第二部分塔模块-10再沸器型式、选用基本原则.pdf

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3、 reserved.http:/ 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第卷 第期石油化工设备备设计计算重 沸器设计的几个问题天津市化工设计院高级工程师湛卢炳摘要扼要介绍了重沸器的结构类型及其选用,探讨了其设 计方法和问题通过罐式重沸器的设 计,说明了其设计步骤以及所用设计方法 的可行 性。关键词再沸器结构类型设计计 算石油化工蒸馏塔底的再沸器又叫重沸器,其作用是使塔底一部分物料汽化后返回塔内,以给蒸馏提供所需的能量热源。重沸器虽然主要仍采用管壳式换热器的结构

4、形式内置式除外,但其设计有它自身的一些特点,笔者根据工作实践体会,谈谈重沸器设计中值得注意的几个问题。结构类型及选用分类按循环可分为自然循环热虹吸和强制循环两种。前者又称为温差循环,是由重沸器入口管和出口曹中物料重度差产生的静压差来达到循环的。后者则是泵强制输送所致按物料可分为管内和管外蒸发两种按结构可分为立式、卧式、罐式釜式及内置式四种,按蒸发汽化程度可分为部分循环型和全部供给蒸发一次通过型两种按与塔的连接形式又有图所示的种。其中图为 罐式图、分别为卧式热虹吸中的循环型和一次通过型,图、分别为立式热虹吸中的 循环型、一次通过型和挡板型图、和分别为泵强制循环式中的立式循环、卧式循环及一次通过型

5、图、分别为 内置式中的形管型和盘管型。选用立式热虹吸式重沸器具有传热系数大,投资及运转费用较低,加热段滞 留时间九,结构紧凑和配管简易的特点,但壳程清扫难,故不宜用 于粘性、带固粒及较脏的物料,卧式热虹吸式重沸器的传热系数为中等,加热段滞留时间短,不易结垢,便于调节,维护清洗方便,但存在占地面积和 配管占空间均大的缺点,泵强制循环式的特点是,适用于粘性液体及悬浮液,对结垢和循环速度均可通过强制循环进行控制。缺点是泵的能耗大,且密封处易漏,罐式重沸器维护清洗方便,适用于较脏或有污染的加热介质。罐或釜相当于一块理论板并有蒸气分离室。但 传热系数低,山地大,加热段滞留时间长且易结垢。由于壳体容积大,

6、故设备费用高内置式重沸器无需壳体和管路,适用 于无污垢或低垢及需传热面积较小低热负荷的场合。缺点是,清洗时塔 内必须停车排净,循环差,传热不太好。币口门白护,卜喇叼曰白自 尸,阅,气门口叨八卜门日门卜户卜月旧民叨“护,“吮内八口巨峨目目门两司,日奥西波娃传热学实验研究。高等教育出版社,茹卡乌斯卡斯换热器内的对流传热科学出版社,川永生陈听宽不同工艺生产的翅片管接触热阻及传热特性的研究动力机械 与工程热物理论文集,西安交通大学出版社,田永生陈听宽翅片管接触热阻 及单管传热性熊对比的试验研究酉安交通大学 研究很告,陈听宽田永生李法海蔡国材扩面管传热特性的研究。中国机械工程学会工业炉学会第三次专业学术

7、会议论文集,卓宁等扩展表面对流受热面 试验研究及其在锅炉中的应用中国机械工程学会动力工程学会第五届年会论文,叶编么右油化工设备年犷犷犷、鹭题愚题题替子子子口口口口月月月周周周夏夏履履履履州州图重沸器与塔的连接形式热介质产品选用时 首先应看是否能满足物料特性及工艺的要求。如对粘度高或易分解结垢的塔底介质,以选用泵强制循环式为好,对加热介质较脏,清扫困难或管壳间温差超过固定管板换热器允许范围的场合,立式热虹吸重沸器不宜选用,当塔底产品用作下一步工序物料且需稳定流率的场合,罐式重沸器不宜选用对热虹吸式重沸器,因其汽化率一般只有,故对汽化率要求大的不能采用一次通过型,而必须采用循环式对低污垢介质,若选

