張 孝，李 華*，趙 磊，王文濤，何佳偉

（1.重慶前衛(wèi)科技集團(tuán)有限公司，重慶 401121；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

關(guān)鍵字：再沸器；MRU；EDR

在深水開采可燃冰時(shí)，由于通道處于高壓輸送情況下，通道內(nèi)會(huì)出現(xiàn)水合物造成管線凍堵，對正常開采產(chǎn)生一定的影響。借鑒以往的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，采用乙二醇（MEG）作為水合物抑制劑，防止管道內(nèi)水合物的生成。乙二醇再生與回收（MRU）包括預(yù)處理、脫水再生和脫鹽三個(gè)單元，分別除去MEG富液中的烴、水和鹽等雜質(zhì)，從而得到滿足往入純度要求的MEG貧液，實(shí)現(xiàn)MEG的循環(huán)使用［1-5］。

再沸器是MRU脫水再生單元中安裝在再生塔底部的換熱器，主要是依靠熱載體對塔釜內(nèi)的MEG富液進(jìn)行加熱，使MEG富液中的水汽化返回再生塔內(nèi)，使富液得到分餾所需要的熱量［6］。本文采用Aspen EDR對MRU中再生塔再沸器進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，對介再沸器的工作原理進(jìn)行了簡介，并確定了相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)出了滿足要求且穩(wěn)定運(yùn)行的再沸器，本研究為MRU中的再沸器設(shè)計(jì)奠定一定基礎(chǔ)。

1 再沸器選型及原理

1.1 再沸器的選型

再沸器主要有釜式、熱虹吸式（立式和臥式）、強(qiáng)制循環(huán)式和內(nèi)置式等類型，本文設(shè)計(jì)研究對象是MRU再生單元中的再沸器，立式熱虹吸再沸器以傳熱系數(shù)大、投資低、結(jié)構(gòu)緊湊較小、穩(wěn)定性較高、加熱停留時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，作為MRU中再沸器的首選方案［6］。

1.2 再沸器的工作原理

立式熱虹吸再沸器的循環(huán)動(dòng)力來自于塔釜靜壓頭和再沸器內(nèi)兩相流體的密度差，阻力為再沸器進(jìn)出口管阻力降以及管程阻力降。其中加熱介質(zhì)走殼程，工藝流體走管程，圖1為立式熱虹吸再沸器換熱管中的不同區(qū)域，根據(jù)換熱管內(nèi)流體不同的氣液狀態(tài)而劃分。

圖1 再沸器工作原理圖

單相對流顯熱段：由于存在靜壓頭，所以此區(qū)域的壓力需大于流體飽和狀態(tài)下的壓力。為了使換熱管內(nèi)液體沸騰，需對液體進(jìn)行加熱，達(dá)到對應(yīng)壓力下的飽和溫度。

過冷沸騰段：隨著換熱管內(nèi)的液體向上，壓力隨之降低，當(dāng)壓力下降到管壁所對應(yīng)的飽和蒸氣壓時(shí)，氣泡在管壁上形成，并不斷長大破裂。

泡狀流（Bubble）和活塞流段（Slug）：當(dāng)換熱管內(nèi)流體被不斷的加熱，管壁內(nèi)形成大量氣泡，氣泡從管內(nèi)壁離開，在流體內(nèi)匯集變大形成氣體活塞。

攪動(dòng)流段（Churn）：隨著溫度升高，換熱管內(nèi)氣體不斷增加，氣體活塞匯集在一起，形成一連串的氣核，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。

環(huán)狀流段（Annular）：當(dāng)氣體的剪切應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，液體會(huì)隨著氣體向上運(yùn)動(dòng)在換熱管內(nèi)，此時(shí)流體在換熱管內(nèi)完成了主要的相變。

在圖1中，環(huán)狀流上部有一段區(qū)域?yàn)殪F狀流（Mist），設(shè)計(jì)再沸器時(shí)要避免出現(xiàn)此氣化流型，因?yàn)殪F狀流的出現(xiàn)會(huì)在很大程度下降低總傳熱系數(shù)。

2 再沸器設(shè)計(jì)

2.1 工藝條件

立式熱虹吸式再沸器中冷熱流體（飽和水蒸氣和乙二醇富液）的工藝條件見表1。入口管線長8000mm，出口管線長1000mm。

表1 立式熱虹吸式再沸器工藝數(shù)據(jù)

