MRU再生塔再沸器的工程设计

张 孝，李 华*，赵 磊，王文涛，何佳伟

（1.重庆前卫科技集团有限公司，重庆 401121；2.江苏科技大学，江苏 镇江 212000）

关键字：再沸器；MRU；EDR

在深水开采可燃冰时，由于通道处于高压输送情况下，通道内会出现水合物造成管线冻堵，对正常开采产生一定的影响。借鉴以往的开发经验，采用乙二醇（MEG）作为水合物抑制剂，防止管道内水合物的生成。乙二醇再生与回收（MRU）包括预处理、脱水再生和脱盐三个单元，分别除去MEG富液中的烃、水和盐等杂质，从而得到满足往入纯度要求的MEG贫液，实现MEG的循环使用［1-5］。

再沸器是MRU脱水再生单元中安装在再生塔底部的换热器，主要是依靠热载体对塔釜内的MEG富液进行加热，使MEG富液中的水汽化返回再生塔内，使富液得到分馏所需要的热量［6］。本文采用Aspen EDR对MRU中再生塔再沸器进行工程设计，对介再沸器的工作原理进行了简介，并确定了相关参数，设计出了满足要求且稳定运行的再沸器，本研究为MRU中的再沸器设计奠定一定基础。

1 再沸器选型及原理

1.1 再沸器的选型

再沸器主要有釜式、热虹吸式（立式和卧式）、强制循环式和内置式等类型，本文设计研究对象是MRU再生单元中的再沸器，立式热虹吸再沸器以传热系数大、投资低、结构紧凑较小、稳定性较高、加热停留时间短等优点，作为MRU中再沸器的首选方案［6］。

1.2 再沸器的工作原理

立式热虹吸再沸器的循环动力来自于塔釜静压头和再沸器内两相流体的密度差，阻力为再沸器进出口管阻力降以及管程阻力降。其中加热介质走壳程，工艺流体走管程，图1为立式热虹吸再沸器换热管中的不同区域，根据换热管内流体不同的气液状态而划分。

图1 再沸器工作原理图

单相对流显热段：由于存在静压头，所以此区域的压力需大于流体饱和状态下的压力。为了使换热管内液体沸腾，需对液体进行加热，达到对应压力下的饱和温度。

过冷沸腾段：随着换热管内的液体向上，压力随之降低，当压力下降到管壁所对应的饱和蒸气压时，气泡在管壁上形成，并不断长大破裂。

泡状流（Bubble）和活塞流段（Slug）：当换热管内流体被不断的加热，管壁内形成大量气泡，气泡从管内壁离开，在流体内汇集变大形成气体活塞。

搅动流段（Churn）：随着温度升高，换热管内气体不断增加，气体活塞汇集在一起，形成一连串的气核，由于气液相间的相互作用，管内液体出现搅动现象。

环状流段（Annular）：当气体的剪切应力达到一定程度时，液体会随着气体向上运动在换热管内，此时流体在换热管内完成了主要的相变。

在图1中，环状流上部有一段区域为雾状流（Mist），设计再沸器时要避免出现此气化流型，因为雾状流的出现会在很大程度下降低总传热系数。

2 再沸器设计

2.1 工艺条件

立式热虹吸式再沸器中冷热流体（饱和水蒸气和乙二醇富液）的工艺条件见表1。入口管线长8000mm，出口管线长1000mm。

表1 立式热虹吸式再沸器工艺数据

2.2 关键参数

2.2.1 物性参数

温度为175℃、压力为0.8MPa的热流体饱和蒸汽，物性包选择B-JAC物性，物性方法选择I-deal［6］。针对冷流体富乙二醇的物性参数，物性包选择Aspen Properties物性库，由于物系仅含有乙二醇、水和一价盐，该物系为极性物系，因此采用NRTL-RK方程作为物性方法［4］。

2.2.2 结构参数

再沸器采用单管程E型壳体，前封头采用B型，后封头采用M型；换热管选用25mm×2mm的316不锈钢管道作为换热管，管间距为32mm，采用正三角形排列；考虑到MRU系统安装要求，再沸器按照高度不能太高，故选择传热管长度为3m；选择圆缺高度为直径40%～45%的折流板，缺口方向为横缺形。

2.2.3 水力学参数

由于MRU再生塔采用碳钢材质，在系统的运行过程中，铁锈剥落物以及MEG富液中的烃类和盐水化合物等杂质会进入MRU再生塔塔釜，据参考文献以及设计经验，考虑到结垢等因素，再沸器的汽化率宜小于25%大于5%［6］。

2.2.4 管路系统压降

通常情况下，再沸器的管程进口压降占总压降的20%～35%为宜，特别对有轴向接管的换热器，出口压降占总压降的10%～20%，最大不能超过35%［6］。

2.3 再沸器设计结果及分析

将冷热流体的工艺参数、物性参数、结构参数输入到Aspen EDR的设计模式中进行初步设计后，再将计算模式由设计模式转到模拟模式，根据初步设计结果，依据相关标准上的标准规格对立式热虹吸式再沸器的参数进行圆整和校核。

2.3.1 静压头的选取

静压头即塔釜正常液位至再沸器下管板的垂直距离，是影响再沸器内的汽化率值的关键参数。在EDR软件Thermosiphon Piping中分别输入1200～3600mm中的7个静压头，数据如表2所示。根据相关资料，水蒸气与有机液体的传热系数经验值范围为570～1100 W/（m2·K）［6］，由表 2可知，再沸器在不同的静压头下，均满足总传热系数范围值且稳定运行。当静压头为1200mm时气化率为18.2%，静压头为3600mm时气化率为6.9%，均满足再沸器气化率宜小于25%大于5%的要求，根据参考文献的经验总结，静压头的取值宜小于换热管长度，换热管长度为3000mm，故取2400mm的静压头作为设计基准，且静压头为2400mm时，换热管内的最终流型为环状流（Annular），满足设计要求。

表2 静压头与再沸器汽化率的对应关系

2.3.2 再沸器管程进出口管径的选择

当立式热虹吸再沸器静压头为2400mm时，入口管线管径为100mm、出口管线管径为300mm时，壳侧进出口接管压力降分别占壳侧总压降的4.12%和7.29%，壳侧的压力降主要分布在折流板的错流区和窗口区。管侧进出口接管压力降分别为管侧总压降的24.28%和18.54%，与建议的出入口管路系统压降比相符。

2.3.3 设计结果

采用Aspen EDR软件对乙二醇再生脱水流程中的再生塔再沸器进行设计，最终得到换热器主要参数，见表3。

表3 再沸器主要参数表

3 结语

对再沸器的工作原理进行了介绍。采用Aspen EDR软件对立式热虹吸再沸器进行工程设计，设计出了满足要求且稳定运行的再沸器，本研究为MRU中的再沸器设计奠定一定基础。可供相关人员使用EDR设计再沸器时作为参考。