8、用内置式重沸器,则以首选形管型为宜对无污垢介质,同时还需要传热面积较大时,可选用盘管型双层盘管。此外,可考虑采用夫套结构以增加传热面积等。设计方法及步骤以罐式厄沸器为例,已的设计应已估 工艺计算、结构设计、压力降计算以及安装尺寸的确定等内容。工 艺计算重沸器进料和加热介质的有关数据,如进料的沸点、汽化潜热、临界压力、液相及气相的重度和粘度、加热介质对应操作压力下的操作温度等,可根据进料的名称及组成、操作压力和热负荷、加热介质名称、操作压力以及塔底产品的产量及其组成等基础资料,在物性数据手册中查得重沸器尺寸的初步估定。首先确定重沸器的传热温差,从经验数据中初估重沸器的总传热系数,并初步算出传热面

9、积来,选定管子规格、管长和根数,确定管子的排列形式和管间距确定管束直径或垂直中心管排数和重沸器壳体的直径。对立式热虹吸式 重沸器,还需计算显热段长度和传热系数,显热段占的长度比例以及 蒸发段长度复核传热面积验证前面用经验总传热系数的可靠性。首先应计算加热介质的传热系数、重沸器的汽化量、蒸汽覆盖校正系数、对比压力和临界压力的函数值、沸腾传热计算参 变量值、重沸器的热强度。再计算重沸器实际需要的传热面积,要求其与前述经验估算面积接近并有一定安全裕量。计算临界最大热强度,当其大于重沸器的热强度时则该设计是可行的。结构设计罐式釜式重沸器其结构和断面 图见图。此乃浮动管板结构,但也有用形管束结构的。工程

10、上所用的传热管大多为中、小及小几种光管,但也有用低翅片管的。当管子为三角形布置图时,管束 直径、可用一卜式进行近似 计算了兀式中尸为管心距,其与管径之比应为一,否则管子上产生的蒸汽会在上管之间截留而使传热系数和汽化率大大下降。为避免蒸汽把管束的内层管盖住,当传热面积一定时,用 细长管束比粗短管束优越。为防止沸腾液被蒸汽夹带,其壳体直径比管束直径大得多,一般要求管束最上面的传热管到壳体顶部的距离必须大于壳体内 径。的,见图。罐式重沸器壳体尺寸也可用下式计算“班气雨厄又而不舀于万第卷 第期石油化土设备、一】石哥刁刁以习卜五二乌乌卜兰母粗口吕吕二吮月限,曰曰图图图图图图图图图曰曰曰曰曰曰区 口口丽翩

11、翩一了了照照照照照,所需的高度差塔与重佛器之间的标 高 差二,可通过推动力与压力降相等的条件求得见图,即万万万万万万万阵阵二二二二卜卜一一一一图重沸器压力平衡示意图十。二艺图罐式釜式重沸器的结构及断面图壳盖液面计接管堰板浮头盖浮头管板壳体接管壳体管子管箱壳侧法兰固定管板立管箱接管管 箱”吊耳“管箱盖板分程隔板仪表接口支蜜折流板拉杆及定距管气液分离室 断面积液面管束式中犷为气液分离室容积,“,附为蒸发量,玩、分别为沸腾液与沸 腾 蒸 气的密度,“为沸腾液的表面张力,。在图中,为气液分离室的扇形面积,。“厂,其中 为管束长度,。扇形断面积的大小若能决定,则壳体内径。也可以求得。卧式热虹吸式重沸腾其

12、结构与一般卧式管壳式换热器相同,与釜式重沸器的区别在于雾沫夹带的去除是在蒸馏塔内进行的,且因壳内无除沫空间,故其直径亦比釜式的小。立式热虹吸式重沸器其结构与立式管壳式换热器基本相同,传热管一般采用光管,但当管内侧界膜传热系数小于管外侧较多时也往往有用内翅片管的。压力降计算及安装尺寸的确定为决定塔与重沸器之间的标高差和各部位的安装尺寸,以确保重沸器操作时的正常循环,故需进行压力平衡计算。为此,应根据经验选出适宜的重沸器入口和出口管径,同时对塔和重沸器作初步的平面和立面布置,以沾计各部分管线的长度。在给定循环量下式中,中的二为重沸器入口管摩擦损失二为重沸器出口管摩擦损失为重沸器内流体的静压头二为重

