李曉東 神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司煤制油項(xiàng)目指揮部 銀川 750411
張 信 航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司 蘭州 730050
蒸發(fā)器或再沸器可以分成內(nèi)置式、釜式、臥式熱虹吸式、立式熱虹吸式、強(qiáng)制循環(huán)式等。臥式熱虹吸再沸器屬于殼側(cè)沸騰,為獲得均勻的流體分布,通常使用多個(gè)接管,這樣易造成管道系統(tǒng)復(fù)雜,增加設(shè)備價(jià)格,但換熱率高,易維修和清洗,可控性好,不易結(jié)垢;立式熱虹吸再沸器屬于管側(cè)沸騰,設(shè)備被直接安裝在塔旁,由于管線系統(tǒng)簡(jiǎn)單,故設(shè)備造價(jià)低,換熱率大,不易結(jié)垢,占地面積小,可用于真空和低壓系統(tǒng)。為獲得良好循環(huán),可能需要比較高的塔裙座高度。管長(zhǎng)通常受塔裙座高度、傳熱面積的限制,維修和清洗困難,不能用于有過(guò)流量和突然脈動(dòng)可能的系統(tǒng),當(dāng)沸點(diǎn)有較高提升時(shí)會(huì)降低蒸汽發(fā)生率。
選擇再沸器的型式時(shí),首先應(yīng)滿(mǎn)足工藝要求。本文討論用于再生塔的立式熱虹吸再沸器,利用熱介質(zhì)在殼側(cè)提供熱量將管側(cè)工藝流體加熱沸騰,作為自然循環(huán)的單元操作,動(dòng)力來(lái)自與之相連的再生塔塔釜液位產(chǎn)生的靜壓頭和管內(nèi)流體的密度差。在工程設(shè)計(jì)時(shí),要優(yōu)化設(shè)計(jì)再沸器的進(jìn)出口管徑、換熱管長(zhǎng)度、汽化率等,選擇合適的安裝高度以滿(mǎn)足操作要求。
立式熱虹吸再沸器和臥式熱虹吸及罐式再沸器不同。立式熱虹吸再沸器的下段,由于受到液柱的靜壓力,處于未汽化狀態(tài),稱(chēng)為顯熱段,顯熱段屬于對(duì)流傳熱,因此應(yīng)和蒸發(fā)段分開(kāi)考慮。因此,先了解工藝流體在換熱管內(nèi)加熱沸騰過(guò)程的詳細(xì)物理變化,將有助于熱虹吸換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
可以將換熱管內(nèi)工藝物流分為6部分:①最下部是單相對(duì)流顯熱段,由于靜壓頭的存在,該區(qū)域的壓力大于流體飽和狀態(tài)的壓力。為使液體氣化沸騰,必須將液體加熱到對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度以上。顯熱段的長(zhǎng)度取決于管壁兩側(cè)總的溫差、流體的液相傳熱系數(shù)、再沸器進(jìn)口管的壓降等;②當(dāng)流體經(jīng)換熱管向上流動(dòng),壓力逐漸降低,在換熱管壁上液體開(kāi)始形成氣泡,此段稱(chēng)為過(guò)冷沸騰段,由于氣泡的作用,該段流體的膜傳熱系數(shù)迅速增加;③當(dāng)流體持續(xù)加熱達(dá)到飽和溫度時(shí),大量氣泡在管壁形成,離開(kāi)換熱管內(nèi)壁并在流體內(nèi)變大聚集形成氣體活塞;④隨著氣體體積的增加,氣體活塞聚集在一起形成一串的氣核。這個(gè)區(qū)域氣體流速還不足以帶動(dòng)液體向上流動(dòng),同時(shí)由于氣液相間的相互作用,管內(nèi)液體出現(xiàn)攪動(dòng)現(xiàn)象;⑤當(dāng)氣體的剪切應(yīng)力足夠大時(shí),氣體帶動(dòng)液體沿?fù)Q熱管向上運(yùn)動(dòng),形成環(huán)狀流,此時(shí)流體在立式熱虹吸再沸器內(nèi)完成了主要的相變和傳熱過(guò)程;⑥環(huán)狀流上部有一段區(qū)域?yàn)殪F狀流,在再沸器設(shè)計(jì)中一定要注意這一相變過(guò)程,霧狀流區(qū)域液相成分散狀,以液滴形式存在于氣體之間,管壁間傳熱主要由氣體控制,造成總傳熱系數(shù)降低,因此,設(shè)計(jì)再沸器時(shí)要避免霧狀流的出現(xiàn)[1]。具體狀態(tài)變化見(jiàn)圖1。
熱虹吸再沸器的汽化率是再沸器設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)非常重要的參數(shù),汽化率的大小直接影響再沸器列管內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù),進(jìn)而影響再沸器的傳熱面積;同時(shí),汽化率還明顯影響再沸器的安裝高度。在出口汽化量要求固定以及再沸器換熱面積固定的情況下,靜壓頭、管內(nèi)傳熱系數(shù)、校正溫度和面積裕量隨汽化率不同的變化見(jiàn)表1。
圖1 流體在換熱管中的變化過(guò)程
表1 各參數(shù)和汽化率變化表