2.2 關(guān)鍵參數(shù)

2.2.1 物性參數(shù)

溫度為175℃、壓力為0.8MPa的熱流體飽和蒸汽，物性包選擇B-JAC物性，物性方法選擇I-deal［6］。針對冷流體富乙二醇的物性參數(shù)，物性包選擇Aspen Properties物性庫，由于物系僅含有乙二醇、水和一價(jià)鹽，該物系為極性物系，因此采用NRTL-RK方程作為物性方法［4］。

2.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

再沸器采用單管程E型殼體，前封頭采用B型，后封頭采用M型；換熱管選用25mm×2mm的316不銹鋼管道作為換熱管，管間距為32mm，采用正三角形排列；考慮到MRU系統(tǒng)安裝要求，再沸器按照高度不能太高，故選擇傳熱管長度為3m；選擇圓缺高度為直徑40%～45%的折流板，缺口方向?yàn)闄M缺形。

2.2.3 水力學(xué)參數(shù)

由于MRU再生塔采用碳鋼材質(zhì)，在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，鐵銹剝落物以及MEG富液中的烴類和鹽水化合物等雜質(zhì)會(huì)進(jìn)入MRU再生塔塔釜，據(jù)參考文獻(xiàn)以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，考慮到結(jié)垢等因素，再沸器的汽化率宜小于25%大于5%［6］。

2.2.4 管路系統(tǒng)壓降

通常情況下，再沸器的管程進(jìn)口壓降占總壓降的20%～35%為宜，特別對有軸向接管的換熱器，出口壓降占總壓降的10%～20%，最大不能超過35%［6］。

2.3 再沸器設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

將冷熱流體的工藝參數(shù)、物性參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入到Aspen EDR的設(shè)計(jì)模式中進(jìn)行初步設(shè)計(jì)后，再將計(jì)算模式由設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)到模擬模式，根據(jù)初步設(shè)計(jì)結(jié)果，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)上的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格對立式熱虹吸式再沸器的參數(shù)進(jìn)行圓整和校核。

2.3.1 靜壓頭的選取

靜壓頭即塔釜正常液位至再沸器下管板的垂直距離，是影響再沸器內(nèi)的汽化率值的關(guān)鍵參數(shù)。在EDR軟件Thermosiphon Piping中分別輸入1200～3600mm中的7個(gè)靜壓頭，數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)相關(guān)資料，水蒸氣與有機(jī)液體的傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值范圍為570～1100 W/（m2·K）［6］，由表 2可知，再沸器在不同的靜壓頭下，均滿足總傳熱系數(shù)范圍值且穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)靜壓頭為1200mm時(shí)氣化率為18.2%，靜壓頭為3600mm時(shí)氣化率為6.9%，均滿足再沸器氣化率宜小于25%大于5%的要求，根據(jù)參考文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，靜壓頭的取值宜小于換熱管長度，換熱管長度為3000mm，故取2400mm的靜壓頭作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，且靜壓頭為2400mm時(shí)，換熱管內(nèi)的最終流型為環(huán)狀流（Annular），滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 靜壓頭與再沸器汽化率的對應(yīng)關(guān)系

2.3.2 再沸器管程進(jìn)出口管徑的選擇

當(dāng)立式熱虹吸再沸器靜壓頭為2400mm時(shí)，入口管線管徑為100mm、出口管線管徑為300mm時(shí)，殼側(cè)進(jìn)出口接管壓力降分別占?xì)?cè)總壓降的4.12%和7.29%，殼側(cè)的壓力降主要分布在折流板的錯(cuò)流區(qū)和窗口區(qū)。管側(cè)進(jìn)出口接管壓力降分別為管側(cè)總壓降的24.28%和18.54%，與建議的出入口管路系統(tǒng)壓降比相符。

2.3.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

采用Aspen EDR軟件對乙二醇再生脫水流程中的再生塔再沸器進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終得到換熱器主要參數(shù)，見表3。

表3 再沸器主要參數(shù)表

3 結(jié)語

對再沸器的工作原理進(jìn)行了介紹。采用Aspen EDR軟件對立式熱虹吸再沸器進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了滿足要求且穩(wěn)定運(yùn)行的再沸器，本研究為MRU中的再沸器設(shè)計(jì)奠定一定基礎(chǔ)。可供相關(guān)人員使用EDR設(shè)計(jì)再沸器時(shí)作為參考。