立式虹吸式再沸器校核及優(yōu)化設(shè)計

楊永青，王霄

（1.中核華緯工程設(shè)計研究有限公司，江蘇 南京 210019；2.中國化學工程第三建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210012）

熱虹吸式再沸器，根據(jù)形式，分為立式和臥式。其中，立式虹吸式再沸器操作簡單、占地少、投資節(jié)約，在化工行業(yè)應(yīng)用非常廣泛。

HTRI軟件是由美國公司開發(fā)的專業(yè)熱交換器設(shè)計校核軟件，它采用了先進的換熱技術(shù)，包含空冷器、節(jié)能器、管殼式換熱器、夾套管管熱器等多個模塊。該軟件在化工、電力、環(huán)保等各行業(yè)有著廣泛應(yīng)用。

筆者利用HTRI軟件對某裝置二甲基乙酰胺（DMAC）精制工藝包中再沸器進行了校核，并對再沸器進行了優(yōu)化設(shè)計。

1 校核及分析

1.1 設(shè)計參數(shù)

根據(jù)工藝包參數(shù)，塔釜出料組成為：二甲基乙酰胺 （DMAC），98.71%（質(zhì)量分數(shù)，下同）；乙酸 （HAc），0.75%；二甲基甲 酰 胺 （DMF），0.54%。塔釜要求氣相負荷為8.82kg／s，塔釜處操作溫度為102℃，操作壓力 （A）為7.5kPa。該塔為負壓操作。

工藝介質(zhì)為冷流體，走管程，進口為DN500，出口為DN1000。該換熱器材料為S30408，殼程為0.3MPa（G）飽和蒸汽。

工藝包中再沸器形式為BEM，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 再沸器參數(shù)表

1.2 HTRI參數(shù)輸入

1.2.1 工藝條件

根據(jù)再沸器參數(shù)在HTRI輸入界面輸入相關(guān)工藝參數(shù)，選擇校核模式。換熱管數(shù)根據(jù)換熱面積計算為1400根。輸入主界面及參數(shù)見圖1。

圖1 工藝參數(shù)輸入主界面

工藝參數(shù)輸入幾點特別說明：

1）一般常壓精餾再沸器汽化率不大于30%，真空精餾不大于50%，筆者按25%輸入。根據(jù)氣相負荷計算冷介質(zhì)流量為35.28kg／s。

2）由于介質(zhì)較清潔，管程和殼程污垢熱阻均取0.0001m2·K／W。

3）冷流體進口壓力 （A）按塔釜操作壓力輸入，即7.5kPa。同時將再沸器參數(shù) （Reboiler Data）頁面下進口壓力位置 （Inlet Pressure Location）調(diào)整為第二項，即位于塔釜位置 （At Column Bottom）。冷介質(zhì)進口壓力亦可按實際再沸器入口壓力輸入（即塔釜操作壓力加液柱靜壓），只是液柱靜壓需要預估算。

對于再沸器，需要輸入再沸器布置相關(guān)參數(shù)，包括再沸器進出口管徑長度等等。筆者根據(jù)設(shè)備布置情況輸入見圖2。

圖2 再沸器進出管參數(shù)輸入界面

1.2.2 物性參數(shù)

HTRI物性參數(shù)輸入有以下幾種方法：

1）利用HTRI自帶物性數(shù)據(jù)庫直接輸入。純凈物、混合器均可。該再沸器用加熱飽和蒸汽即用此法直接輸入。

2）利用HTRI支持的第三方虛擬物性庫。如VMG、PRO／Ⅱ等等。其中，VMG由HTRI安裝包自帶，使用方便。該再沸器工藝介質(zhì)物性用此方導入物性參數(shù)。

3）利用流程模擬軟件物性導入。很多工藝流程都會進行單獨物料、能力衡算模擬，部分軟件如ASPEN換熱器模塊部分可以直接導入HTRI，作為換熱器詳細設(shè)計校核用。

4）手動輸入。

不管用以上哪種方法進行物性輸入，都要保證數(shù)據(jù)不少于三組，數(shù)據(jù)要能覆蓋本換熱器工況的參數(shù)范圍，以防出現(xiàn)較大計算誤差。該再沸器冷流體入口壓力根據(jù)靜壓預估，得到壓力范圍，再進行物性導入。

1.3 運行結(jié)果分析

1.3.1 設(shè)計余量

根據(jù)計算結(jié)果，該再沸器設(shè)計裕量為121.6%，設(shè)計余量較大，有待進一步優(yōu)化調(diào)整。

1.3.2 壓降

計算再沸器入口壓力 （A）為20.86kPa。進口管、再沸器、出口管壓降值見表2。

表2 各段壓降

一般出口管壓降占比應(yīng)小于30%，現(xiàn)處于臨界值，可以考慮調(diào)整再沸器進口或出口管徑。

1.3.3 振動

計算結(jié)果顯示，殼程進口流速較大，易引起振動。由于殼程為蒸汽，流量較大，可考慮增加防沖擋板降低液體對管熱管的沖擊，減小振動。

1.3.4 流形

關(guān)于管內(nèi)流形，軟件計算結(jié)果見表3。

表3 管內(nèi)流形

結(jié)果顯示，再沸器內(nèi)未出現(xiàn)膜狀沸騰及霧化現(xiàn)象，該再沸器流形正常。

2 優(yōu)化設(shè)計

2.1 優(yōu)化思路

針對前面分析得出，優(yōu)化設(shè)計主要考慮適當降低換熱器換熱面積，減小殼徑、管長等。在調(diào)整相關(guān)參數(shù)時，避免出現(xiàn)膜狀沸騰現(xiàn)象。

筆者通過試算，調(diào)整換熱器參數(shù)見表4。

表4 調(diào)整后再沸器參數(shù)表

2.2 靜壓頭選取

再沸器設(shè)計中靜壓頭很重要，靜壓頭會影響到汽化率。真空精餾再沸器上管板一般高于塔內(nèi)液面。基于以上再沸器參數(shù)，選取不同靜壓頭進行校核，其結(jié)果見表5。

由表5看出，隨著靜壓頭的增加，汽化率、傳熱系數(shù)、設(shè)計余量均逐漸降低。由于靜壓頭是驅(qū)動再沸器循環(huán)的動力，其與循環(huán)量成本比，即靜壓頭越大，循環(huán)量越大，亦即汽化率越小。一般工程經(jīng)驗推薦汽化率不低于10%，不大于40%［1］，所以靜壓頭可選擇1.25～2m，也可參考該數(shù)據(jù)進行精餾塔釜液位設(shè)計。

2.3 進出口管徑選取

以1.75m靜壓頭作為基準，對不同進出口管徑進行計算，得出結(jié)果見表6。

表6 各靜壓頭計算結(jié)果對比表

一般進口壓降占比為20%～30%，出口壓降占比為10%～20%，不超過35%【2】。再者管徑過小，會影響汽化率偏高，根據(jù)以上原則，選擇進口管徑為DN200，出口管徑為DN800。經(jīng)校核，該工況下，汽化率為27.8%，管程流形為節(jié)液流和環(huán)狀流，無振動風險。

3 結(jié)論

通過對某裝置DMAC精制工藝包中再沸器進行校核分析，發(fā)現(xiàn)原工藝包再沸器出口管壓降占比較大，設(shè)計余量較大。筆者利用HTRI軟件對該再沸器進行優(yōu)化設(shè)計，將殼徑由1.4m調(diào)整為1.2m，換熱管長由3m調(diào)整為2m。并分析了靜壓頭取值及進出口管徑的合理取值。