費孟浩

化工設(shè)備

HTRI設(shè)計立式熱虹吸再沸器

費孟浩

上海華誼工程有限公司 （上海200235）

摘要根據(jù)立式熱虹吸再沸器的原理，結(jié)合工作實踐，詳細(xì)介紹了用HTRI設(shè)計立式熱虹吸再沸器的方法和設(shè)計要點。

關(guān)鍵詞熱虹吸再沸器HTRI

0　概述

立式熱虹吸再沸器是利用熱介質(zhì)在殼側(cè)提供熱量，將管側(cè)工藝流體加熱沸騰的管殼式換熱器，具有傳熱系數(shù)大、構(gòu)造緊湊、配管簡易、在加熱段停留時間短、不易結(jié)垢、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點，適用于黏度低的物系，在精細(xì)化工和石油化工領(lǐng)域應(yīng)用較多。本文從立式熱虹吸再沸器的原理入手，介紹如何利用HTRI軟件對其進(jìn)行設(shè)計。

1　原理

1.1立式熱虹吸再沸器循環(huán)簡介

立式熱虹吸再沸器工作流程如圖1所示，塔釜的液相經(jīng)入口管道進(jìn)入再沸器，由于靜壓頭的存在，換熱管入口處的壓力大于流體的飽和壓力，液體須加熱至對應(yīng)壓力下的飽和溫度后才能汽化，因此再沸器底部換熱管存在顯熱加熱段（B-C部分）；之后，在C-D部分，飽和液體被加熱，部分沸騰蒸發(fā)，流體變?yōu)闅庖簝上嗔?，因此該段稱為蒸發(fā)段；最后，氣液兩相流經(jīng)出口管道返回塔釜，完成循環(huán)[1]。換熱管內(nèi)溫度和壓力的變化情況見圖2。

立式熱虹吸再沸器的推動力為液體和氣液相的密度差，即ZA-ZC；阻力為入口管阻力降、再沸器管程阻力降和出口管阻力降三者之和。當(dāng)推動力≥總阻力時，再沸器可以循環(huán)；推動力=總阻力時，循環(huán)達(dá)到平衡狀態(tài)；推動力>總阻力時，應(yīng)增加循環(huán)量以提高總阻力，使其與推動力相等，進(jìn)而使循環(huán)達(dá)到平衡狀態(tài)[2]。

圖1　立式熱虹吸式再沸器工作流程

1.2換熱管內(nèi)流動及傳熱過程

立式熱虹吸再沸器換熱管內(nèi)的流動及傳熱過程如圖3所示。

（1）液流：下部為顯熱加熱帶，僅存在液相；傳熱方式為液相對流傳熱。

圖3　立式熱虹吸式再沸器換熱管內(nèi)流型與傳熱方式

（2）氣泡流：液體開始汽化，氣相形成氣泡，在液相內(nèi)呈分散相流動；傳熱方式為核沸騰傳熱。

（3）塊狀流：氣泡流量增加，液體塊和氣體塊交互上升；傳熱方式為核沸騰和兩相流對流傳熱。

（4）環(huán)狀流：氣體量繼續(xù)增加，液體在垂直管壁面被迫形成環(huán)狀流動，管芯部分氣體的流速比液體大；傳熱方式為兩相流對流傳熱。

（5）噴霧流：氣體量更大時，液體被全部吹散成液滴，整體呈霧狀；傳熱方式為蒸汽相對流傳熱。

在噴霧流區(qū)，傳熱系數(shù)明顯下降，因此再沸器出口換熱管內(nèi)含汽率不宜太大，可通過設(shè)置合理的溫差避免噴霧流的產(chǎn)生。加熱介質(zhì)和管內(nèi)流體之間設(shè)計溫差一般取20～50℃。

另外，立式熱虹吸式再沸器的熱負(fù)荷過大會引起流量不穩(wěn)定，管內(nèi)液體和氣體流動不平穩(wěn)并產(chǎn)生脈沖，甚至形成氣阻，建議熱負(fù)荷不超過37.9 kW/m2。

2　HTRI軟件設(shè)計立式熱虹吸式再沸器

首先根據(jù)經(jīng)驗預(yù)估一個總傳熱系數(shù)；其次根據(jù)熱負(fù)荷和有效傳熱溫差粗算換熱面積；再次根據(jù)換熱面積從立式熱虹吸式再沸器標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)中確定結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)行初步計算；最后根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸并重新計算，直至得到滿意的結(jié)果。

