卧式热虹吸再沸器在异构化装置中的设计优化

2023-11-09赵明王毅尚剑

工程建设与设计 2023年20期

赵明，王毅，尚剑

（华陆工程科技有限责任公司，西安 710065）

1 引言

在炼油项目异构化装置再沸器设计选型时，多采用卧式热虹吸再沸器。卧式热虹吸再沸器的管束为水平方向布置，可以得到较大的传热面积和较高的传热速率。大部分再沸器采用蒸汽做热源，而通常蒸汽管网操作参数是固定的。若再沸器蒸汽热源选择不合适，会造成工艺物料气化率低，同时由于两相流的存在，可能会造成设备或管线振动等情况出现。本文根据蒸汽和工艺物料合适的平均温差，结合现场不同蒸汽规格，选出合适的蒸汽热源，对异构化装置热虹吸再沸器进行设计优化。

2 概述

再沸器主要分为强制循环式和热虹吸式再沸器等，热虹吸式再沸器包括立式热虹吸再沸器和卧式热虹吸再沸器。热虹吸式再沸器通常以自循环方式操作，依靠釜液和换热器壳侧气液混合物的密度差为推动力形成热虹吸效应。

在再沸器热负荷确定的情况下，平均温差、换热面积、传热系数成为相互制约的因素，而平均温差对传热系数和换热面积均有影响，故寻求合适的平均温差是再沸器设计的重要因素。

3 卧式热虹吸再沸器

3.1 卧式热虹吸再沸器结构

卧式热虹吸再沸器是一种管壳式再沸器，它们常用于石油化工装置[1]。卧式热虹吸再沸器有许多种[2]，通常“E”和“J”形较常见，而“X”“G”和“H”形用途更多，这取决于对传热速率、结垢情况、壳程压降和物料组成等要求。

3.2 卧式热虹吸再沸器优势

1）与釜式再沸器相比，卧式热虹吸再沸器的循环量比较大，通过它的宽沸程混合物所需温升比釜式再沸器低，卧式热虹吸再沸器中出现较高的局部沸腾温差和传热速率。

2）与立式热虹吸再沸器相比，卧式热虹吸再沸器与塔出口管线垂直高度的水力学设计的弹性很大，所需静压头要低于立式热虹吸再沸器。对于石油类等宽沸程混合物，多采用卧式热虹吸再沸器。

4 平均温差

4.1 平均温差概述

当液体被加热时，把在液体内部产生气泡的现象叫作沸腾。如果在传热面上产生沸腾，传热系数由于气泡的产生、成长、脱离而迅速增大。

把表示液体和加热面之间的平均温差和热流密度（单位传热面积的热通量）Q/A 之间的关系曲线叫沸腾曲线。图1 为甲醇的沸腾曲线[3]。在图中A～B 范围内，液体自然对流加热，这个范围叫非沸腾区。B 是沸腾起始点，在B～D 范围内，气泡从加热面表面连续产生，把这个范围叫作泡核沸腾区。D 点是产生泡核沸腾的最大热流密度点，此时的温差叫作临界最大温差。D～H 的范围被称为过渡沸腾区，随着温差的上升，热流密度反而迅速下降，是加热面表面温度的不稳定区。H 点有最小的热流密度，在H～I 的范围内，加热面被蒸汽膜覆盖，热量通过这个蒸汽膜的导热和辐射形式传递，这个区域叫膜状沸腾区。

图1 甲醇沸腾曲线

因为在泡核沸腾下，传热系数高，所以，一般工业装置中再沸器设计采用的平均温差都是这个范围。表1 列出了一些介质的临界最大温差的参考值。

表1 部分介质临界最大温差

由表1 可以得出，大多数工艺介质的临界最大温差通常介于20～40 ℃。

4.2 平均温差的控制

对于蒸汽管网压力级别固定的装置，再沸器依据平均温差和有污垢热阻的前提下进行设计。若再沸器的平均温差较低，参考图1 可知，泡核沸腾区的热流密度很不稳定，部分因素如污垢热阻会对其产生较大影响，可以采用低翅片管来扩大和改变管子表面，增加泡核的生成。

