煉油裝置中臥式熱虹吸式重沸器的設計

趙麗娟，闞偉

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煉油裝置中臥式熱虹吸式重沸器的設計

趙麗娟，闞偉

（中國石油工程建設有限公司華東設計分公司，山東 青島 266071）

煉油裝置中臥式熱虹吸式重沸器的設計、安裝正確與否將直接影響到煉油裝置的運行和產品質量。本文通過分析臥式熱虹吸式重沸器的流體流速、安裝高度以及結構參數等因素對臥式熱虹吸式重沸器設計的影響，并提供了相關經驗設計值，以期對今后臥式熱虹吸式重沸器的設計選型有所幫助。

臥式；熱虹吸式；重沸器；設計

重沸器是石油化工裝置中不可缺少的傳熱設備，臥式熱虹吸式重沸器由于具有投資費用省,占地面積小等優點,愈來愈多應用于煉油化工裝置中。在煉油裝置中,由于所處理的物料流量大、粘度高、易結垢,廣泛采用臥式熱虹吸式重沸器[4]。因此，臥式熱虹吸式重沸器的設計、安裝正確與否將直接影響到煉油裝置的運行和產品質量。

1 安裝高度的工藝計算

熱虹吸式重沸器是靠管內液體的靜壓頭與氣—液相離開重沸器處的靜壓頭之差而產生的,進入重沸器的液體循環量取決于驅動這個系統的壓力差,所以在設計重沸器時,應進行殼側壓力平衡計算,以確定塔和重沸器之間的標高差和各項安裝尺寸,保證重沸器操作的正常循環。計算時可參考圖1。

常采用以下公式進行殼側壓力平衡計算[1][6]，以確定安裝高度。

1.1 進口側壓力

式中：——塔釜壓力，m液柱；

——安裝高度，m；

1——塔底液位高度，m；

——重沸器直徑，m。

1.2 出口側壓力

出=?2+?3+?4+?5+（2）

主要為入口流速、管線直徑、當量長度及流量的函數。

圖1 臥式熱虹吸式重沸器壓力平衡示意圖

式中：1——入口管線摩擦系數，為雷諾準數RE的函數；

主要為出口流速、管線直徑、當量長度及流量的函數。

主要為殼程折流板數、折流板間距、流通面積、質量流量及摩擦系數的函數。

進口側和出口側壓力平衡

在計算過程中，圖2-1所示的管路系統中，相關參數的選取對保證重沸器正常循環重要的意義。

2 實際應用

系統內各參數的合理選取對保證臥式熱虹吸式重沸器的正常工作具有重要的意義。下面對主要影響參數進行分析，做到有的放矢，合理設計臥式重沸器。

2.1 流速的選取

重沸器循環流量的初始值是根據塔內最后一塊塔板的液體流量減去抽出量計算的，而在實際運行過程中，該流量是由作為推動力的重力壓頭和換熱器及管路的總阻力所共同決定的。選取合適的進出口流速計算出進出口直徑后，通過HTRI或HTFS軟件核算由系統推動力產生的溫差環流，確保進出口流速在合適范圍內。

2.1.1 進口管流速

從投資費用和壓力損失等方面綜合考慮, 確定降液管直徑時, 其內部液體流速一般取1~2.5 m/s[3]。選取較低流速易造成進口管徑增大，計算的安裝高度偏低，而實際運行時由壓力平衡產生的循環流量增大，入口壓降增大，局部壓力損失超過塔釜最低液位產生的靜壓差，造成進口管內產生氣、液兩相流動。

選取較高流速時，易使計算的安裝高度偏高，投資增加，同時使得重沸器進口流速增大，誘發換熱器內管束震動。已有的研究表明在重沸器泄漏事故中由管束振動引起的泄漏占泄漏是事故的30%[2]。

2.1.2 出口管流速

氣液兩相在垂直管內向上流動時, 其流動形態可能為泡狀流、塊狀流、環狀流或霧狀流等的任何一種。塊狀流是一種氣、液相交替脈動的不穩定流態, 對操作不利, 應盡量避免在該種流態下操作。一般來說, 操作壓力越高, 或汽化率越大, 就越不易產生塊狀流動。因臥式熱虹吸式重沸器的氣化率較低，易產生塊狀流。根據實踐經驗,管內流速一般不小于4.5 m/s[3]。但升氣管內流速也不應設計過大, 否則會造成升氣管壓降過大, 使重沸器顯熱段傳熱面積及溫差損失增加, 還會使精餾塔發生液泛。管內流速一般不大于10 m/s。同時當氣、液兩相流速過大時, 為防止塔釜液體受劇烈沖擊而產生霧沫夾帶, 應在塔釜液面和進料接管之間設置防沖擋板。

