基于压力平衡下的立式热虹吸再沸器安装高度设计

胡景辉，张芳军， 李 雨，李进通

(惠生工程(中国)有限公司 河南化工设计院，河南 郑州 450018)

•设计与计算•

基于压力平衡下的立式热虹吸再沸器安装高度设计

胡景辉，张芳军， 李 雨，李进通

(惠生工程(中国)有限公司 河南化工设计院，河南 郑州 450018)

根据热虹吸再沸器的自循环原理，介绍了基于压力平衡下的立式热虹吸再沸器安装高度的计算方法与步骤。利用HTRI软件，以乙二醇装置乙二醇塔再沸器为例，对基于压力平衡下影响热虹吸再沸器安装高度的静压头、再沸器进出口管径等进行优化，并讨论了操作工况下塔釜液位波动对再沸器稳定运行的影响。

热虹吸 ; 再沸器 ; 安装高度

立式热虹吸式再沸器是化工分离单元操作中常见的沸腾传热设备，由再沸器和精馏塔通过管线构成闭路循环系统。主要作用是通过对塔底物流加热使一部分物料汽化返回塔内，以提供分离过程所需的热源。

在设计再沸器的安装高度时，原理是进行推动力和阻力的压力平衡计算。其中，推动力为塔釜内的液体静压头和再沸器内两相流的密度差，阻力为入口管阻力降、再沸器管程阻力降和出口阻力降等。当推动力等于阻力时，再沸器能按设计要求正常循环；若推动力小于阻力，则再沸器操作达不到设计要求，从而影响塔的分离效果。

1 压力平衡计算原理

图1 立式热虹吸再沸器压力平衡示意图

1.1推动力

ΔPt=[HCD·ρl-(ρlv) ·Hx+HED·ρlv]/ρl

(1)

ρlv=ρv(1-RL)+ρl·RL

(2)

ρlv=ρv(1-RL)+ρl·RL

(3)

(4)

(5)

RL=1-RV

(6)

其中：ΔPt，循环推动力，液柱，m；HED，入塔口与上管板的高度差，m；ρlv，蒸发段气液混合物的平均密度，kg/m3；RL，蒸发段平均液相体积分率，采用1/3y计算；RL，出口处平均液相体积分率，可采用出口气化率y计算；φ，两相流压力降因子。

1.2阻力

1.2.1再沸器入口管线的摩擦损失

(7)

(8)

当Re1≤1 000时，f1=67.63Re-0.987 3

(9)

当1 000lt;Re1lt;4 000时，f1=0.496Re-0.265 3

(10)

当Re1≥4 000时，f1=0.344Re-0.225 8

(11)

1.2.2再沸器出口至塔入口管线的摩擦损失

立式热虹吸式再沸器：

(12)

其中：Δp2，再沸器出口管线压力降，液柱，m；L2，从再沸器出口到入塔处的管线当量长度，包括出口管线直管长度、液体出再沸器收缩、入塔的膨胀以及阀门、弯头和管嘴等管件的当量长度，m；d2，出口管内径，m；f2，出口管线摩擦系数，按式(9)～(11)计算，其中Re按式(8)计算。

1.2.3再沸器壳程沸腾区的阻力降

(13)

令y=2/3·y

(14)

当Rei≤1 000时，fi=67.63Rei-0.987 3

(15)

当1 000lt;Reilt;4 000时，fi=0.451 3Rei-0.265 3

(16)

当Rei≥4 000时，fi=0.286 4Rei-0.225 8

(17)

其中：Δp3，再沸器壳程沸腾区内流体静压头，液柱，m；φ，两相流压力降因子，按式(5)计算，Xtt计算取y；HCD，蒸发段管长，m；HBC，显热段管长，m；fi，管内摩擦系数。

1.2.4再沸器出口管线动能损失

(18)

(19)

其中：Δp4，出口管线流体静压头，液柱，m；ψ，校正因子。

1.3再沸器安装高度得综合判定

再沸器循环总阻力降：

Δp∑=Δp1+Δp2+Δp3+Δp4

(20)

若计算的再沸器循环推动力Δp略大于总压降Δp∑，则该换热器能正常循环；否则，需要通过调整安装高度或换热器尺寸实现。

2 设计优化案例

结合年产3万t乙二醇装置精馏工段乙二醇塔再沸器，利用HTRI软件，基于压力平衡下，对热虹吸再沸器安装高度的影响因素如静压头、再沸器进出口管径等的选取进行优化，以获得再沸器的高效稳定运行。

乙二醇塔再沸器的结构参数见表1。

表1 乙二醇塔再沸器结构参数

2.1安装高度的选取

合适的再沸器安装高度对塔的正常操作尤为重要。安装高度过低，塔釜和再沸器的自循环无法建立，再沸器相当于一块理论板，气液分离空间仅为过热蒸汽；安装高度过高，塔釜和再沸器的循环量过大，液面因超过再沸器出口而极不稳定，汽化率降低；同时，汽液分离空间减少，易引起大量的汽液夹带，导致产品不合格。

再沸器的安装高度由静压头表征，静压头是塔釜正常液位至再沸器下管板的垂直距离。在HTRI中，可通过“再沸器”中“需要的液体”的不同设定值，考察安装高度对再沸器气化率、循环量、设计余量等的影响，模拟结果见表2。

从表2可以看出，在换热器热负荷一定的情况下，随静压头的提高，液体循环量迅速增加，汽化率和设计余量因管侧传热系数的减小而降低。一般情况下，对于加压或常压精馏系统，静压头大于等于换热管长度；对于真空精馏系统，静压头小于换热管长度；对于高真空精馏系统，静压头宜小于2/3换热管长度；综合各方面因素，静压头按2 m考虑。

