再沸器的选型和HTRI优化设计

2018-07-07台宁宁

山东化工 2018年11期

郑俊，台宁宁

(海工英派尔工程有限公司，山东青岛 266101)

再沸器(又称重沸器)，是精馏装置中重要的附属设备之一，常位于精馏塔底部。通过再沸器加热塔底液体使其部分汽化，成为汽液两相，为整个精馏系统的传质和换热提供所需的热量。由于再沸器换热过程是一种相变化过程，长期以来，人们对于它的工艺计算进行了深入的研究[1-2]。但有关再沸器优化设计，特别是两相流动沸腾侧的膜换热系数和压力平衡的计算，一直以来仍是难点。仅凭工程经验，手工计算的方法繁琐复杂，有时也会出现计算结果与再沸器实际运行情况大相径庭。

HTRI是一款由美国传质及换热协会基于40多年来广泛收集的工业级热传递设备的试验数据而研发的热交换器计算程序，不仅可以进行空冷器、加热炉、套管式、螺旋折流杆等热交换器的模拟计算，还包括几乎所有TEMA类型的管壳式热交换器的模拟计算[3]。目前，该软件已成为在国内外工程设计公司和换热器制造厂商进行换热器工艺计算的主要工具。

本文总结了不同类型再沸器的结构特点和选型的注意事项，并借助HTRI软件对再沸器的结构和设计参数进行分析，总结出热虹吸式再沸器优化设计的方法。

1 再沸器的类型与特点

1.1 再沸器的类型与特点

再沸器的类型较多，结构特点和适用场合各不相同，主要有釜式、虹吸式(立式和卧式)、强制循环式和内置式等。

图1 再沸器类型

釜式再沸器是由一个供气液分离、部分扩大的K型壳体和可抽出的加热管束组成[9]，管束末端有溢流堰，如图1(a)。塔底液体进入再沸器壳程底部并浸没管束，受热产生以泡核为主的沸腾,换热效率低，面积大。釜式再沸器对流体力学参数不敏感，操作弹性大，可靠性高，非常适合应用在气化率高、沸点范围宽的场合。由于其气液分离空间大，相当于一块理论板，故塔底空间可适当缩小。但设备容积大、金属耗量大、投资高。

强制循环式再沸器采用泵使塔底液体在再沸器和塔间循环，如图1(c)所示。由于塔釜温度通常较高，泵送成本费高，只在某些特殊场合如塔底物料气化率很低、粘度很高或热敏性很强、易于结垢以及在高真空(1300Pa以下)下处理宽馏分液体等情况时才考虑使用。

内置式再沸器是将换热管束直接插入塔底液体中，换热管通常为U型管，如图1(d)所示。优点是结构简单，占地面积小，投资小。缺点是换热管长受塔釜空间限制，换热面积较小，换热效果差，不适用于粘稠、易结垢液体[4]。在换热面积满足要求的前提下，内置式是最经济的一种再沸器。

热虹吸式再沸器，依靠塔釜液位产生的静压头及再沸器进出口管线流体的密度差使液体自动从塔底流入再沸器，不必用泵即可不断循环，因此又称自然循环式再沸器。按工艺过程不同，分为一次通过式和循环式；按沸腾机理不同，分为立式和卧

式。立式是工艺介质在管程沸腾，属流动沸腾；卧式是工艺介质在壳程沸腾，属池式沸腾。由于其工艺性能优良、单位换热面积金属耗量小，目前在炼油化工等行业应用广泛[4]；但其分馏效果小于一块理论板，汽化率一般不大于30%，塔的安装高度要求严格。

1.2 再沸器设计选型应考虑的因素

再沸器设计选型时，应先要清楚各种再沸器的优缺点，结合实际工况，进行比选，如表1中釜式和热虹吸式再沸器的性能比选。除此之外，还要重点考虑以下因素：

①成本：在换热效果差别不大的情况下，尽量选择单位换热面积金属耗量小的再沸器。通常壳径越大，单位换热面积的金属耗量越低。

②换热效果：在充分考虑工艺物料性质(粘度、结垢等)、压降许可的前提下，强化沸腾换热，提高总换热系数。

③操作可靠：在间歇操作或操作负荷变化较大时，再沸器的静压波动较大，设计必须考虑苛刻工况的安全操作。特别要提出的是对于热虹吸再沸器，汽化率不应过大，否则会引起上升管的管壁干竭和发生雾状流[4]。