2.2 安裝高度的選取

計算出重沸器安裝高度后，必須保證安裝高度在合理的范圍內。過高造成投資費用增大，過低易對重沸器運行造成影響。

2.2.1 安裝高度H

通過式（9）計算出安裝高度后，考慮到后續的配管布置，均需設置部分余量，以保證安裝高度能提供足夠的循環推動力。合適余量高度是保證重沸器良好運行的前提。

余量過小或沒有，實際運行中易造成進口側壓力較低，運行不起來或運行不平穩。局部壓力損失超過塔釜最低液位產生的靜壓差，造成進口管內產生氣、液兩相流動。進口推動力進一步減小，運行不起來。

余量過大，液體靜壓頭升高時, 重沸器內工藝介質的壓力就會增大, 沸點隨之升高。在加熱介質的溫度保持不變的情況下, 重沸器的有效平均溫差就會降低, 造成所謂的溫差損失現象，影響系統傳熱[4]。同時沸點的升高造成以單相對流傳熱為主的顯熱段增大，以泡核傳熱為主的蒸發段減少，因為泡核沸騰的傳熱膜系數(給熱系數)較大，所以隨著管內液位的增高，總的傳熱系數會降低。換熱效果變差，需要重沸器傳熱面積增大。例如, 某低壓操作的乙烷乙烯分離塔采用熱泵技術, 重沸器降液管靜壓差若增加0.01 MPa, 重沸器的有效平均溫差就會降低25%, 系統所需要的傳熱面積就會大大增加。

則易產生溫差損失現象，安裝高度也使得投資增加，同時使得換熱器余量增大，設備投資增大。

為保證合理的安裝高度，余量一般取1.5~2 m，并根據最終配管布置圖進行核算，確保重沸器可正常運行。

2.2.2 重沸器返回口到塔底液位的距離2

采用熱虹吸式重沸器，其返塔線的安裝位置對于重沸器的正常運行至關重要。如過大，則造成出口管線壓力降增大，需要的推動力增加，增加了安裝高度，增加投資。

如果太低，塔底液面達到重沸器的返塔線管口處, 則重沸器就無法運行。為保證合理的安裝高度，重沸器返塔線安裝高度最少應比塔底最高液面(HLL)高出160 mm[5]。

2.3 重沸器結構參數的影響

為減小殼程摩擦壓力降，一般選擇帶折流板的“J”型或“H”型殼體，選取較大的折流板間距，但同時需注意間距增大，易造成震動，可增大切口尺寸，以減小板間泄漏，同時減少震動。采用大管徑換熱管，適當加大管間距。

3 結束語

臥式熱虹吸式重沸器設計的成功與否涉及到傳熱、兩相流動、設備、安裝等諸多方面。了解系統內各參數對臥式熱虹吸式重沸器的影響，對臥式熱虹吸式重沸器的設計具有重要意義。臥式熱虹吸式重沸器的流速選取、安裝高度以及重沸器結構參數等因素對臥式熱虹吸式重沸器設計的影響，實際應用中需根據實際情況，合理選取相關參數，做到事前估算、事后核算，保證重沸器的平穩運行，保障產品質量。

［1］劉巍，等．冷換設備工藝計算手冊[M]. 中國石化出版社, 2003

［2］楊秀芝. 煉油廠塔底重沸器泄漏分析及改造[J]. 石油化工設備, 2003, 32 (2): 56-57．

［3］劉成軍. 熱虹吸式重沸器循環回路的設計探討[J]. 化工設計, 2008, 18 (6): 24-26.

［4］劉成軍.熱虹吸式重沸器的選用和配管[J]. 煉油設計, 1999, 29: 19-22.

［5］楊盛敏．重沸器的選用設計[J]. 石油化工設備技術, 1995, 16（5）: 24-29．

［6］錢頌文．換熱器設計手冊[M]. 北京: 化學工業出版社, 2002．

Design of Horizontal Thermal Siphon Reboiler in Oil Refining Unit

（China Petroleum Engineering & Construction Corporation East-China Design Branch, Shandong Qingdao 226071, China）

Design and installation of horizontal thermal siphon reboilers in oil refining unit will directly affect the operation of oil refining unit and the product quality. In this paper, the effect of the fluid velocity and installation height and structural parameters and other factors on the horizontal thermal siphon reboiler design was analyzed, and some relevant experience design values were provided, in order to help in the future design of horizontal thermal siphon reboilers.

horizontal type；thermal siphon；reboiler；design

TE 624

B

1004-0935（2017）09-0923-03

2017-08-24

趙麗娟（1982-），女，工程師，碩士，遼寧省葫蘆島市人，2010年畢業于遼寧科技大學，研究方向：從事化學工藝技術工作。