立式熱虹吸再沸器的設計要點

孫文強

摘 要：立式熱虹吸再沸器在石油化工領域應用廣泛，是重要的熱量交換設備。文章結合其工作原理，針對影響其運行狀況的設計要點進行簡要的論述，針對設計時經常遇到的問題提供解決辦法。希望能夠為立式熱虹吸再沸器設計的優化提供一些有益的幫助。

關鍵詞：立式熱虹吸再沸器；設計要點；解決辦法

中圖分類號：TE967 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0074-02

Abstract： Vertical thermosyphon reboiler is widely used in petrochemical industry and is an important heat exchange equipment. In accordance with its working principle， this paper briefly discusses the design essentials that affect its running condition， and provides solutions to the problems often encountered in the design. It is hoped that it can provide some useful help for the optimization of the design of the vertical thermosyphon reboiler.

Keywords： vertical thermosyphon reboiler； design points； solution

在石油化工領域，再沸器是重要的熱量交換設備，設置于蒸餾塔底部。其作用是利用加熱介質將塔釜工藝介質部分氣化，通過循環送回蒸餾塔，為分離過程提供能量。立式熱虹吸再沸器是一種常見的再沸器，具有傳熱系數高，結構緊湊，被加熱介質在管內停留時間短，不易結垢，安裝方便，占地面積小，設備造價及運行費用較低等顯著優勢[1]。

立式熱虹吸再沸器在設計時，需要考慮結構參數、氣化率、進出口管路阻力降，安裝高度，管內流型、熱通量等因素對再沸器穩定運行的影響。本文將對以上問題進行論述，并對設計時經常會遇到對問題提供解決的辦法，以便在再沸器的工程設計中實現合理設計。

1 原理介紹

立式熱虹吸再沸器屬于自然循環式再沸器。蒸餾塔塔釜介質經過再沸器，部分介質被氣化，在再沸器及出口管線中形成兩相流，由于塔釜的靜液位與兩相流存在密度差，形成推動力，使塔釜介質不斷被虹吸入再沸器，無需外部提供動力即可完成循環。其示意圖如圖1所示。

蒸餾塔塔釜介質在進入立式熱虹吸再沸器后，由于其物理狀態的不同，其換熱機理也不相同。隨著介質在管內不斷上升，管內的介質流型及傳熱機理分布如圖2所示。

液相流（過冷段）：介質進入換熱管底部開始換熱，由于靜壓頭的存在使介質的操作壓力高于其飽和壓力，仍然是液相，傳熱的方式為液體對流傳熱。

泡狀流：隨著介質在管內的上升，操作壓力接近換熱管壁溫下所對應的飽和蒸汽壓，介質在換熱管表面被氣化，逐漸產生氣泡，傳熱的方式為泡核沸騰傳熱。

塞狀流：氣泡大量產生，聚集成體積更大的氣態活塞，液體塊與氣體塊交替上升，傳熱系數上升，傳熱方式為飽和核態沸騰和兩相對流換熱。

環狀流：氣體量持續增加，氣體帶動液體沿換熱管向上運動，將液體壓迫在垂直管壁上形成環狀流動，主要的相變過程在這段發生，傳熱系數達到最大，傳熱方式為兩相對流傳熱。環狀流是立式管中最理想的沸騰狀態。

霧狀流：氣化的量繼續增加，液體變成小液體，與氣體混合呈霧狀，傳熱方式為氣相對流換熱，傳熱系數因為傳熱方式的改變而顯著降低，因此霧狀流在再沸器設計時需盡量避免。

2 設計參數的確定

（1）結構參數。在確定立式熱虹吸再沸器對換熱管管徑時，由于塔釜介質在管內沸騰，如果使用小管徑的換熱管，則會增加再沸器的阻力降，一般使用內徑大于25mm的換熱管。在確定換熱管長時，過長對換熱管也會增加再沸器對阻力降，同時會增加介質形成霧狀流對可能性，一般管長不宜超過6m[2]。換熱管內對流速一般控制在0.5～1.5m/s，要以此原則選擇再沸器殼徑，殼徑比以2～5為宜。結構參數在設計再沸器時需根據計算結果不斷調整，直到介質出口狀態滿足要求。

