卧式热虹吸再沸器HTRI优化设计

龙 奎，杨自伟，樊 凯

(惠生工程(中国)有限公司工艺系统室，上海 201210)

沸腾传热是指热介质将热量传递给壁面，然后被加热的壁面再将热量传递给冷液体并使其汽化。加热壁面上不断地发生气泡的形成、长大和脱离等过程，使得附近的流出处于强烈的扰动状态中，也使得质量和热量的传递速率比一般的传热过程要迅速的多，所以其传热系数比无相变时候的传热系数也要大的多。

按照沸腾液体所处空间和流动状态的不同，可将沸腾分为：(1)池内沸腾(或称大容积沸腾)，即加热面全部处在液面以下，在加热壁面生成的气泡长大后受到浮力的作用脱离壁面，液体仅存在由气泡扰动和自然对流引起的流动，宏观上液体是静止的；(2)流动沸腾，即液体受到一定的吸引力迫使其以一定的流速掠过加热壁面的沸腾现象。

再沸器是工业中非常重要的实现沸沸腾传热的设备，常安装于精馏塔底，作为热源对塔底物流进行加热并使部分物料汽化返回塔内，以提供完成精馏操作必须的汽液逆向接触[1]。

1 再沸器型式的类型及选用原则

再沸器根据形式主要分为釜式再沸器和热虹吸再沸器。

1.1 釜式再沸器

塔釜液体进入釜式再沸器后浸没管束，受管程的高温蒸汽等介质加热后发生以泡核沸腾为主的沸腾过程。上升的汽相夹带部分液相进入釜式再沸器的扩大的壳体，大部分液相在较大的汽液分离空间中得以分离出来，因此进入上升管返回精馏塔的汽相量较少。饱和液体溢过溢流堰至储液槽，再流出釜式再沸器进入后续流程。釜式再沸器对操作条件不敏感，可以达到80%以上的汽化率或使用温差较低的加热介质，在高真空或者接近临界压力下操作时均比较稳定，操作弹性较大。但是它不适于易结垢或含有固体颗粒的介质，否则容易堵塞管束或者积聚在溢流堰和管束之间。另外由于壳体有扩大部分，所以其金属耗量大，成本较高，且占地面积也较大[2]。

1.2 热虹吸再沸器

热虹吸再沸器是指在重沸器中由于冷流体被加热汽化，使得上升管中的汽液混合物密度明显小于入口管中纯液相的密度，因此形成的静压差不断推动塔底进入再沸器，而加热产生的气液混合物自然地返回塔内，形成了循环。其循环速率完全取决于两端静压差的大小[3]。

热虹吸再沸器根据安装及结构特点又可分为卧式热虹吸再沸器和立式热虹吸再沸器)。其中卧式热虹吸再沸器和釜式再沸器都是在壳程沸腾，均属于池内沸腾，立式热虹吸再沸器在垂直的管程内沸腾，属于流动沸腾。卧式热虹吸再沸器可以为多管程，立式热虹吸再沸器常见为单管程[4]。

一般来说立式热虹吸再沸器传热系数较高、结构紧凑、占地面积小、制造及安装成本较低，在满足工艺要求的前提下应优先选用。但是在以下条件时，其使用则受到限制。

①工艺介质结垢很严重时不宜选用。

如果工艺介质在管程沸腾时很容易结垢，那么则会造成管路堵塞，导致压降增大。由于配管及结构上的原因，其垂直管束拆卸较困难，清洗和维修都不方便。

②工艺介质粘度较大时不宜选用。

如果介质粘度较大，超过0.5cp时，其在垂直管中上升阻力也较大，会降低循环效果。

③塔和再沸器尺寸较大时不宜选用。

立式热虹吸再沸器要求塔裙座高度较高，当塔直径较小时，增加裙座高度需要的成本较少，选用立式热虹吸再沸器是适合的；但当塔直径较大时，裙座高度增加引起的土建成本及安装成本均成比例增加，也就限制了热虹吸再沸器管束的长度，热负荷一定时可能需要多台并联使用，反而增加了总投资。

因此，不同的工艺过程适宜选用的热虹吸再沸器形式是不同的。根据工业上多年的使用经验，在医药化工、精细化工领域，所处理的物料流量较小，粘度较低，不易结垢，故基本全部使用立式热虹吸再沸器；但是在炼油装置中，介质流量较大，粘度高，易结垢，故卧式热虹吸再沸器占据了主导地位，约占90%[5]。

