甲醇水分離塔再沸器的工程設計

孫 濤，丁冬林，袁 欣

（1.中石化南京工程有限公司，江蘇南京 211100；2.江蘇蘇美達成套設備工程有限公司，江蘇南京 210018）

1 概 述

低溫甲醇洗 （Rectisol）工藝是由德國的林德公司 （Linde）和魯奇公司 （Lurgi）于20世紀50年代共同開發的一種高效氣體凈化工藝，具有氣體凈化度高、選擇性好、溶劑消耗少、能耗低等顯著特點［1］，在煤化工領域應用廣泛。低溫甲醇洗工藝流程中涉及20余臺換熱器，而甲醇水分離塔再沸器是其中較為關鍵的1臺換熱設備，其運行狀況對甲醇水分離塔乃至整個低溫甲醇洗系統的影響較大。以下結合某具體工程案例對甲醇水分離塔再沸器的工程設計進行探討。

2 立式熱虹吸再沸器的工作原理

2.1 物料循環

甲醇水分離塔再沸器采用立式熱虹吸式。工作中，立式熱虹吸再沸器加熱介質走殼程；工藝流體走管程，在管內汽化，屬自然循環的單元操作，其動力來自再沸器內流體與塔釜液相流體的密度差［2］。如圖1所示，液體由塔釜流出并通過入口管線進入再沸器，由于靜壓頭的存在，換熱管入口處的壓力大于流體的飽和壓力，液體須被加熱至對應壓力下的飽和溫度后才能汽化，因此再沸器底部換熱管存在顯熱加熱段 （B-C部分）；之后，在蒸發加熱段 （C-D部分）飽和液體部分沸騰蒸發，流體變為氣液兩相流；最后，氣液兩相經出口管道返回塔釜，完成物料循環［3］。

圖1 立式熱虹吸再沸器工作原理示意圖

2.2 傳熱與流動特征

立式熱虹吸再沸器換熱管內的傳熱與流動狀況如圖 2所示［3］。

圖2 立式熱虹吸再沸器換熱管內兩相流流型

（1）液相流：由于液體靜壓頭的作用，本區域的操作壓力大于介質的飽和壓力，為使液體汽化沸騰，必須將液體加熱到對應壓力下的飽和溫度以上；本區域內傳熱方式為液相對流傳熱，傳熱速率相對較小。

（2）泡狀流：液體逐步汽化，氣泡在液相內分散流動，傳熱方式為泡核沸騰傳熱。

（3）塞狀流：氣泡量逐漸增大，大量氣泡變大聚集形成氣體活塞，占據換熱管的大部分橫截面積；本流型是立式熱虹吸再沸器管程內的主導流型，其傳熱方式為泡核沸騰傳熱+兩相對流傳熱。

（4）環狀流：當氣體剪應力足夠大時，氣體帶動液體沿換熱管向上運動，此時流體在立式熱虹吸再沸器管程內完成了主要的相變和傳熱過程，氣體量的持續增加使流體形成環狀流，管芯部分氣體的流速比液體的大；本區域內傳熱方式為兩相對流傳熱。

（5）霧狀流：本區域液相呈分散狀，以液滴形式存在于氣體之中，管壁間的傳熱主要由氣相控制，傳熱系數大大降低，又因為傳熱管壁溫接近加熱介質溫度，易造成換熱管過熱而引起再沸器管板處泄漏及結垢加劇，所以設計再沸器時要避免霧狀流的出現。

3 工程設計案例

3.1 工藝條件

某項目甲醇水分離塔塔頂操作壓力0.38 MPa（A），塔釜操作壓力0.42MPa（A），塔釜操作溫度146℃，塔釜液相為H2O99.98% （摩爾分數，下同）、CH3OH0.02%?，F需設計一立式熱虹吸再沸器，熱負荷2000kW左右，加熱介質為低壓蒸汽 ［溫度約170℃，壓力約0.70 MPa（A）］。

3.2 關鍵參數的確定

3.2.1 汽化率

汽化率是熱虹吸再沸器設計過程中一個非常重要的參數。在工藝介質給定的情況下，汽化率是熱負荷、靜壓頭和再沸器結構尺寸的函數。靜壓頭也即塔釜正常液位至再沸器下管板的垂直距離，是影響再沸塔汽化率的關鍵。常壓和加壓系統內，汽化率通常在5%～25%，其出口在較低的蒸氣質量分率下，各種結垢均有減小的傾向；對于容易結垢的介質，其蒸氣質量分率不宜超過20%。含沉淀物或重殘渣等的介質，其結垢傾向與流體速率關系密切，提高介質流速以減少結垢是首要考慮的問題［2］。