表2 静压头对各参数的影响

2.2进出口管线尺寸优化

再沸器进、出口管线的摩擦阻力降由管线尺寸决定。因此，进出口管线的尺寸将影响热虹吸系统的压力平衡。

选取静压头为2 m，在HTRI中，在“Piping”界面的“Piping Data”中可通过设定不同的进出口管径值，按“压力降分布”法考察不同的进、出口管径对再沸器汽化率、设计余量等的影响，以获取最佳的进、出口管线尺寸。模拟结果如表3所示。

注：总压力降为进、出口管线压力降和再沸器管程压力降之和。

从表3可以看出，当固定再沸器进口管尺寸时，随出口管径的增加，液体循环量增加，管侧传热系数降低，进而引起汽化率的下降。另外，增加再沸器入口管线的阻力降，可提高显热段传热系数，增加再沸器富余量，有利于运行稳定性。

通常情况下，一般入口管线压力降Δp1控制在总压力降Δp的20%～30%；出口管为两相流，宜为环状流，出口管压力降Δp2宜控制在总压力降Δp的10%～20%。综上所述，选取再沸器进、出口管径分别为DN150和DN600。

2.3液位波动分析

在操作过程中，塔釜液位存在一定的波动范围，进而会影响静压头和汽化率。为保证塔的分离效果，需要对塔釜液位波动进行详细的分析核算。选取静压头为2 m，再沸器进口管径DN150，出口管径DN600，考察操作工况下，塔釜液位分别为最低液位、正常液位、最高液位下，静压头、汽化率、设计余量等的变化趋势，模拟计算结果见表4。

表4 塔釜液位波动对各参数的影响

从表4可知，在再沸器安装高度一定的情况下，随塔釜液位的升高，液体循环量增加，进而引起再沸器管程，以及进、出口管线压降的增加；另一方面，塔釜液位的升高，使再沸器出口汽化率因液体循环量增加而降低，导致出口管线压降占比下降。

同时，模拟计算结果显示，再沸器出口管为环状流，热虹吸不稳定计算也显示该自循环系统稳定。因此，该再沸器可满足各种工况下汽化率、设计余量、再沸器各部分压力降分布等工艺指标要求。

3 结论

通过对立式热虹吸式再沸器压力平衡计算分析，为满足再沸器现场运行稳定性的要求，在安装高度的设计计算中应注意：①再沸器的正常运行是保证整个装置正常运行的关键，可采用压力平衡法确定热虹吸再沸器安装高度，采用“压力降分配法”确定进、出口管线尺寸；②增加再沸器入口管线的阻力降，可提高显热段传热系数，增加再沸器富余量，有利于运行稳定性，一般入口管压力降Δp1控制在总压力降Δp的20%～30%；③出口管为两相流，宜为环状流，应避免块状流或雾状流，出口管压力降Δp2宜控制在总压力降Δp的10%～20%，根据工程经验，不宜超过35%；④出口管线的阻力降应尽可能小，因此配管时应使再沸器出口管线尽量短而直，出口管气相的ρυ2gt;70 kg/m3；⑤静压头降低，再沸器出口汽化率增加，在调整静压头时，汽化率不应高于50%；⑥再沸器设计计算时，应留有适当的余量，以满足不同操作液位下的压力平衡要求。

[1] 吴德荣.化工工艺设计手册(第4版)[M].北京:化学工业出版社,2009:639-645.

[2] 王松汉.石油化工设计手册(第3卷)[M].北京:化学工业出版社,2002:686-701.

[3] 钱颂文.换热器设计手册[M].北京:化学工业出版社,2002,57:102.

[4] 刘 健.立式热虹吸再沸器HTRI优化设计[J].化工设计,2008,18(2):34.

大连化物所高能量密度低成本液流电池新体系研究获进展

近日，中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部研究员张华民、李先锋领导的团队，在液流电池新体系方面取得进展，开发出新一代高能量密度低成本中性液流锌铁液流电池体系，研究成果在线发表在《德国应用化学》上。

大规模储能技术是实现可再生能源普及应用的关键核心技术，液流电池由于具有安全性高、储能规模大、效率高、寿命长等特点，在大规模储能领域具有很好的应用前景。全钒液流电池是目前发展最为成熟的液流电池技术之一，现处于产业化示范阶段。但该电池仍存在能量密度较低，成本较高的问题。为此，研究团队选择成本较低的FeCl2和ZnBr2作为活性物质，构建了中性液流电池体系。采用络合技术解决了中性条件下铁的水解问题，利用多孔离子传导膜替代传统离子交换膜解决了由于铁离子污染导致膜内阻升高的问题，提高了中性介质中离子在膜中的传导性，提高了中性锌铁液流电池的性能和稳定性。该电池在40 mA/cm2工作电流密度条件下，能量效率超过86%，连续运行超过100次循环性能无明显衰减。该体系活性物质浓度可达2 mol/L，其体积能量密度可达56 Wh/L。更重要的是，与其他液流电池体系相比，该体系具有更低的成本[lt;400 元/kW·h]，表现出很好的应用前景。该工作对于新一代液流电池的研究开发，具有重要的指导意义。

TQ050.2

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1003-3467(2017)10-0042-04

2017-07-10

胡景辉(1982-)，男，工程师，从事化工工艺设计工作，电话：0371-68567988-2197。