三种形式的再沸器的性能对比情况见表1[1]。

表1 再沸器性能对比情况

目前立式热虹吸再沸器的计算及设计方面的报道较多[6-8]，已研究地较为透测，本文主要针对卧式热虹吸再沸器进行研究。

2 应用实例

现以胺液再生单元的再生塔底再沸器作为工程实例来介绍使用HTRI设计卧式热虹吸再沸器的方法和设计要点。

2.1 输入物性数据

计算需要的物性数据可以通过PRO/II模拟文件直接导入htri文件，也可以手动输入，卧式热虹吸再沸器流量参数见表2，部分壳侧工艺介质物性参数见图1，部分管侧蒸汽物性参数见图2。

表2 流量参数

图1 部分壳侧工艺介质物性参数

图2 部分管侧蒸汽物性参数

2.2 输入结构参数

首先在Reboiler标签页中默认选择Reboiler Type为No piping specified，即先将此卧式热虹吸再沸器当成普通的管壳式换热器进行计算。输入TEMA型式为BJ12S，壳径1500 mm，单弓型折流板，板切率35%，板间距600 mm，管长6 m，管外径25 mm、45°角排列、双管程等。

运行之后根据Reports页的Overdesign、Velocities、Flow Fractions和Data Check Messages、Runtime Messages、Vibration标签页的提示信息等对之前输入的初始结构参数进行调整直至符合普通管壳式换热器的要求。

2.3 输入管道参数

在完成上述步骤之后，再到Reboiler标签页中选择Reboiler Type为Thermosiphon reboiler。因为之前导入物性数据的时候用的压力为塔釜的压力，所以在此页的Inlet Pressure Location一项中选择At column bottom[8]。

切换至Piping标签页，默认选择Inlet Piping和Outlet Piping的Friction factor method均为Smooth。此法适用于管径较大，相对粗糙度较小的场合；Commercial方法的计算结果稍保守一些；Colebrook-White方法适用于已知管道粗糙度的场合。在Piping Data区域输入进出再沸器的管径及估算的管长，其示意图见图3。

图3 卧式热虹吸再沸器HTRI Piping示意图

再进入Piping——Inlet标签页，在Piping页输入的Main Inlet的长度和管径数值已自动传递至此标签页，默认勾选Bend Allowance为Yes，这样HTRI会自动地加上弯头、三通等管件的当量长度。

进口段当量长度具体计算原则如下：

①对于所有的壳体，进口段当量长度= 主进口管(A)长度+68倍主进口管(A)直径；

②对于G、H和J21型壳体，进口段当量长度=主进口管(A)长度+68倍主进口管(A)直径+79倍集合管(E)直径；

③管嘴接管(B)处不再增加当量长度。

对于J12型壳体，进口管嘴只有一个，所以不存在管嘴接管(B)和集合管(E)，即此处不需要输入其他参数。

再进入Piping——Outlet标签页，在Piping页输入的Main Outlet的长度和管径数值同样已自动传递至此标签页，同上理默认勾选Bend Allowance为Yes。

出口段当量长度具体计算原则如下：

①对于所有的壳体，出口段长度= 主出口管(C)长度+34倍主出口管(C)直径；

②对于G、H和J21型壳体，出口段长度=主出口管(C)长度+34倍主出口管(C)直径+79倍集合管(F)直径；

③管嘴接管(D)处不再增加当量长度。

对于J12型壳体，出口管嘴有量个，所以需要输入管嘴接管(D)和集合管(F)的管径及长度。

完成上述设置后重新进行计算，如2.2节所示根据HTRI反馈信息进行相关结构参数的调整，直至符合要求。

2.4 计算结果

图4为上述实例的计算报告，在各信息窗口无任何异常警告信息，亦即此再沸器设计成功。

图4 实例计算报告

图5为Final Results页的Overall Performance Data计算结果，可以看出此时HTRI计算出的需要净压头为1.821 m，通常考虑50%的余量，即保证2.73 m的安装高度即可完全满足此热虹吸再沸器推动力的要求。

图5 净压头计算报告

3 结论

综上所述，本文主要介绍了再沸器的基本分类及各自的优缺点和适宜运用的场合，再以再生塔底再沸器作为实例，展示了用HTRI软件输入物性参数、结构参数、管道参数的过程，并对管道参数调作了详细说明，设计出了符合要求的卧式热虹吸再沸器，可供相关人员设计再沸器时参考。