（2）氣化率[3]。立式熱虹吸再沸器，一般比較適宜的氣化率是5%～35%。在確定氣化率時需考慮工藝介質的特性以及管內氣液的流動型式。

不同的工藝介質特性要選取不同的氣化率，對于純組分和窄沸騰域介質，側重考慮熱量和動量傳遞性質，對于寬沸騰域介質，側重考慮傳質的限制作用。同時氣液的密度差也是必須考慮的因素。一般水溶液的介質推薦氣化率2%～10%，烴類介質的推薦氣化率為10%～20%。

管內氣液的流動型式對再沸器傳熱效果及穩定性都有影響。如果氣化率較低，管內主要是泡狀流，則容易造成運行的不穩定。如果氣化率較高，管內已經達到霧狀流，則會顯著降低換熱器的傳熱效果。在選擇氣化率時需盡量避免。

（3）進出口管路阻力降。進出口管道的阻力降主要受進出口管道的長度及管徑影響。再加進口管路的阻力降有助于提高再沸器整體穩定性，并減少換熱管底部顯熱段的長度，同時有助于提高氣化率。但進口管路的阻力降過大，可能會造成塔釜低液位時換熱管內出現霧狀流。出口管路管徑在確定時，過大會造成出口氣體流速低，無法實現正常的循環，過小會使阻力降升高。一般應保證出口管路的阻力降小于總循環壓降的30%[3]。

（4）安裝高度。安裝高度是指塔釜液位距再沸器下管板的距離。這個液位差即為立式熱虹吸循環的動力。隨著安裝高度的不斷升高，再沸器的氣化率不斷降低。因此安裝高度過大，容易形成泡狀流，安裝高度過低，則容易形成霧狀流。在確定安裝高度時，需同時考慮進出口管路阻力降和氣化率，以實現再沸器的熱虹吸循環及穩定運行。一般安裝高度是在正常液位操作條件下確定的，因此在確定后還需核算低液位和高液位下安裝高度是否合適。

（5）管內流型。對于立式熱虹吸再沸器，出口管線中最好為環狀流，此時再沸器的傳熱效果及運行穩定性最佳。如果出口管線中為活塞流，會造成出口管線的振動問題，需設置管路支撐。如果出口管線為霧狀流，加熱介質的熱量無法被迅速帶走，使換熱管局部溫度過高，造成再沸器損壞。

（6）熱通量。熱通量是單位面積的換熱能力。如果熱通量選擇過高，則會出現流量不穩定，液相和氣相在換熱管中流動失穩而發生脈動。檢查熱通量對立式熱虹吸再沸器尤其重要[4]。建議塔釜介質為烴類時熱通量不超過50kW/m2，水溶液體系熱通量不超過75kW/m2。

3 問題及解決辦法

在立式熱虹吸再沸器設計時，以上因素對再沸器的運行效果都有影響，必要時需要調整一項或者幾項參數以實現再沸器的平穩運行。表1中列出了出現頻率較高的幾個問題及解決辦法。

4 結束語

立式熱虹吸再沸器在設計中需考慮的因素較多，難度較大。本文根據其工作原理，從傳熱及運行角度，簡述了立式熱虹吸再沸器在設計時需要注意的設計要點，為再沸器設計人員提供有益的幫助。

參考文獻：

[1]吳德榮.化工工藝設計手冊（第四版）[M].化學工業出版社，2009.

[2]王寧.立式熱虹吸再沸器的核算[J].石化技術，2016（6）：152-153.

[3]王松漢.石油化工設計手冊（第三卷）[M].化學工業出版社，2002.

[4]Andrew W. Sloley. Properly Design Thermosyphon Reboiler[J]. CHEMICAL ENGINEERING PROGRESS，MARCH，1997：52-64.