HTRI設計立式熱虹吸再沸器

費孟浩

化工設備

HTRI設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，結合工作實踐，詳細介紹了用HTRI設計立式熱虹吸再沸器的方法和設計要點。

關鍵詞熱虹吸再沸器HTRI

0　概述

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

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，塔釜的液相經入口管道進入再沸器，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)闅庖簝上嗔鳎虼嗽摱畏Q為蒸發(fā)段；最后，氣液兩相流經出口管道返回塔釜，完成循環(huán)[1]。換熱管內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)達到平衡狀態(tài)；推動力>總阻力時，應增加循環(huán)量以提高總阻力，使其與推動力相等，進而使循環(huán)達到平衡狀態(tài)[2]。

圖1　立式熱虹吸式再沸器工作流程

1.2換熱管內流動及傳熱過程

立式熱虹吸再沸器換熱管內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含汽率不宜太大，可通過設置合理的溫差避免噴霧流的產生。加熱介質和管內流體之間設計溫差一般取20～50℃。

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

2　HTRI軟件設計立式熱虹吸式再沸器

首先根據(jù)經驗預估一個總傳熱系數(shù)；其次根據(jù)熱負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準結構中確定結構尺寸，進行初步計算；最后根據(jù)計算結果調整結構尺寸并重新計算，直至得到滿意的結果。

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熱流體物性數(shù)據(jù)可從HTRI軟件成分性質數(shù)據(jù)庫中選取。

管側的工藝冷流體一般為混合物，通過文獻或專利商工藝包獲得的物性數(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所示的方式導入物性數(shù)據(jù)；Aspen可通過設置虛擬物流，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結構參數(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）選用面積合適的結構參數(shù)。如果選用非標再沸器，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)可參考軟件計算結果（一般將計算結果乘0.9后取偶數(shù)根），如圖5所示。

2.1.4管道設置

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

圖5　再沸器結構尺寸對話框

圖6　再沸器管道設置

2.1.5靜壓頭設置

立式熱虹吸再沸器的靜壓頭設置界面如圖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　再沸器靜壓頭設置

2.2運行調整參數(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)的計算結果除設計裕量、管殼程壓降等數(shù)據(jù)外，還應重點關注幾個關鍵的約束條件,如汽化率、再沸器進出口管道阻力降、管內沸騰狀態(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，汽化率越小；由于塔釜存在液位波動，靜壓頭也會隨之變化，因此設計再沸器時，應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進出口阻力降

增大再沸器的進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；但進口管阻力降不能過大，否則當塔釜處于最低液位時，可能會由于汽化率過高而產生噴霧流。再沸器的出口管管徑過小、阻力過大將導致最大允許熱負荷降低，一般應保證出口管道壓力降小于再沸器管程及進出口管道阻力降總和的30%；但出口管徑不能過大，否則會導致出口氣速太低，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是否出現(xiàn)噴霧流。

2.3計算示例

以設計過程中實際遇到的項目示例HTRI設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℃，再沸器的設計裕量大于20%。如果假設再沸器的總傳熱系數(shù)為800 W/(m2·℃)，經計算，其換熱面積應不小于161.4 m2。根據(jù)JB/T4716—1992，可選用換熱面積為170 m2的再沸器，結構尺寸為?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)量可初步設置再沸器的進出口管徑分別為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，得出以下計算結果。

2.3.1結構尺寸

工藝計算結果見表1。由于設計裕量低于設定值，故應增大換熱面積，將結構尺寸調整為?1 000 mm×3500 mm，得到表2結果。再沸器調整后的結構尺寸可滿足正常液位操作時設計裕量、汽化率等工藝要求,熱負荷強度也低于上限,不會引起氣阻。

2.3.2管道尺寸

再沸器系統(tǒng)的阻力分布計算結果由表3所示。可見，再沸器的出口管路阻力占比30%，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;再沸器的進出口管道DN250、DN500可滿足工藝要求。2.3.3管內流動換熱

管程內流體溫度、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、設計裕量等工藝指標的操作要求。

表1　工藝計算結果

表2　工藝核算結果

表3　再沸器系統(tǒng)的阻力分布計算

表4　再沸器換熱管內流動換熱情況

表5　各種液位操作情況

3　結論

通過對立式熱虹吸再沸器的原理分析，介紹了再沸器設計參數(shù)的選取方法。然后對HTRI軟件設計立式熱虹吸再沸器的數(shù)據(jù)輸入、運行、參數(shù)調整作了詳細說明，并通過實例進行了運算分析，設計出了適合各種工況的再沸器。可供相關人員設計再沸器時參考。

參考文獻：

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

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

[3]時均,汪家鼎,余國琮,等.化學工程手冊 (上卷)[M].北京:化學工業(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