由表1數(shù)據(jù)可知,再沸器列管內(nèi)傳熱系數(shù)值隨出口汽化率的降低而提高,即再沸器傳熱面積將減少,設(shè)計(jì)富裕度將提高,有利于設(shè)計(jì)。但汽化率不可能無(wú)限降低,存在一個(gè)極值,因?yàn)槌隹谄收{(diào)低后,列管內(nèi)液相量增加,兩相流混合密度也增加,為保證熱虹吸所需的推動(dòng)力,靜壓頭也要隨之增加。換言之,再生塔液釜液面就要提高。但液釜液面高度是有限的,首先不能高過(guò)再沸器出口管,否則液體將經(jīng)出口管逆流進(jìn)入再沸器;其次,提高液釜液面高度也會(huì)增加再生塔的投資費(fèi)用;最后為了提高再沸器列管內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)而下調(diào)出口汽化率,再沸器進(jìn)口管徑將采用較大的管徑,也不利于節(jié)約投資。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),出口汽化率一般不低于10%、不高于30%;本次設(shè)計(jì)中,綜合考慮到裝置框架高度、再沸器和再生塔連接的相對(duì)位置及進(jìn)出口管徑大小,選擇出口汽化率為16.9%。
一般有機(jī)液體的溫差選用范圍為20~50℃。當(dāng)殼側(cè)為有相變的加熱介質(zhì)如飽和蒸汽,或者利用顯熱加熱的具有較寬沸程的混合物時(shí)如導(dǎo)熱油,宜采用錯(cuò)流。這樣可以提高校正溫差,還可以增加工藝流體在換熱器內(nèi)的核沸騰。
立式熱虹吸再沸器依靠塔釜內(nèi)的液體靜壓頭和再沸器內(nèi)兩相流的密度差產(chǎn)生推動(dòng)力形成熱虹吸式的運(yùn)動(dòng),因此塔釜內(nèi)的液面一般和再沸器的上管板在同一高度。如果塔內(nèi)液位過(guò)低,換熱管有很大部分沒(méi)有利用;如果塔內(nèi)液位過(guò)高,則換熱管過(guò)熱段過(guò)長(zhǎng),溫度過(guò)高,而蒸發(fā)沸騰段過(guò)短,蒸發(fā)量仍然較小,并且過(guò)高的管內(nèi)溫度,會(huì)導(dǎo)致平均校正溫差變小,從而使換熱面積裕量變小,達(dá)不到工藝要求的汽化率。因此,換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般使管內(nèi)的狀態(tài)處于泡核沸騰和環(huán)流狀態(tài)。
GB 151對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)尺寸做了明確規(guī)定。換熱管越小越緊湊,越便宜,但管徑小會(huì)增加壓降。對(duì)于氣液兩相流的介質(zhì),一般選用較大的管道。再沸器換熱管一般選擇Φ25的管子。橫缺型折流板可防止殼程流體平行管束流動(dòng),減少殼程底部液體沉積;單弓型折流板相比較雙弓型折流板壓降較大,但是傳熱效果較好;折流板間距小,也能提高傳熱效果,但壓降會(huì)變大,泄漏量會(huì)增加。最小的折流板間距為殼程直徑的20%,不應(yīng)小于50mm,最好的板間距應(yīng)該為殼程的30% ~60%。綜合考慮熱負(fù)荷、換熱器安裝高度等選擇再沸器的結(jié)構(gòu),見(jiàn)表2。
表2 再沸器結(jié)構(gòu)參數(shù)
換熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇后,需分析再沸器進(jìn)出口管徑對(duì)進(jìn)口管壓力降、管程壓力降和出口管壓力降三部分的影響。通常情況下,盡量增加入口管的阻力降,這樣有助于提高再沸器運(yùn)行的穩(wěn)定性,同時(shí)還可減少再沸器下部的過(guò)冷段顯熱段,入口管壓力降占總壓力降的20%~30%為宜,還要注意在調(diào)整出口管直徑時(shí)出口管氣相βν2不能小于100kg/ms2。表3為固定塔釜內(nèi)的液面和再沸器的上管板在同一高度時(shí),進(jìn)出口管徑對(duì)壓降以及汽化率等的影響。
表3 進(jìn)出口管徑對(duì)壓降和汽化率影響
根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù),確定再沸器的上管板與塔釜液面在同一高度,即靜壓頭為3m;換熱器進(jìn)口管徑為300mm,出口管徑為400mm,校核汽化率為16.9%,滿(mǎn)足工藝要求。計(jì)算該換熱器換熱面積為112.68m2,每平方換熱面積的熱負(fù)荷為58470W/m2,滿(mǎn)足水或者低濃度水溶液再沸器動(dòng)力式和熱虹吸式最大允許熱負(fù)荷為90000 W/m2的要求。
(1)分析再沸器管程的物理變化過(guò)程,要注意在換熱器設(shè)計(jì)時(shí)避免出現(xiàn)霧狀流。
(2)分析再沸器工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)選擇優(yōu)化需要注意的事項(xiàng),以及安裝高度選擇的方法,保證再沸器正常運(yùn)行。
1 談 沖.精餾塔釜立式熱虹吸再沸器傳熱設(shè)計(jì)的優(yōu)化[1].化工設(shè)計(jì),1999,9(1):28-29.