對于甲醇水分離塔，由于多采用碳鋼材質，運行過程中塔釜會出現鐵銹剝落物，加之上游系統來的羰基化合物等雜質也會進入甲醇水分離塔塔釜，據設計經驗，考慮結垢因素，立式熱虹吸再沸器的汽化率宜小于20%。

3.2.2 換熱管規格

立式熱虹吸再沸器換熱管管長通常在3.0～3.7m，管子越長，循環推動力越大，塔的標高也會相應增加［2］?？紤]到3m為標準管長度，因此本再沸器選用的換熱管管長定為3m，并按熱虹吸再沸器的通常做法，換熱管管徑 （外徑）定為25mm、壁厚2mm，管間距32mm。

3.2.3 管路系統壓降

通常情況下，增大再沸器入口管線壓降有利于提高再沸器運行的整體穩定性，同時可減少再沸器下部的過冷段和顯熱段。因此，入口管路系統壓降占總壓降的20%～30%為宜，出口管路系統壓降占總壓降的10%～20%為宜 （最大不超過 35%）［2］。

3.3 計算結果與討論

3.3.1 再沸器安裝高度的確定

如3.2.1所述，靜壓頭是影響再沸器汽化率的關鍵，在再沸器結構尺寸和進出口管線尺寸已經確定的前提下，利用換熱器計算軟件Aspen EDR模擬計算不同靜壓頭下立式熱虹吸再沸器出口的汽化率以及再沸器運行的穩定性，結果見表1?？梢钥闯?，靜壓頭在2600mm以上均能滿足本立式熱虹吸再沸器出口汽化率不超過20%的要求，同時靜壓頭在2600mm以上時本立式熱虹吸再沸器能穩定運行。故對于本案例而言，正常液位的靜壓頭定為3000mm，從而確定了再沸器的安裝高度。

表1 靜壓頭與再沸器汽化率的對應關系

3.3.2 循環回路壓降分析

據3.2.3提及的設計原則，本立式熱虹吸再沸器入口管線管徑定為DN100、出口管線管徑為DN300，當靜壓頭為3000mm時，本再沸器循環回路各部分壓降計算結果為：入口管線壓降4.900kPa、再沸器壓降17.068kPa、出口管線壓降 3.560kPa，分別占總壓降的 19.2%、66.8%、14.0%?？梢?，立式熱虹吸再沸器的入口管路系統壓降占總壓降的19.2%，與建議的入口管路系統壓降占總壓降的比例 （20% ～30%）相差不大；出口管路系統壓降占總壓降的14.0%，與建議的出口管路系統壓降占總壓降的比例 （10%～20%）相符。綜上，本立式熱虹吸再沸器的進、出口管路系統設計合理。

3.3.3 不同液位下再沸器性能的校核

考慮到甲醇水分離塔的實際操作情況，分別計算了塔釜處于高液位、正常液位、低液位時本立式熱虹吸再沸器的性能，結果見表2?？梢钥闯?，不同液位下本再沸器的汽化率、入口ρν2、出口介質流型等工藝指標均可滿足要求，同時，計算報告信息欄中顯示本再沸器運行穩定。

表2 不同液位下再沸器性能的校核

3.3.4 再沸器總體結構參數

經上述計算與分析，本立式熱虹吸再沸器的安裝高度、換熱管管長、再沸器的進出口管路系統壓降等關鍵參數均已確定，由AspenEDR軟件計算獲得換熱器的主要設備參數，見表3。

表3 立式熱虹吸再沸器的主要設備參數

4 結 語

（1）靜壓頭是影響再沸器汽化率的關鍵，對于甲醇水分離塔立式熱虹吸再沸器而言，考慮其工藝特點，需控制再沸器出口汽化率不超過20%。據計算結果，本案例中甲醇水分離塔在正常液位、高液位、低液位時，再沸器出口汽化率分別為15.1%、12.8%、19.0%。

（2）立式熱虹吸再沸器進出口管路系統的壓降對再沸器的汽化率、運行穩定性等有重要影響，進出口管路系統壓降所占總壓降的比例需加以控制，否則會造成熱虹吸再沸器運行不穩定。據計算結果，本案例中甲醇水分離塔再沸器入口管線管徑為100mm，出口管線管徑為300mm。

（3）考慮到實際操作情況，校核了甲醇水分離塔塔釜處于高液位、正常液位、低液位時本立式熱虹吸再沸器的性能，計算結果顯示再沸器的各項工藝指標均能滿足要求。

（4）工程設計計算時，需密切關注立式熱虹吸再沸器的運行信息，以確保再沸器的穩定運行，否則需調整相關參數。