再沸器設(shè)計(jì)研究

沈洋

（中國寰球工程有限公司北京分公司，北京100010）

再沸器（又稱重沸器）是蒸餾體系中重要的常規(guī)設(shè)備，通常設(shè)置在蒸餾塔底部（或側(cè)線）。通過再沸器給液相物料加熱，使其一部分氣化，成為氣液兩相，為整個(gè)蒸餾過程的傳質(zhì)和傳熱供給所需的能量。因此，在再沸器的選型和設(shè)計(jì)時(shí)，一定要連同精餾塔的操作特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)一起考慮。

1 再沸器的類型與特點(diǎn)

再沸器種類較多，大部分采用管殼式換熱器，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用工況不同，通常有釜式、熱虹吸式（立式和臥式）、強(qiáng)制循環(huán)式和內(nèi)置式等。

1.1 釜式再沸器

釜式再沸器由用于氣液分離和變徑的K型殼體和用來加熱的管束共同組成［1］，對于部分蒸發(fā)的情況，通常會(huì)在管束尾端設(shè)置溢流堰，見圖1（a）。

圖1再沸器類型

由于加熱管束浸在釜中的沸騰液體內(nèi)，故循環(huán)在管束與殼體之間進(jìn)行，氣液分離在釜內(nèi)上部完成。優(yōu)點(diǎn)是維修和清洗方便，傳熱面積大，氣化率高，操作彈性大，可在真空下操作。但釜式再沸器的傳熱系數(shù)低、換熱效率差、物料停留時(shí)間長、易結(jié)垢；外部配管所占空間較大，所需費(fèi)用較高。

1.2 熱虹吸式再沸器

精餾塔塔底的物料進(jìn)入再沸器后被熱介質(zhì)加熱后部分氣化，形成的氣液混合物的密度顯著減小，并一起進(jìn)入蒸餾塔內(nèi)空間進(jìn)行氣液分離，利用2側(cè)密度不同，使塔底物料被“虹吸”進(jìn)入再沸器。由于工藝流程的不同，熱虹吸式再沸器可以分為1次通過式和循環(huán)式；1次通過式再沸器見圖2。

圖2 1次通過式熱虹吸式再沸器

進(jìn)料可直接從底部塔板的降液管液封中引出，經(jīng)再沸器加熱后返回到精餾塔塔釜，分出的液相即為塔的排出物，引出管中的自由液面可在A、B間變化，以克服系統(tǒng)的流動(dòng)阻力。采用此方式，液體短時(shí)間在加熱區(qū)駐留，可以減少結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 強(qiáng)制循環(huán)式再沸器

強(qiáng)制循環(huán)式再沸器有立式和臥式，見圖1（c）。它主要依賴于泵的壓頭額外機(jī)械能量保證運(yùn)行，因而循環(huán)速率方便控制和調(diào)整，物料流速較高；停留時(shí)間縮短，可減少結(jié)垢傾向。

1.4 內(nèi)置式再沸器

內(nèi)置式再沸器是把換熱管束插入塔釜物料內(nèi)，不需換熱器外殼和配置工藝管線，見圖1（d）。優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，占地少，投資小，方便清洗。缺點(diǎn)是換熱管長度受精餾塔的大小限制，換熱器的換熱面積不大，物料循環(huán)差[2]。

2 熱虹吸式再沸器的選型和設(shè)計(jì)

2.1 熱虹吸式再沸器的選型

煉油工業(yè)大約95%使用臥式熱虹吸式，而化工行業(yè)大約95%運(yùn)用立式熱虹吸式，石化企業(yè)則介于中間，型式的選擇與裝置規(guī)模以及物料的特性相關(guān)，選用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定。熱虹吸式再沸器根據(jù)再沸器進(jìn)出口同塔內(nèi)的連接方式不同，可分成1次通過式和循環(huán)式［3］。

此外，再沸器的選型要考慮到精餾塔的操作要求和造價(jià)。塔釜是否含有縱向隔板，取決于物料揮發(fā)度和塔釜系統(tǒng)的穩(wěn)定性需求，也影響再沸器的傳熱面積和選型。當(dāng)物料揮發(fā)度較小時(shí)，可以不設(shè)置隔板，此時(shí)精餾塔塔釜內(nèi)有最大氣液分離空間與緩沖空間，但精餾塔塔釜內(nèi)的液面波動(dòng)較大，宜選用臥式熱虹吸式；當(dāng)物料揮發(fā)度較大時(shí)，設(shè)置隔板可減少傳熱面積，且塔內(nèi)液面穩(wěn)定，適合選用立式熱虹吸式。具體選型比較見表1。

