基于壓力平衡下的立式熱虹吸再沸器安裝高度設計

胡景輝，張芳軍， 李 雨，李進通

(惠生工程(中國)有限公司 河南化工設計院，河南 鄭州 450018)

?設計與計算?

基于壓力平衡下的立式熱虹吸再沸器安裝高度設計

胡景輝，張芳軍， 李 雨，李進通

(惠生工程(中國)有限公司 河南化工設計院，河南 鄭州 450018)

根據熱虹吸再沸器的自循環原理，介紹了基于壓力平衡下的立式熱虹吸再沸器安裝高度的計算方法與步驟。利用HTRI軟件，以乙二醇裝置乙二醇塔再沸器為例，對基于壓力平衡下影響熱虹吸再沸器安裝高度的靜壓頭、再沸器進出口管徑等進行優化，并討論了操作工況下塔釜液位波動對再沸器穩定運行的影響。

熱虹吸 ; 再沸器 ; 安裝高度

立式熱虹吸式再沸器是化工分離單元操作中常見的沸騰傳熱設備，由再沸器和精餾塔通過管線構成閉路循環系統。主要作用是通過對塔底物流加熱使一部分物料汽化返回塔內，以提供分離過程所需的熱源。

在設計再沸器的安裝高度時，原理是進行推動力和阻力的壓力平衡計算。其中，推動力為塔釜內的液體靜壓頭和再沸器內兩相流的密度差，阻力為入口管阻力降、再沸器管程阻力降和出口阻力降等。當推動力等于阻力時，再沸器能按設計要求正常循環；若推動力小于阻力，則再沸器操作達不到設計要求，從而影響塔的分離效果。

1 壓力平衡計算原理

圖1 立式熱虹吸再沸器壓力平衡示意圖

1.1推動力

ΔPt=[HCD·ρl-(ρlv) ·Hx+HED·ρlv]/ρl

(1)

ρlv=ρv(1-RL)+ρl·RL

(2)

ρlv=ρv(1-RL)+ρl·RL

(3)

(4)

(5)

RL=1-RV

(6)

其中：ΔPt，循環推動力，液柱，m；HED，入塔口與上管板的高度差，m；ρlv，蒸發段氣液混合物的平均密度，kg/m3；RL，蒸發段平均液相體積分率，采用1/3y計算；RL，出口處平均液相體積分率，可采用出口氣化率y計算；φ，兩相流壓力降因子。

1.2阻力

1.2.1再沸器入口管線的摩擦損失

(7)

(8)

當Re1≤1 000時，f1=67.63Re-0.987 3

(9)

當1 000lt;Re1lt;4 000時，f1=0.496Re-0.265 3

(10)

當Re1≥4 000時，f1=0.344Re-0.225 8

(11)

1.2.2再沸器出口至塔入口管線的摩擦損失

立式熱虹吸式再沸器：

(12)

其中：Δp2，再沸器出口管線壓力降，液柱，m；L2，從再沸器出口到入塔處的管線當量長度，包括出口管線直管長度、液體出再沸器收縮、入塔的膨脹以及閥門、彎頭和管嘴等管件的當量長度，m；d2，出口管內徑，m；f2，出口管線摩擦系數，按式(9)～(11)計算，其中Re按式(8)計算。

1.2.3再沸器殼程沸騰區的阻力降

(13)

令y=2/3·y

(14)

當Rei≤1 000時，fi=67.63Rei-0.987 3

(15)

當1 000lt;Reilt;4 000時，fi=0.451 3Rei-0.265 3

(16)

當Rei≥4 000時，fi=0.286 4Rei-0.225 8

(17)

其中：Δp3，再沸器殼程沸騰區內流體靜壓頭，液柱，m；φ，兩相流壓力降因子，按式(5)計算，Xtt計算取y；HCD，蒸發段管長，m；HBC，顯熱段管長，m；fi，管內摩擦系數。

1.2.4再沸器出口管線動能損失

(18)

(19)

其中：Δp4，出口管線流體靜壓頭，液柱，m；ψ，校正因子。

1.3再沸器安裝高度得綜合判定

再沸器循環總阻力降：

Δp∑=Δp1+Δp2+Δp3+Δp4

(20)

若計算的再沸器循環推動力Δp略大于總壓降Δp∑，則該換熱器能正常循環；否則，需要通過調整安裝高度或換熱器尺寸實現。

2 設計優化案例

結合年產3萬t乙二醇裝置精餾工段乙二醇塔再沸器，利用HTRI軟件，基于壓力平衡下，對熱虹吸再沸器安裝高度的影響因素如靜壓頭、再沸器進出口管徑等的選取進行優化，以獲得再沸器的高效穩定運行。

乙二醇塔再沸器的結構參數見表1。

表1 乙二醇塔再沸器結構參數

2.1安裝高度的選取

合適的再沸器安裝高度對塔的正常操作尤為重要。安裝高度過低，塔釜和再沸器的自循環無法建立，再沸器相當于一塊理論板，氣液分離空間僅為過熱蒸汽；安裝高度過高，塔釜和再沸器的循環量過大，液面因超過再沸器出口而極不穩定，汽化率降低；同時，汽液分離空間減少，易引起大量的汽液夾帶，導致產品不合格。

再沸器的安裝高度由靜壓頭表征，靜壓頭是塔釜正常液位至再沸器下管板的垂直距離。在HTRI中，可通過“再沸器”中“需要的液體”的不同設定值，考察安裝高度對再沸器氣化率、循環量、設計余量等的影響，模擬結果見表2。

