化工釜式再沸器

1、 再沸器再沸器是蒸餾塔底或側(cè)線的熱交換器，用來汽化一部分液相產(chǎn)物返回塔內(nèi)作氣相回流，使塔內(nèi)汽液兩相間的接觸傳質(zhì)得以進(jìn)行，同時提供蒸餾過程所需的熱量，又稱重沸器。設(shè)計再沸器時，必須同蒸餾塔的操作特點和結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。圖 1 再沸器型式工業(yè)中應(yīng)用的再沸器多為管殼式換熱器，主要有釜式、虹吸式（立式和臥式）、強(qiáng)制循環(huán)式和內(nèi)置式等型式，見圖 1。1. 各種型式再沸器介紹1.1. 釜式再沸器由一個擴(kuò)大部分的殼體和一個可抽出的管束組成，管束末端有溢流堰以保證管束能有效的浸沒在沸騰液體中，故循環(huán)在管束與其周圍液體之間進(jìn)行，溢流堰外側(cè)空間作為出料液體的緩沖區(qū)，殼側(cè)擴(kuò)大部分空間作為汽液分離空間。釜式再沸器的氣化率可

2、達(dá)到80以上，相當(dāng)于一塊理論塔板的作用。其優(yōu)點是維修和清洗方便，傳熱面積大，氣化率高，操作彈性大，可在真空下操作。但其傳熱系數(shù)小，殼體容積大，物料停留時間長易結(jié)垢，占地面積大，金屬耗量大，投資較高。1.2. 熱虹吸式再沸器熱虹吸式再沸器為有組織的自然循環(huán)式，精餾塔底的液體進(jìn)入再沸器被加熱而部分汽化，形成的汽液混合物密度顯著減小，并一起進(jìn)入精餾塔內(nèi)，在塔內(nèi)進(jìn)行汽液分離，利用兩側(cè)的密度差使塔底液體不斷被虹吸入再沸器。虹吸式再沸器分為兩類：立式和臥式，通常管內(nèi)蒸發(fā)采用立式，且為單管程；殼程蒸發(fā)采用臥式，可以為多管程。煉油工業(yè)約95使用臥式熱虹吸，而化工行業(yè)約95使用立式熱虹吸，石油化工行業(yè)介于期間，

3、其原因與裝置規(guī)模及介質(zhì)的結(jié)垢性有關(guān)，也與使用習(xí)慣有關(guān)。1.2.1. 臥式虹吸再沸器殼體可采用J、H、X型結(jié)構(gòu)。按照工藝過程臥式虹吸再沸器又可分為一次通過式和循環(huán)式，一次通過式是指塔底出產(chǎn)品，進(jìn)再沸器的物料由最下一層塔板抽出其組成與塔底產(chǎn)品不同；循環(huán)式是指塔底產(chǎn)品和再沸器進(jìn)料同時抽出其組成相同。一次通過式和循環(huán)式也可由泵強(qiáng)制輸送。流程見圖 2。圖 2 臥式熱虹吸再沸器流程臥式虹吸式再沸器的氣化率不應(yīng)過大，對于烴類設(shè)計的氣化率一般小于30，對于水溶液一般不超過20，氣化量較大時需采用循環(huán)式（個人見過的ABB公司用于丙烯塔底的臥式虹吸再沸器，循環(huán)式流程，殼程采用X結(jié)構(gòu)4進(jìn)4出，氣化率可達(dá)到50，且實

4、際運行過程沒有問題）。臥式虹吸再沸器的分餾效果小于一塊理論塔板，且由于出口管線較長阻力降較大，不適用于低壓和真空操作工況。1.2.2. 立式虹吸再沸器圖 3 立式熱虹吸再沸器流程立式虹吸再沸器一般采用固定管板、單管程、管內(nèi)汽化，出口管與塔體連接，減小了阻力，適用于低壓和真空操作。其分餾效果低于一塊理論塔板，氣化率一般按1015考慮。按工藝過程可分為一次通過式和循環(huán)式，為了使操作穩(wěn)定常在塔底部加一塊隔板，流程圖見圖 3。1.3. 強(qiáng)制循環(huán)式再沸器 強(qiáng)制循環(huán)式再沸器依靠泵的外加機(jī)械能維持強(qiáng)制循環(huán)，因而循環(huán)速度便于控制和調(diào)節(jié)，物料停留時間短，適用于粘稠物料、有少量固體的懸浮液和熱敏性物料，也分為立式