2.1計算輸入

2.1.1工藝條件

立式熱虹吸再沸器的工藝條件和污垢信息可根據(jù)設(shè)計要求輸入。

2.1.2物性數(shù)據(jù)

立式熱虹吸再沸器的殼側(cè)熱流體物性數(shù)據(jù)可從HTRI軟件成分性質(zhì)數(shù)據(jù)庫中選取。

管側(cè)的工藝?yán)淞黧w一般為混合物，通過文獻(xiàn)或?qū)＠坦に嚢@得的物性數(shù)據(jù)可以在用戶自定義模塊中輸入。需要注意的是再沸器換熱管內(nèi)各點的壓力（如圖2所示）和飽和溫度均不同，若以塔釜的壓力代替換熱管的壓力，計算出的換熱管內(nèi)壓力、溫度會偏小，傳熱溫差則比實際值偏大，再沸器的換熱面積裕量比要求值偏小。因此HTRI要求輸入3組不同壓力下的物性數(shù)據(jù)，且壓力區(qū)間大于圖2所示的B-D點，并能夠覆蓋整個換熱管。

此外，可以通過工藝流程模擬軟件和HTRI之間的端口直接導(dǎo)入由模擬軟件得到的物性數(shù)據(jù)及工藝參數(shù)。PRO/II、Hysys可通過圖4所示的方式導(dǎo)入物性數(shù)據(jù)；Aspen可通過設(shè)置虛擬物流，生成一個含不同壓力下Hcurve數(shù)據(jù)的dat文件，將dat文件導(dǎo)入HTRI即輸入了冷物流的物性數(shù)據(jù)。

圖4　Property Generator對話框

2.1.3結(jié)構(gòu)參數(shù)

立式熱虹吸再沸器的管徑一般為?25～38 mm，管子長度為2～6 m（大多為2.5～4 m）[3]。設(shè)計時可根據(jù)《立式熱虹吸式重沸器型式與基本參數(shù)》（JB/T 4716—1992）選用面積合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)。如果選用非標(biāo)再沸器，可根據(jù)GB/T 151—2014《熱交換器》選擇換熱管管徑、中心距等參數(shù)，換熱管根數(shù)可參考軟件計算結(jié)果（一般將計算結(jié)果乘0.9后取偶數(shù)根），如圖5所示。

2.1.4管道設(shè)置

立式熱虹吸再沸器的進(jìn)出口管道尺寸和長度是必須要輸入的，其管道設(shè)置如圖6所示。

圖5　再沸器結(jié)構(gòu)尺寸對話框

圖6　再沸器管道設(shè)置

2.1.5靜壓頭設(shè)置

立式熱虹吸再沸器的靜壓頭設(shè)置界面如圖7所示。對于加壓精餾，再沸器管板可平行于或低于塔釜正常液位；而對于真空精餾，再沸器管板要高于塔釜正常液位，注意不要將塔釜壓力和再沸器入口壓力混淆。

圖7　再沸器靜壓頭設(shè)置

2.2運行調(diào)整參數(shù)

以上計算輸入完成后，可運行HTRI，軟件會生成計算報告，給出詳細(xì)的計算信息并繪制再沸器圖形及換熱管布管圖。立式熱虹吸再沸器參數(shù)的計算結(jié)果除設(shè)計裕量、管殼程壓降等數(shù)據(jù)外，還應(yīng)重點關(guān)注幾個關(guān)鍵的約束條件,如汽化率、再沸器進(jìn)出口管道阻力降、管內(nèi)沸騰狀態(tài)等。

2.2.1汽化率

再沸器的汽化率一般為5%～35%，真空精餾的汽化率可以更高。汽化率受靜壓頭的影響較大，靜壓頭越大，汽化率越??；由于塔釜存在液位波動，靜壓頭也會隨之變化，因此設(shè)計再沸器時，應(yīng)保證再沸器的汽化率在最低液位、正常液位、最高液位時均能滿足要求。

2.2.2進(jìn)出口阻力降

增大再沸器的進(jìn)口管阻力降有助于提高其穩(wěn)定性，并減小底部顯熱加熱段的長度，增加汽化率；但進(jìn)口管阻力降不能過大，否則當(dāng)塔釜處于最低液位時，可能會由于汽化率過高而產(chǎn)生噴霧流。再沸器的出口管管徑過小、阻力過大將導(dǎo)致最大允許熱負(fù)荷降低，一般應(yīng)保證出口管道壓力降小于再沸器管程及進(jìn)出口管道阻力降總和的30%；但出口管徑不能過大，否則會導(dǎo)致出口氣速太低，無法維持流體循環(huán)，HTRI要求出口氣相的ρv2≥70 kg/(m·s2)。

