立式虹吸式再沸器校核及優化設計

楊永青，王霄

（1.中核華緯工程設計研究有限公司，江蘇 南京 210019；2.中國化學工程第三建設有限公司，江蘇 南京 210012）

熱虹吸式再沸器，根據形式，分為立式和臥式。其中，立式虹吸式再沸器操作簡單、占地少、投資節約，在化工行業應用非常廣泛。

HTRI軟件是由美國公司開發的專業熱交換器設計校核軟件，它采用了先進的換熱技術，包含空冷器、節能器、管殼式換熱器、夾套管管熱器等多個模塊。該軟件在化工、電力、環保等各行業有著廣泛應用。

筆者利用HTRI軟件對某裝置二甲基乙酰胺（DMAC）精制工藝包中再沸器進行了校核，并對再沸器進行了優化設計。

1 校核及分析

1.1 設計參數

根據工藝包參數，塔釜出料組成為：二甲基乙酰胺 （DMAC），98.71%（質量分數，下同）；乙酸 （HAc），0.75%；二甲基甲 酰 胺 （DMF），0.54%。塔釜要求氣相負荷為8.82kg／s，塔釜處操作溫度為102℃，操作壓力 （A）為7.5kPa。該塔為負壓操作。

工藝介質為冷流體，走管程，進口為DN500，出口為DN1000。該換熱器材料為S30408，殼程為0.3MPa（G）飽和蒸汽。

工藝包中再沸器形式為BEM，相關參數見表1。

表1 再沸器參數表

1.2 HTRI參數輸入

1.2.1 工藝條件

根據再沸器參數在HTRI輸入界面輸入相關工藝參數，選擇校核模式。換熱管數根據換熱面積計算為1400根。輸入主界面及參數見圖1。

圖1 工藝參數輸入主界面

工藝參數輸入幾點特別說明：

1）一般常壓精餾再沸器汽化率不大于30%，真空精餾不大于50%，筆者按25%輸入。根據氣相負荷計算冷介質流量為35.28kg／s。

2）由于介質較清潔，管程和殼程污垢熱阻均取0.0001m2·K／W。

3）冷流體進口壓力 （A）按塔釜操作壓力輸入，即7.5kPa。同時將再沸器參數 （Reboiler Data）頁面下進口壓力位置 （Inlet Pressure Location）調整為第二項，即位于塔釜位置 （At Column Bottom）。冷介質進口壓力亦可按實際再沸器入口壓力輸入（即塔釜操作壓力加液柱靜壓），只是液柱靜壓需要預估算。

對于再沸器，需要輸入再沸器布置相關參數，包括再沸器進出口管徑長度等等。筆者根據設備布置情況輸入見圖2。

圖2 再沸器進出管參數輸入界面

1.2.2 物性參數

HTRI物性參數輸入有以下幾種方法：

1）利用HTRI自帶物性數據庫直接輸入。純凈物、混合器均可。該再沸器用加熱飽和蒸汽即用此法直接輸入。

2）利用HTRI支持的第三方虛擬物性庫。如VMG、PRO／Ⅱ等等。其中，VMG由HTRI安裝包自帶，使用方便。該再沸器工藝介質物性用此方導入物性參數。

3）利用流程模擬軟件物性導入。很多工藝流程都會進行單獨物料、能力衡算模擬，部分軟件如ASPEN換熱器模塊部分可以直接導入HTRI，作為換熱器詳細設計校核用。

4）手動輸入。

不管用以上哪種方法進行物性輸入，都要保證數據不少于三組，數據要能覆蓋本換熱器工況的參數范圍，以防出現較大計算誤差。該再沸器冷流體入口壓力根據靜壓預估，得到壓力范圍，再進行物性導入。

1.3 運行結果分析

1.3.1 設計余量

根據計算結果，該再沸器設計裕量為121.6%，設計余量較大，有待進一步優化調整。

1.3.2 壓降

計算再沸器入口壓力 （A）為20.86kPa。進口管、再沸器、出口管壓降值見表2。

表2 各段壓降

一般出口管壓降占比應小于30%，現處于臨界值，可以考慮調整再沸器進口或出口管徑。

1.3.3 振動

計算結果顯示，殼程進口流速較大，易引起振動。由于殼程為蒸汽，流量較大，可考慮增加防沖擋板降低液體對管熱管的沖擊，減小振動。

1.3.4 流形

關于管內流形，軟件計算結果見表3。

表3 管內流形

結果顯示，再沸器內未出現膜狀沸騰及霧化現象，該再沸器流形正常。

2 優化設計

2.1 優化思路

針對前面分析得出，優化設計主要考慮適當降低換熱器換熱面積，減小殼徑、管長等。在調整相關參數時，避免出現膜狀沸騰現象。

筆者通過試算，調整換熱器參數見表4。

表4 調整后再沸器參數表

2.2 靜壓頭選取

再沸器設計中靜壓頭很重要，靜壓頭會影響到汽化率。真空精餾再沸器上管板一般高于塔內液面。基于以上再沸器參數，選取不同靜壓頭進行校核，其結果見表5。

由表5看出，隨著靜壓頭的增加，汽化率、傳熱系數、設計余量均逐漸降低。由于靜壓頭是驅動再沸器循環的動力，其與循環量成本比，即靜壓頭越大，循環量越大，亦即汽化率越小。一般工程經驗推薦汽化率不低于10%，不大于40%［1］，所以靜壓頭可選擇1.25～2m，也可參考該數據進行精餾塔釜液位設計。

2.3 進出口管徑選取

以1.75m靜壓頭作為基準，對不同進出口管徑進行計算，得出結果見表6。

表6 各靜壓頭計算結果對比表

一般進口壓降占比為20%～30%，出口壓降占比為10%～20%，不超過35%【2】。再者管徑過小，會影響汽化率偏高，根據以上原則，選擇進口管徑為DN200，出口管徑為DN800。經校核，該工況下，汽化率為27.8%，管程流形為節液流和環狀流，無振動風險。

3 結論

通過對某裝置DMAC精制工藝包中再沸器進行校核分析，發現原工藝包再沸器出口管壓降占比較大，設計余量較大。筆者利用HTRI軟件對該再沸器進行優化設計，將殼徑由1.4m調整為1.2m，換熱管長由3m調整為2m。并分析了靜壓頭取值及進出口管徑的合理取值。