若再沸器在较大的平均温差下操作，可能会出现膜状沸腾，甚至干涸沸腾。在有些工况下，由于不得不采用高温热源，在较大的平均温差下将再沸器设计成膜状沸腾状态，此时要特别注意增大再沸器的换热面积裕量，以防由于传热系数的降低而影响再沸器的换热效果。

总之，再沸器需要在合适的平均温差下进行设计。

5 卧式热虹吸再沸器的设计及优化

在异构化装置中，使用高压过热蒸汽为再沸器提供热源，高压蒸汽经减温减压后为异构化装置4 台再沸器提供热源，其中用户1～3 再沸器的平均温差均在临界平均温差范围内，不予讨论，本文只讨论用户4。

考虑到其他用户需求，高压过热蒸汽在减温减压后的蒸汽操作参数为1.33 MPa（G），223 ℃。由于1.33 MPa（G）蒸汽对应饱和温度为196 ℃，故减温减压后的蒸汽仍为过热蒸汽。在原设计中，用户4 利用该蒸汽为热源，其冷热侧的操作条件如表2 所示。

表2 旧工况冷热侧操作条件

由于再沸器主要是利用热源的潜热，过热蒸汽在换热后变成饱和蒸汽凝液。故该再沸器冷热介质的平均温差约为63 ℃。

用户4 工艺侧物料主要组分为戊烷，与表1 中的正戊烷参数接近。查表后，得到其临界平均温差为33 ℃，与壳侧工艺物料温度相加，得出合适的热源蒸汽温度约为170 ℃，该蒸汽的饱和压力为0.7 MPa（G）。

由于本装置存在中压蒸汽管网，中压蒸汽参数1.0 MPa（G），220 ℃。该蒸汽经压力调节阀减压到0.7 MPa（G），利用该蒸汽作为热源，修改管程蒸汽热源参数，冷热侧操作条件见表3。

使用HTRI 9.0 软件对管程参数不同的再沸器计算结果进行对比，对比结果如表4 所示。

表4 再沸器计算结果对比

设计中只改变了再沸器管程蒸汽的入口压力，其他参数未做任何调整。经过计算，新工况下计算结果没有出现振动等警告信息，部分计算结果发生明显变化，具体变化如下。

1）传热系数：新工况下，再沸器的传热系数比原再沸器高69.4%。当使用1.33 MPa（G）的过热蒸汽时，平均温差为65.2 ℃，传热系数559 W/（m2·K），传热效率低，长期运行可能会出现管侧蒸汽凝液过冷现象。当使用0.7 MPa（G）的蒸汽时，对数平均温差为38.5 ℃，此时总传热系数为947 W/（m2·K），对流传热系数高。

2）平均温差：新工况下，再沸器的平均温差接近临界最大温差，而原设计的平均温差远大于临界最大温差。当采用0.7 MPa（G）的蒸汽时，由于平均温差仅为38.5 ℃，传热系数较高，冷热流体的换热效果好。

3）设计裕量：原再沸器使用高压过热蒸汽，由于平均温差大于临界最大温差，再沸器处于膜状沸腾区，传热系数低。新再沸器虽然设计裕量变小，但平均温差接近临界最大温差，再沸器处于泡核沸腾区，传热系数高。

4）蒸汽用量：新再沸器蒸汽用量为16 139 kg/h，比原再沸器每小时减少近7%的蒸汽负荷，可降低装置的操作运行费用。

6 结论

本文对卧式热虹吸再沸器结构做了详细的介绍，阐述了再沸器在外形结构、操作维护中的优势及适用范围。同时对再沸器平均温差及其控制进行了详细介绍和分析。结合异构化装置中卧式热虹吸再沸器实例，使用HTRI 软件对卧式热虹吸再沸器进行模拟和优化，通过对比传热系数、平均温差、设计裕量和蒸汽用量等参数对原工况和新工况进行了详细的对比，得出平均温差是再沸器设计的关键因素之一，具体结论如下。

1）对于再沸器的设计，平均温差的取值需在合适范围内。若平均温差过大，则会造成传热系数的下降，传热效率降低，且长期运行可能会出现管侧蒸汽凝液的过冷现象。

2）平均温差最好选择在泡核沸腾区，此时传热系数较高，壁温较低，冷热流体换热稳定，不会出现由于冷热流体温差过大造成蒸汽凝液无法顺利回收的情况。