沈洋
(中國寰球工程有限公司北京分公司,北京100010)
再沸器(又稱重沸器)是蒸餾體系中重要的常規(guī)設(shè)備,通常設(shè)置在蒸餾塔底部(或側(cè)線)。通過再沸器給液相物料加熱,使其一部分氣化,成為氣液兩相,為整個蒸餾過程的傳質(zhì)和傳熱供給所需的能量。因此,在再沸器的選型和設(shè)計時,一定要連同精餾塔的操作特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)一起考慮。
再沸器種類較多,大部分采用管殼式換熱器,但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點和應用工況不同,通常有釜式、熱虹吸式(立式和臥式)、強制循環(huán)式和內(nèi)置式等。
釜式再沸器由用于氣液分離和變徑的K型殼體和用來加熱的管束共同組成[1],對于部分蒸發(fā)的情況,通常會在管束尾端設(shè)置溢流堰,見圖1(a)。
圖1再沸器類型
由于加熱管束浸在釜中的沸騰液體內(nèi),故循環(huán)在管束與殼體之間進行,氣液分離在釜內(nèi)上部完成。優(yōu)點是維修和清洗方便,傳熱面積大,氣化率高,操作彈性大,可在真空下操作。但釜式再沸器的傳熱系數(shù)低、換熱效率差、物料停留時間長、易結(jié)垢;外部配管所占空間較大,所需費用較高。
精餾塔塔底的物料進入再沸器后被熱介質(zhì)加熱后部分氣化,形成的氣液混合物的密度顯著減小,并一起進入蒸餾塔內(nèi)空間進行氣液分離,利用2側(cè)密度不同,使塔底物料被“虹吸”進入再沸器。由于工藝流程的不同,熱虹吸式再沸器可以分為1次通過式和循環(huán)式;1次通過式再沸器見圖2。
圖2 1次通過式熱虹吸式再沸器
進料可直接從底部塔板的降液管液封中引出,經(jīng)再沸器加熱后返回到精餾塔塔釜,分出的液相即為塔的排出物,引出管中的自由液面可在A、B間變化,以克服系統(tǒng)的流動阻力。采用此方式,液體短時間在加熱區(qū)駐留,可以減少結(jié)垢風險。
強制循環(huán)式再沸器有立式和臥式,見圖1(c)。它主要依賴于泵的壓頭額外機械能量保證運行,因而循環(huán)速率方便控制和調(diào)整,物料流速較高;停留時間縮短,可減少結(jié)垢傾向。
內(nèi)置式再沸器是把換熱管束插入塔釜物料內(nèi),不需換熱器外殼和配置工藝管線,見圖1(d)。優(yōu)點是內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單,占地少,投資小,方便清洗。缺點是換熱管長度受精餾塔的大小限制,換熱器的換熱面積不大,物料循環(huán)差[2]。
煉油工業(yè)大約95%使用臥式熱虹吸式,而化工行業(yè)大約95%運用立式熱虹吸式,石化企業(yè)則介于中間,型式的選擇與裝置規(guī)模以及物料的特性相關(guān),選用時應根據(jù)實際情況確定。熱虹吸式再沸器根據(jù)再沸器進出口同塔內(nèi)的連接方式不同,可分成1次通過式和循環(huán)式[3]。
此外,再沸器的選型要考慮到精餾塔的操作要求和造價。塔釜是否含有縱向隔板,取決于物料揮發(fā)度和塔釜系統(tǒng)的穩(wěn)定性需求,也影響再沸器的傳熱面積和選型。當物料揮發(fā)度較小時,可以不設(shè)置隔板,此時精餾塔塔釜內(nèi)有最大氣液分離空間與緩沖空間,但精餾塔塔釜內(nèi)的液面波動較大,宜選用臥式熱虹吸式;當物料揮發(fā)度較大時,設(shè)置隔板可減少傳熱面積,且塔內(nèi)液面穩(wěn)定,適合選用立式熱虹吸式。具體選型比較見表1。