表1再沸器的選型比較

2.2 熱虹吸式再沸器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1 氣化率 氣化率的確定需要分析物料介質(zhì)的特點(diǎn)以及氣液2相的流動(dòng)型式。對于純組分和沸程窄沸的物性，應(yīng)考察動(dòng)量和熱量傳遞，對于沸程較寬的物性，則考察傳質(zhì)的約束。水溶液物系和輕烴體系因氣液密度差的大小有不同的推薦值：輕烴體系在帶壓下氣化率推薦10%～35%，真空下氣化率推薦50%以下，水溶液體系推薦2%～10%。

2.2.2 靜壓頭和安裝高度 對于臥式熱虹吸式再沸器，再沸器的靜壓頭=精餾塔塔釜正常液位高+安裝高度+殼體直徑；對于立式熱虹吸式再沸器，再沸器的靜壓頭=精餾塔塔釜正常液位高+安裝高度。通常當(dāng)換熱器尺寸確定時(shí)，改變安裝高度來改變靜壓頭，從而滿足循環(huán)要求。

隨著再沸器安裝高度升高，體系的氣化率不斷降低。因此再沸器的安裝高度過高，換熱管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)泡狀流，安裝高度過低，換熱管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)霧狀流,都會(huì)造成傳熱效率變低，需要避免。通常再沸器的安裝高度是通過精餾塔塔釜正常液位操作下確定的，所以還需要核算在精餾塔塔釜高低液位下，再沸器是否可以滿足既定的傳熱要求。靜壓頭與再沸器的安裝高度之間的關(guān)系見圖3。

圖3熱虹吸式再沸器的安裝高度

對于立式熱虹吸式再沸器，在真空度較高的精餾系統(tǒng)時(shí)，再沸器的靜壓頭宜小于2/3換熱管長度。但是降低再沸器的靜壓頭，物性的氣化率會(huì)增加。所以在調(diào)整再沸器靜壓頭的時(shí)候，要注意氣化率不能大于50%［4］。

2.2.3 壓力降 熱虹吸循環(huán)系統(tǒng)的壓力降可分為進(jìn)口管線、換熱器本體和出口管線3個(gè)壓力降。設(shè)計(jì)管路時(shí)要控制各個(gè)壓力降組成占總壓降的占比，盡可能增加進(jìn)口管線的阻力降，從而提高再沸器正常運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)減少進(jìn)入再沸器下部過冷段的顯熱段長度。進(jìn)口管線的壓力降應(yīng)占總壓降的20%～30%，出口管線的壓力降應(yīng)占總壓降的10%～20%，出入口壓力降不能超過總壓降的35%。

2.2.4 熱流密度 再沸器設(shè)計(jì)最佳沸騰域是核態(tài)沸騰區(qū)，過渡沸騰區(qū)易引起流動(dòng)傳熱的不穩(wěn)定，并且沒有可靠的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，膜態(tài)沸騰易因管壁溫度過高加快物料結(jié)垢速度［5］。熱流密度和溫差過大超過臨界熱流密度點(diǎn)，核態(tài)沸騰會(huì)轉(zhuǎn)為過渡沸騰。壁面過熱度如果過小，不容易出泡，會(huì)影響傳熱和熱虹吸循環(huán)。

為保證流體處于對流沸騰或者核態(tài)沸騰，需要限制熱流密度在合適的范圍內(nèi)，對熱虹吸式再沸器尤其重要。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)平均熱流密度一般不超過37.8～44.2 kW/m2；對于水溶液系統(tǒng)不超過63.1～75.7 kW/m2；對真空系統(tǒng)，不超過37.8～44.2 kW/m2；對于一般煉油和石油化工系統(tǒng)，選用43.7 kW/m2，可能是比較合理的［6］。

3 結(jié)束語

再沸器涉及復(fù)雜流動(dòng)傳熱傳質(zhì)過程，在工程設(shè)計(jì)上難度較大。文中總結(jié)了不同類型再沸器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)說明熱虹吸式再沸器選型和設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)，為再沸器設(shè)計(jì)人員提供參考和幫助。