻的經驗總結，靜壓頭的取值宜小于換熱管長度，換熱管長度為3000mm，故取2400mm的靜壓頭作為設計基準，且靜壓頭為2400mm時，換熱管內的最終流型為環狀流（Annular），滿足設計要求。

表2 靜壓頭與再沸器汽化率的對應關系

2.3.2 再沸器管程進出口管徑的選擇

當立式熱虹吸再沸器靜壓頭為2400mm時，入口管線管徑為100mm、出口管線管徑為300mm時，殼側進出口接管壓力降分別占殼側總壓降的4.12%和7.29%，殼側的壓力降主要分布在折流板的錯流區和窗口區。管側進出口接管壓力降分別為管側總壓降的24.28%和18.54%，與建議的出入口管路系統壓降比相符。

2.3.3 設計結果

采用Aspen EDR軟件對乙二醇再生脫水流程中的再生塔再沸器進行設計，最終得到換熱器主要參數，見表3。

表3 再沸器主要參數表

3 結語

對再沸器的工作原理進行了介紹。采用Aspen EDR軟件對立式熱虹吸再沸器進行工程設計，設計出了滿足要求且穩定運行的再沸器，本研究為MRU中的再沸器設計奠定一定基礎?？晒┫嚓P人員使用EDR設計再沸器時作為參考。