另外，HTRI還提供了再沸器管程溫度、壓力、汽化率、流型變化等數(shù)據(jù)，并可以查看換熱管內(nèi)是否出現(xiàn)噴霧流。

2.3計算示例

以設(shè)計過程中實際遇到的項目示例HTRI設(shè)計立式熱虹吸再沸器的過程。

已知工藝條件為：塔釜壓力540 kPa(A)，塔釜溫度150℃，再沸器功率4950 kW,采用1.35 MPa(G)的飽和蒸汽加熱，傳熱溫差約為46℃，再沸器的設(shè)計裕量大于20%。如果假設(shè)再沸器的總傳熱系數(shù)為800 W/(m2·℃)，經(jīng)計算，其換熱面積應(yīng)不小于161.4 m2。根據(jù)JB/T4716—1992，可選用換熱面積為170 m2的再沸器，結(jié)構(gòu)尺寸為?1000 mm×3 000 mm，換熱管直徑為25 mm。假定再沸器的汽化率為15%，根據(jù)循環(huán)量可初步設(shè)置再沸器的進(jìn)出口管徑分別為DN250、DN500。選擇塔釜正常液位與再沸器的上管板等高，即靜壓頭為3 m。物料的物性數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)由PRO/II模擬軟件直接導(dǎo)入。蒸汽的物性數(shù)據(jù)由HTRI直接生成。輸入完成后，運行HTRI，得出以下計算結(jié)果。

2.3.1結(jié)構(gòu)尺寸

工藝計算結(jié)果見表1。由于設(shè)計裕量低于設(shè)定值，故應(yīng)增大換熱面積，將結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整為?1 000 mm×3500 mm，得到表2結(jié)果。再沸器調(diào)整后的結(jié)構(gòu)尺寸可滿足正常液位操作時設(shè)計裕量、汽化率等工藝要求,熱負(fù)荷強(qiáng)度也低于上限,不會引起氣阻。

2.3.2管道尺寸

再沸器系統(tǒng)的阻力分布計算結(jié)果由表3所示?？梢姡俜衅鞯某隹诠苈纷枇φ急?0%，ρv2大于70 kg/(m·s2);熱虹吸不穩(wěn)定計算也顯示系統(tǒng)穩(wěn)定;再沸器的進(jìn)出口管道DN250、DN500可滿足工藝要求。2.3.3管內(nèi)流動換熱

管程內(nèi)流體溫度、壓力、汽化率、流型、傳熱方式的變化如表4所示。換熱管內(nèi)流動換熱過程與圖2、圖3所示一致，沒有出現(xiàn)噴霧流,正常液位操作時，再沸器系統(tǒng)可滿足工藝要求。

2.3.4各種液位操作分析

塔釜液位分別位于最高液位、正常液位、最低液位時，再沸器的操作情況如表5所示。可見，再沸器可滿足各種工況下汽化率、設(shè)計裕量等工藝指標(biāo)的操作要求。

表1　工藝計算結(jié)果

表2　工藝核算結(jié)果

表3　再沸器系統(tǒng)的阻力分布計算

表4　再沸器換熱管內(nèi)流動換熱情況

表5　各種液位操作情況

3　結(jié)論

通過對立式熱虹吸再沸器的原理分析，介紹了再沸器設(shè)計參數(shù)的選取方法。然后對HTRI軟件設(shè)計立式熱虹吸再沸器的數(shù)據(jù)輸入、運行、參數(shù)調(diào)整作了詳細(xì)說明，并通過實例進(jìn)行了運算分析，設(shè)計出了適合各種工況的再沸器?？晒┫嚓P(guān)人員設(shè)計再沸器時參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮伯華.化學(xué)工程手冊(第2卷)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1989.

[2]吳德榮.化工工藝設(shè)計手冊(上冊)[M].4版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[3]時均,汪家鼎,余國琮,等.化學(xué)工程手冊 (上卷)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1996.

中圖分類號TQ053.2

收稿日期：2015年6月

作者簡介：費孟浩男1978生碩士工程師目前從事工藝設(shè)計工作

Design of Vertical Thermosiphon Reboiler with HTRI

Fei Menghao

Abstract:Based on the principle of vertical thermosiphon reboiler and design practice,the methods and key points for designing the reboiler with HTRI are described in detail.

Key words:Thermosiphon;Reboiler;HTRI