④安装空间：对于改造项目，再沸器的布置和配管安装受原有场地限制，故有时需要权衡设备外形和换热效率，常会牺牲一些换热效果以满足现场实际的安装空间。

表1 再沸器的性能比较

1.3 再沸器的安装高度

安装高度是确定蒸馏塔与再沸器相对位置的重要参数。对于有强制循环的再沸器，因管路系统有泵，故安装高度考虑的较少；但对于热虹吸式再沸器及无强制循环的釜式再沸器，安装高度(图2(a)中Hx)是再沸器压力平衡满足设计循环量要求的关键。

在HTRI水力学计算中需要输入的关键参数是静压头，即塔釜正常液位到再沸器下管板的垂直距离(图2中Hy)。静压头与安装高度的关系见图2。对于卧式热虹吸再沸器，静压头=塔釜正常液位高+安装高度+壳体直径；对于立式热虹吸再沸器，为降低塔的标高，通常规定再沸器的上管板与塔釜正常液位持平(推荐两者标高差不超过0.6)。如果调整静压头，气化率、循环量、管路阻力降三个相互关联的参数也会相应发生变化。这使得压力平衡手工计算相当繁琐，需要迭代计算才能最终确定，但利用HTRI程序可方便地解决这一问题。

图2 热虹吸式再沸器的安装高度

2 设计实例

某装置苯分馏塔底再沸器E-101，综合再沸器设计选型因素(见1.2小节)，采用立式虹吸再沸器，热源采用300kPa(G)的饱和水蒸气，热负荷3000kW，塔釜压力70kPa(A)，塔釜温度110℃。

2.1 输入参数，初步选型

首先，输入冷热物流的工艺参数，包括物流的流量、气化率、温度、压力和污垢热阻等。再沸器温度即塔釜采出的温度，在此温度及塔釜组成下计算冷流体的物性。由于会出现两相对流传热，故需手动输入至少两个温度点的气液相物性于HTRI软件的“用户自定义组成”界面，也可采用流程模拟软件如ASPEN或PROⅡ计算得出，利用与HTRI间的端口直接导入。加热水蒸汽的物性可从HTRI数据库中选取，温度根据所选蒸汽的压力确定。

其次，输入再沸器结构参数，包括壳径、换热管束长度、换热管规格及排列方式和折流板间距。标准设备参照GB151，在HTRI中输入以上有关换热器具体的结构参数，即可设计出符合国家标准的换热器。

在HTRI中输入热负荷，HTRI程序会计算出所需水蒸气量为1.39 kg/s；输入假定的气化率0.15，即可计算出循环量43.63kg/s和所需静压头3.19 m。计算结果在HTRI报告，见图3。采用HTRI软件初步设计出再沸器E-101应选用立式虹吸(BEM)，壳径φ1400 mm，管长6 m，管子规格φ38 mm×2.5 mm，管间距48 mm，管子排列方式30度，折流板间距600 mm。

2.2 调整参数，优化设计

HTRI程序运行结束后，在运算信息栏里给出再沸器运行的各种报告，包括振动报告，稳定运行报告以及流体流速和流型报告。利用HTRI计算报告的提示需要对以下参数重点关注并做相应调整[6]：再沸器所需的换热面积和设计裕量；工艺流体在换热管内的物理变化过程；真实的循环量和气化率；满足循环所需的静压头，进而确定塔器和再沸器之间的相对布置关系；按压力降分配法确定进出口管的尺寸等。这些都可以帮助优化再沸器的设计。

表2 静压头随气化率的变化表

①确定最佳静压头。在HTRI程序中输入不同的静压头，得出一组气化率和面积裕量，见表2。气化率对推动力与阻力之比影响很大，而推动力与阻力之比要在1.001～1.05之间。从表2中可看出，气化率随着静压头的增大而减小，换热面积余量随着静压头先增大后减小。故综合换热效果和安装成本，选择3.2m的静压头。

②确定最佳管径。

图3 再沸器计算结果表

如图3所示，校核管子进出口处、壳侧进出口处和接管内的流速。从图中可看出壳侧出口管嘴处流速过低，不符合工艺要求，故应减小壳侧出口管嘴。另一方面，流速是否合适还与折流板间距和圆缺率有关。衡量这两个指标的重要条件是壳程流体的窗口流速和X-流流速尽可能相等，它们之比在0.8～1.2之间，如果超过这个范围，则沿管长方向流体被重复的加速和减速，从而使压降不能充分转化为传热系数的提高[7]。