13、沸器出口管线内流体的静压头为重沸器壳程压力降为塔 内最低液位高度,一般取叭为重沸器入塔处与塔内最低液位之间的标高差。压力平衡对重沸器的正常操作很重要,设计时应有足够的安全系数,可按二的倍考虑。自然循环重沸器容许的压力降约为,这一压力降值必须靠 塔底以下静压头提供。为了使重沸器有高的循环率而又便于控制,应当尽量减少管路中的压力降,这就要求对管道的材料、直径、布置走向、弯头闸门以及其它管件作精心的选择和设计。设计中的几个问皿管束沸腾侧的传热系数我们知道,重沸器的总传热系数,与沸腾侧或加热侧传热系数两者中较小的值接近。对加热侧传热系数,可按有相变或无相变的有关公式进行计算,而沸腾侧传热系数,如釜式重

14、沸器或内置式重沸器,佛腾侧处于管束间,当传热管壁表面温度可用加热介质温度代替与沸腾液之间的温差设计温差大于时一般有机液的设计温差范围为一,因为泡核佛腾传热系数较大,故可忽略 自然对流传热系数。也就是说,沸腾侧传热系数可用泡核沸腾传热系数来代替。大量研究结果表明,管束上部的传热管表面,会被下部传热管产生的燕汽覆盖,故管束的泡核沸腾传热系数比单一管时为低。一般把 这种现象叫做“蒸汽覆盖”。工程上为计算管末彻伙沸叙石油化土设备年腾传热系数,往往是在求出单一管泡核沸腾传热系数后乘以“蒸汽覆盖”校正系数中,用以修正 下部加热管产生的蒸汽对沸腾传热的影响。此外,当进入重沸器的液体由不同沸点的液体组成时,则

15、重沸器中蒸发蒸汽的组成与重沸器流出液组分不同,因此进入重沸器的流出液温度与其蒸发蒸汽温 度不同。当该温差较大时,还需要乘以沸腾传热校正系数甲。一般甲一“一,对单组 分 或 窄馏分,其甲,对宽馏分,印可由上式算出。因此,管束沸腾侧传热系数。印冲。式中,。为单一管泡核沸腾传热系数。垂直管内侧膜传热系数立式热虹吸式重沸器的沸腾液在管内,传热管由两段,即显热段和蒸发段组成,见图。该重沸器的下段由于受到液往的静压力而处于未汽化状态,即 仅为液体。可是,随着泡核沸腾的出现并逐步 向上部移动,蒸汽率汽化率也逐步增大,因此管内的流动状态发生了 以下变化气泡状流、块状流环状璐,喷雾流。当处于喷雾流时,其传热系数

16、显著降低,设计时应把加热介质与管 内液体之间的温差控制在适当范围内,以使其不产生喷 雾流。管 内传热,由于显热段是对流传热,而蒸发段由于循环速度很高,对流传热的影响必须考虑。传热管的显热段和蒸发段由于其流动状态不 同,故其传热系数也必须分段计算。显热加热段瓦瓦瓦瓦瓦瓦瓦核而丽又雨板磷睡二 下三而丽疏再黄 可、侧侧鬓群置笼允寿台台里里月多多多二二月月月喷劣流犷图垂直管内两相流动的流型重沸器的加热介质水蒸汽或其它蒸汽冷凝液热水,热油,专利传热介质,如道生液,液态金属或熔盐,烟道气。最常用 的是水蒸汽冷凝液,它的优 点是即使蒸发表面两侧温差极小,传热也较经济由于冷凝时放出大量潜热,故给定热负荷所需水

17、蒸汽的质量流速比其它加热介质小传热系数很大,需要的传热面积少。强制循环重沸器用泵的选择该泵的设计选裂很重要,首先应能满足系统压力降的要求,同时还要求有较大的净正吸入压头,以避免泵的汽蚀损坏。泵的压头过大,会使系统预定的运行参数运行点发生变化,压头不够,则要求的流速又达不到,进而使污垢沉积增加,传热受影响。设计实例试设计苯分馏塔的釜式重沸器。基础数据进料为甲苯,热负荷“压力绝,加热介质为绝的饱和水燕汽,塔底产量即重沸器产品见图为。从物料数据查得操作条件下甲苯的沸点为饱和水蒸汽的温度为,甲苯在沸点下的汽化潜热为水蒸 汽的冷凝热 为五,甲苯的临界压力下甲苯液相和汽相的重度分别为和,粘度分别为一“和一