從表2可以看出，在換熱器熱負荷一定的情況下，隨靜壓頭的提高，液體循環量迅速增加，汽化率和設計余量因管側傳熱系數的減小而降低。一般情況下，對于加壓或常壓精餾系統，靜壓頭大于等于換熱管長度；對于真空精餾系統，靜壓頭小于換熱管長度；對于高真空精餾系統，靜壓頭宜小于2/3換熱管長度；綜合各方面因素，靜壓頭按2 m考慮。

表2 靜壓頭對各參數的影響

2.2進出口管線尺寸優化

再沸器進、出口管線的摩擦阻力降由管線尺寸決定。因此，進出口管線的尺寸將影響熱虹吸系統的壓力平衡。

選取靜壓頭為2 m，在HTRI中，在“Piping”界面的“Piping Data”中可通過設定不同的進出口管徑值，按“壓力降分布”法考察不同的進、出口管徑對再沸器汽化率、設計余量等的影響，以獲取最佳的進、出口管線尺寸。模擬結果如表3所示。

注：總壓力降為進、出口管線壓力降和再沸器管程壓力降之和。

從表3可以看出，當固定再沸器進口管尺寸時，隨出口管徑的增加，液體循環量增加，管側傳熱系數降低，進而引起汽化率的下降。另外，增加再沸器入口管線的阻力降，可提高顯熱段傳熱系數，增加再沸器富余量，有利于運行穩定性。

通常情況下，一般入口管線壓力降Δp1控制在總壓力降Δp的20%～30%；出口管為兩相流，宜為環狀流，出口管壓力降Δp2宜控制在總壓力降Δp的10%～20%。綜上所述，選取再沸器進、出口管徑分別為DN150和DN600。

2.3液位波動分析

在操作過程中，塔釜液位存在一定的波動范圍，進而會影響靜壓頭和汽化率。為保證塔的分離效果，需要對塔釜液位波動進行詳細的分析核算。選取靜壓頭為2 m，再沸器進口管徑DN150，出口管徑DN600，考察操作工況下，塔釜液位分別為最低液位、正常液位、最高液位下，靜壓頭、汽化率、設計余量等的變化趨勢，模擬計算結果見表4。

表4 塔釜液位波動對各參數的影響

從表4可知，在再沸器安裝高度一定的情況下，隨塔釜液位的升高，液體循環量增加，進而引起再沸器管程，以及進、出口管線壓降的增加；另一方面，塔釜液位的升高，使再沸器出口汽化率因液體循環量增加而降低，導致出口管線壓降占比下降。

同時，模擬計算結果顯示，再沸器出口管為環狀流，熱虹吸不穩定計算也顯示該自循環系統穩定。因此，該再沸器可滿足各種工況下汽化率、設計余量、再沸器各部分壓力降分布等工藝指標要求。

3 結論

通過對立式熱虹吸式再沸器壓力平衡計算分析，為滿足再沸器現場運行穩定性的要求，在安裝高度的設計計算中應注意：①再沸器的正常運行是保證整個裝置正常運行的關鍵，可采用壓力平衡法確定熱虹吸再沸器安裝高度，采用“壓力降分配法”確定進、出口管線尺寸；②增加再沸器入口管線的阻力降，可提高顯熱段傳熱系數，增加再沸器富余量，有利于運行穩定性，一般入口管壓力降Δp1控制在總壓力降Δp的20%～30%；③出口管為兩相流，宜為環狀流，應避免塊狀流或霧狀流，出口管壓力降Δp2宜控制在總壓力降Δp的10%～20%，根據工程經驗，不宜超過35%；④出口管線的阻力降應盡可能小，因此配管時應使再沸器出口管線盡量短而直，出口管氣相的ρυ2gt;70 kg/m3；⑤靜壓頭降低，再沸器出口汽化率增加，在調整靜壓頭時，汽化率不應高于50%；⑥再沸器設計計算時，應留有適當的余量，以滿足不同操作液位下的壓力平衡要求。

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[2] 王松漢.石油化工設計手冊(第3卷)[M].北京:化學工業出版社,2002:686-701.

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[4] 劉 健.立式熱虹吸再沸器HTRI優化設計[J].化工設計,2008,18(2):34.

大連化物所高能量密度低成本液流電池新體系研究獲進展

近日，中國科學院大連化學物理研究所儲能技術研究部研究員張華民、李先鋒領導的團隊，在液流電池新體系方面取得進展，開發出新一代高能量密度低成本中性液流鋅鐵液流電池體系，研究成果在線發表在《德國應用化學》上。

大規模儲能技術是實現可再生能源普及應用的關鍵核心技術，液流電池由于具有安全性高、儲能規模大、效率高、壽命長等特點，在大規模儲能領域具有很好的應用前景。全釩液流電池是目前發展最為成熟的液流電池技術之一，現處于產業化示范階段。但該電池仍存在能量密度較低，成本較高的問題。為此，研究團隊選擇成本較低的FeCl2和ZnBr2作為活性物質，構建了中性液流電池體系。采用絡合技術解決了中性條件下鐵的水解問題，利用多孔離子傳導膜替代傳統離子交換膜解決了由于鐵離子污染導致膜內阻升高的問題，提高了中性介質中離子在膜中的傳導性，提高了中性鋅鐵液流電池的性能和穩定性。該電池在40 mA/cm2工作電流密度條件下，能量效率超過86%，連續運行超過100次循環性能無明顯衰減。該體系活性物質濃度可達2 mol/L，其體積能量密度可達56 Wh/L。更重要的是，與其他液流電池體系相比，該體系具有更低的成本[lt;400 元/kW·h]，表現出很好的應用前景。該工作對于新一代液流電池的研究開發，具有重要的指導意義。

TQ050.2

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1003-3467(2017)10-0042-04

2017-07-10

胡景輝(1982-)，男，工程師，從事化工工藝設計工作，電話：0371-68567988-2197。