热虹吸再沸器的合理选型及优化

2020-06-24朱玉玲

天津化工 2020年3期

关键词：沸器卧式汽化

朱玉玲

（天津长芦新材料研究院有限公司，天津300350）

本文将不再对热虹吸再沸器进行设计计算，以下章节将详述热虹吸再沸器的原理、循环型式及其工艺结构。

1 热虹吸原理

热虹吸再沸器仅是热虹吸系统的一部分，热虹吸的产生主要是由于再沸器进口端管和出口端管静压差造成的，系统中流体的循环是流体静压头和摩擦阻力降平衡的结果，见图1。

图1 热虹吸原理示意图

式中，Hi为再沸器进口静压头，H0为再沸器出口静压头，△Pf为系统阻力降：包括进口阻力降△Pfi，换热器阻力降△Pfex，出口阻力降△Pfo。

摩擦阻力降跟很多因素相关，比如循环量，流体性质，流体相态，流型和流动形态Re。

Pi，Po则与流体性质，操作压力和热输入相关。

2 热虹吸再沸器类型

热虹吸再沸器是一类使用广泛的、可靠性强的精馏塔塔釜再沸器。循环量大，物系停留时间较短，传热系数高，装置紧凑，产生气液两相流，能将污垢从再沸器中冲刷出来，减少污垢，通常更容易操作和维护。热虹吸再沸器分为立式热虹吸再沸器和卧式热虹吸再沸器，见图2。

图2 热虹吸再沸器类型

通常，石油炼化企业多倾向于使用卧式热虹吸再沸器，普通化工企业多选用立式热虹吸再沸器，而石化企业则两者兼有，并且立式热虹吸再沸器使用比例会高于卧式。究其原因：一般是工艺介质比较脏，易于结垢，再沸器热负荷比较大的倾向使用卧式热虹吸再沸器；而工艺介质相对干净，再沸器负荷相对较小的一般选用立式热虹吸再沸器。主要原因为：

1）卧式热虹吸再沸器相对立式热虹吸再沸器检修容易；2）负荷小的选用立式热虹吸再沸器，管路布置会相对简单，安装费用低，总的成本会低；3）如果负荷大的选用立式热虹吸再沸器，势必会增加换热管的长度，由此导致塔的裙座高度也会增加，一般工程上是不允许这么做的，使用立式热虹吸再沸器换热管的长度是有限制的，通常尺寸长度在2.4～3.6m，很少有更大的。炼油企业相对于化工企业来说，一般换热器热负荷较大，工艺介质比较脏，而且易结垢，所以基本都是选用卧式热虹吸再沸器。

卧式热虹吸再沸器的安装高度低于立式，其循环推动力较大，循环量也更大。一般立式热虹吸再沸器的管程走工艺液体，壳程走加热蒸汽，卧式热虹吸再沸器则相反。

热虹吸再沸器几乎适用于所有介质和工艺系统。一般工艺介质结垢严重，粘度较大，间歇操作，及其他不稳定操作系统则很少用热虹吸再沸器。

表1 总结了不同类型热虹吸再沸器的一些参数比较。

表1 热虹吸再沸器参数比较

3 热虹吸再沸器循环形式

热虹吸再沸器的基本循环形式，分为一次通过式和循环式，见图3。一次通过式和循环式的参数对比，见表1。一次通过式热虹吸再沸器，从模拟的角度看，等效于釜式再沸器，相当于精馏塔的一块理论板。进口侧液体从塔板集液盘采出，而不是塔釜，再沸器两相流返回到塔板的下方，正常操作过程中，静压头恒定，流体循环量恒定，只要热输入量保持不变，返回塔的流体汽化率就恒定不变。一次通过式汽化率最好不要超过25%，汽化率过高的话，容易形成膜状沸腾或是雾状流，换热器性能会大大降低。对于相对挥发度高、再沸器热负荷大的物系，如果流体汽化率能维持在合理的范围，一次通过式或许是比较好的选择，因为它能从最大程度上使换热器的对数平均温差增大，减小换热器的面积，降低投资费用。