18、设备尺寸的初估重沸器传热温差一,按经验取总传热系数“。“,则所需的传热面 积对“,取。选用管子为小,长,则管子根数兀欠“。,取根。管子排列为三角形,管心距尸。,则管束直 径二二“。见图一般大于,取二,则二、,即。“。,取壳径。复核传热面积管 内蒸汽 冷 凝传热膜系数的计算水蒸汽 冷凝量研甲二。水蒸 汽之,“,卜二一“。当量液体重量流率牙平不。管程数为,单管程数为,则当量雷诺数“附俘。沁欠。叹,再查文献可得八。蒸汽覆盖校正系数中甲苯汽化量研又二,砰艺。“。根据该值衣一可灵加热将可力文献查得币。重沸器的热强度对比压 力二。了,由义献查得二 二,取蒸浴第卷 第期右油化工设备肪加热侧结垢热阻,沸腾侧。

19、,小管热阻。二。,代入各数后可求得。下一二万一一一一下二一。一不一。一、产”“产“,。二。式中为沸腾传热计算的参 变量,的物理意义是,除了管外沸腾传热膜系数以外的所有热阻之和。冲二二二,冲二二。,查 图 即可求得。实际所需传热面积。百二,可见设计的传热面积还有的安全裕量。再由临界压力。,和查图间得临界最大热强度二二,这说明该设计是可行的。安装尺寸二取重沸器入口管直径二。,出口管直径。入口管压 力降由物料平衡得重沸器进料量为。“遵,入口管线长度为十二,另有出塔收 缩,两个弯头及入重沸器的膨胀。其当量长度由文献查表可分别求得为、和,则总当 量长 度为二一卜火“液相粘度为二一。查 图表得到当量管长的

20、压力 降为。“液柱,故二十二液柱出口管压力降出口管气相流量为,出口管线长度为二,另有出重沸器收缩,入 塔膨 胀和一个弯头,由图表查得当量管长压力 降为八,所以二以二二液柱重沸器内流体的静压头。液柱,考虑。,则有二,艺夕二万二一二,因此得二。安 全 裕量按二倍考虑,则得二二。结语重沸器设计的方法,根据其结构的不同一股可分为三种。除了本文介绍的罐式包括内置式重沸器的设计方法外,还有立式及卧式热 虹吸式重沸器的设计方法。后者又可分为两类,其一是工艺流体走管程,叫管侧蒸发重沸器,其设计可参照立式热虹吸式重沸器进行其二是工 艺流体走壳程,称为壳侧蒸汽重沸器。由于气液两相流动与管内流动不同,压力降计算较为

21、复杂,迄今仍无可靠的设计方法。本文以罐式重沸器为实例,详细分析了共设计应包括的内容、方法和步骤。立式热虹吸式与罐式重沸器的设计方法大致相同,只是个别步骤稍有区别,可详见文献,。目前工程上一般还是采用试算的方法居多,但随着计算机的应用,我们相信定会使重沸器的设计向更精确更省时的方向发展。参考文献石油部规划院。冷换设备工艺计算。石油工业出版社,尾花英朗日。热交换器设计手册石油工业出版社,化学工程手册编委会传热设备及工业炉第篇,化学工业出版社,工。熊编、,、尹、”、尹一、,、,、尹、户、尹、沪、砂“、尹、护、,、,、尹、,、犷、,、,、,阳、护、产、户、尹、尹户、,、换 热器管子 试 诵用的塞子对此

22、问题,日石工程株根岸事务所开发了一种据日刊配管技术介绍,石化装置中的换热器,每一二年内就要停工拆开进行检查,即检查管子的腐蚀情况以及是否有裂纹而产生的泄漏。检查时需将管子的任一端塞紧,然后给管子施 加以外压,另一端用肥皂水涂上,有无鼓泡就知道泄漏情况了过去用来堵塞管子的橡胶塞都是单个使用帅,因此塞进、取出和收集都颇费劳力和时 间。针带状连接的塞子,仍用纯插入容易,不易脱落,富鸭制炸,有弹售,价但内有空洞。格便宜。对三角形、四方形排列的管子都适用。它的最大优点就是把操作时间大大缩短了。以恨管子的换热器为例,过去 上塞需要了分钟,现在只要分钟,节约时间分钟,而且减轻丁劳动强度。塞子的大小可根据管径不同制作,有尺寸图一巾乱熊摘详夕