表1再沸器的選型比較
2.2.1 氣化率 氣化率的確定需要分析物料介質(zhì)的特點以及氣液2相的流動型式。對于純組分和沸程窄沸的物性,應考察動量和熱量傳遞,對于沸程較寬的物性,則考察傳質(zhì)的約束。水溶液物系和輕烴體系因氣液密度差的大小有不同的推薦值:輕烴體系在帶壓下氣化率推薦10%~35%,真空下氣化率推薦50%以下,水溶液體系推薦2%~10%。
2.2.2 靜壓頭和安裝高度 對于臥式熱虹吸式再沸器,再沸器的靜壓頭=精餾塔塔釜正常液位高+安裝高度+殼體直徑;對于立式熱虹吸式再沸器,再沸器的靜壓頭=精餾塔塔釜正常液位高+安裝高度。通常當換熱器尺寸確定時,改變安裝高度來改變靜壓頭,從而滿足循環(huán)要求。
隨著再沸器安裝高度升高,體系的氣化率不斷降低。因此再沸器的安裝高度過高,換熱管內(nèi)會出現(xiàn)泡狀流,安裝高度過低,換熱管內(nèi)會出現(xiàn)霧狀流,都會造成傳熱效率變低,需要避免。通常再沸器的安裝高度是通過精餾塔塔釜正常液位操作下確定的,所以還需要核算在精餾塔塔釜高低液位下,再沸器是否可以滿足既定的傳熱要求。靜壓頭與再沸器的安裝高度之間的關(guān)系見圖3。
圖3熱虹吸式再沸器的安裝高度
對于立式熱虹吸式再沸器,在真空度較高的精餾系統(tǒng)時,再沸器的靜壓頭宜小于2/3換熱管長度。但是降低再沸器的靜壓頭,物性的氣化率會增加。所以在調(diào)整再沸器靜壓頭的時候,要注意氣化率不能大于50%[4]。
2.2.3 壓力降 熱虹吸循環(huán)系統(tǒng)的壓力降可分為進口管線、換熱器本體和出口管線3個壓力降。設(shè)計管路時要控制各個壓力降組成占總壓降的占比,盡可能增加進口管線的阻力降,從而提高再沸器正常運行的穩(wěn)定性,同時減少進入再沸器下部過冷段的顯熱段長度。進口管線的壓力降應占總壓降的20%~30%,出口管線的壓力降應占總壓降的10%~20%,出入口壓力降不能超過總壓降的35%。
2.2.4 熱流密度 再沸器設(shè)計最佳沸騰域是核態(tài)沸騰區(qū),過渡沸騰區(qū)易引起流動傳熱的不穩(wěn)定,并且沒有可靠的數(shù)學模型進行計算,膜態(tài)沸騰易因管壁溫度過高加快物料結(jié)垢速度[5]。熱流密度和溫差過大超過臨界熱流密度點,核態(tài)沸騰會轉(zhuǎn)為過渡沸騰。壁面過熱度如果過小,不容易出泡,會影響傳熱和熱虹吸循環(huán)。
為保證流體處于對流沸騰或者核態(tài)沸騰,需要限制熱流密度在合適的范圍內(nèi),對熱虹吸式再沸器尤其重要。根據(jù)經(jīng)驗,設(shè)計平均熱流密度一般不超過37.8~44.2 kW/m2;對于水溶液系統(tǒng)不超過63.1~75.7 kW/m2;對真空系統(tǒng),不超過37.8~44.2 kW/m2;對于一般煉油和石油化工系統(tǒng),選用43.7 kW/m2,可能是比較合理的[6]。
再沸器涉及復雜流動傳熱傳質(zhì)過程,在工程設(shè)計上難度較大。文中總結(jié)了不同類型再沸器的結(jié)構(gòu)特點,重點說明熱虹吸式再沸器選型和設(shè)計的注意事項,為再沸器設(shè)計人員提供參考和幫助。