图3 热虹吸再沸器基本循环形式

一般工艺要求循环流体低汽化率的操作，一次通过式的热虹吸再沸器也会是比较好的选择。因为循环式的，在低汽化率不能够产生有效的推动力，很难形成热虹吸。一次通过式的再沸器进口侧会增加额外的静压头。

循环式热虹吸再沸器的主要优点就是它从一定程度上弱化了热输入对循环流体汽化程度的影响。因为一旦热输入过多，过度的汽化就会导致工艺侧流体从泡核沸腾变成膜状沸腾，传热速率就会下降。只要设计合理，循环式热虹吸再沸器汽化率可以一直维持在合理的范围，从而使再沸器的尺寸最小化。

4 常见的循环式热虹吸再沸器工艺结构

循环式的工艺结构分为两种：循环无隔板和循环带隔板，见图4。带隔板的设计根据塔釜产品采出在不同侧又区分为两种，这两种形式设计的优缺点跟所涉物系的工艺性质有关。选用循环无隔板或者带隔板，或者带隔板的哪种形式跟整个系统有关，主要考虑因素有物系相对挥发度，换热面积，系统稳定性。

循环无隔板的热虹吸再沸器为返回塔釜的流体提供了最大的气液分离空间，有利于气液分离，见图4a，这种型式结构简单，易于控制。底层塔板冷液体与塔釜热液体混和产生气体，如果塔釜液位过高，没有足够的气液分离空间，容易形成鼓泡，物沫夹带严重，致使上层塔板板效率下降。通常这种设计都会留有一定的安全裕量，并在再沸器入口增加一个节流阀门，以维持压力平衡和系统稳定。

图4 循环式热虹吸再沸器常见工艺结构

循环带隔板的结构主要有两种，一种是：塔釜分成两部分，两者组成不同，底层塔板液体流入到再沸器集液池，再沸器返回液体送入釜底集液池，釜底集液池液体温度高于再沸器集液池液体温度，任何一点的液体溢出，都会造成再沸器集液池液体汽化，再沸器返回液体仅有一部分与再沸器集液池液体混合。这种结构会增大换热器的对数平均温差，减小换热器的面积，降低投资费用，见图4b，这种结构在性能上来说，某种程度上是介于一次通过式和图4a 所示循环式之间的一种热虹吸型式。只有相对挥发度高的物系，使用这种工艺结构，才可以大大减小换热器面积，对于相对挥发度低的物系，是没有任何优势可言的。因为相对挥发度低的物系，对不同的热虹吸系统工艺结构来说，换热器进口温度差别并不明显，不会大幅减小换热器面积。

另一种是：塔釜分成两部分，两者组成相同，温度相同。底层塔板液体流入到再沸器集液池，再沸器返回液体也流入再沸器集液池，釜底集液池仅仅收集再沸器集液池溢出液体，从本质上来说，这种结构型式与循环无隔板再沸器是一样的。区别在于加了隔板，能够维持液位稳定，保持恒定的静压头，为系统提供稳定的推动力，见图4c，这种结构型式是我们最常用的一种，系统稳定性的增强，很多时候比换热器面积小，成本更低。

5 影响热虹吸系统稳定性因素

稳定性对热虹吸系统来说很重要，我们要特别注意热虹吸过程中的动态变化。热虹吸再沸器入口液位和流体密度的改变，出口两相流流型的不稳定性都会改变压力平衡，影响热虹吸推动力。而一旦压力平衡改变，流体瞬时循环量就会改变，从而影响传热对数温差，汽化率也会随之改变。热平衡和压力平衡是紧密联系在一起的，不能相互独立。

在实际的化工操作中，维持某一参数恒定不变是不可能的，通常我们设计的时候都会留有一定的安全裕量，比如增大换热器的面积；增大再沸器返回管口与塔釜液位之间的气液分离空间，减少物沫夹带。立式热虹吸再沸器出口法兰与塔的入口法兰直连，避免两相流的不稳定性；卧式热虹吸再沸器出口管道避免倾斜管道，两相流流型设计在合理的区间，比如气泡流或者环流，避免波状流、活塞流、液节流。