5、和臥式兩種，其傳熱和壓降均可按強(qiáng)制對流進(jìn)行。1.4. 內(nèi)置式再沸器將管束直接置于塔內(nèi)，不需要殼體和工藝配管，結(jié)構(gòu)簡單，投資小，易清洗，但塔內(nèi)容積有限，傳熱面積小，液體循環(huán)差，不適于粘稠液體，設(shè)計計算原則與釜式再沸器相同。1.5. 選擇再沸器應(yīng)考慮的因素選擇蒸餾塔再沸器時，在滿足工藝要求的前提下優(yōu)先選用立式熱虹吸再沸器，因為它具有一系列突出的優(yōu)點和良好性能，但下面情況不能選用立式虹吸再沸器。1.5.1. 再沸器中靜壓波動較大的場合當(dāng)蒸餾塔在較低液位排除塔釜液、間歇排除塔釜業(yè)、對塔釜液面不作嚴(yán)格控制時會產(chǎn)生壓力波動，應(yīng)采用釜式再沸器。1.5.2. 高真空操作或結(jié)垢嚴(yán)重時1.5.3. 氣化率低于5不

6、會產(chǎn)生熱虹吸，氣化率大于40時應(yīng)采用釜式1.5.4. 塔的安裝高度受限或沒有足夠空間安裝立式虹吸再沸器2. 再沸器設(shè)計考慮的因素2.1. 結(jié)垢因素一般根據(jù)工程經(jīng)驗選擇污垢熱阻值，由于沸騰傳熱系數(shù)一般較高，所以指定的污垢熱阻通常在總傳熱系數(shù)中占相當(dāng)大的比例，應(yīng)通過設(shè)備形式的選擇和操作條件的調(diào)整，做到盡可能降低污垢熱阻的影響。2.1.1. 影響污垢生成的因素污垢的生成與流體流動速度、溫度、汽化熱有關(guān)，或三者兼而有之。含沉淀物或重殘渣等介質(zhì)，污垢的生成與速度關(guān)系密切，因此提高流速來減少結(jié)垢是首要問題。這種工況下應(yīng)首選立式虹吸式再沸器，也可選擇臥式強(qiáng)制循環(huán)再沸器，不能使用釜式再沸器。與流體溫度有關(guān)的結(jié)

7、垢一般是通過某種化學(xué)反應(yīng)形成的，當(dāng)管子溫度超過反應(yīng)溫度時結(jié)垢速度會迅速增加。由于釜式重沸器可以在較低的有效溫差下操作，是比較合適的選擇。汽化敏感的結(jié)垢常發(fā)生在重組分隨汽化的發(fā)生從液體中析出的時候，在釜式或液體循環(huán)速率較低的臥式虹吸再沸器中易發(fā)生，此時選立式虹吸再沸器合適。2.1.2. 氣化率對結(jié)垢的影響在較低的氣化率下各種結(jié)垢都有減小的傾向，對容易結(jié)垢的介質(zhì)其氣化率以不超過20為宜。2.1.3. 流動分布的影響殼程不良的流動分布將導(dǎo)致結(jié)垢的加快，例如管心距太小、旁路面積較大、折流板切口太大或切口方位錯誤等都可能造成不良的流動分布。任何引起局部高氣化率、高壁溫或低流速的殼程幾何形狀都將引起嚴(yán)重的

8、結(jié)垢。管子壁溫高也會促進(jìn)另一側(cè)介質(zhì)結(jié)垢加快。2.1.4. 盡量采用符合實際的污垢系數(shù)不推薦為了保險而采用過高的污垢系數(shù)，過大的污垢系數(shù)將使換熱面積過大造成浪費，并使得新設(shè)備開車時所需的比正常操作要小很多，再沸器操作性能變差。若污垢熱阻選擇過大，會使實際運行條件和設(shè)計條件相差懸殊，開工時若根據(jù)設(shè)計條件去分析實際運行情況就沒有意義了。2.2. 有效溫差再沸器設(shè)計時都要考慮一定的污垢熱阻，新設(shè)備開工時需要將、介質(zhì)的膜傳熱系數(shù)降低到設(shè)計水平以下來補(bǔ)償暫時不存在的污垢熱阻。2.2.1. 開工時對操作的考慮再沸器開工時需要的遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于達(dá)到規(guī)定的污垢熱阻時的，若開工時對新設(shè)備提供滿足設(shè)計的就可能使再沸器處于膜

9、狀沸騰，所以開工時要使盡可能小，然后逐漸增加達(dá)到設(shè)計能力，防止不必要的模式沸騰。對再沸器熱源的控制是降低開工時的有效方法。若采用蒸汽加熱，可在蒸汽進(jìn)口管線上設(shè)置閥門進(jìn)行節(jié)流，通過降低蒸汽的壓力和飽和溫度來降低，但設(shè)備有很大潛力時，可以使用冷凝液淹沒法。對于用無相變流體加熱的情況可以設(shè)置旁路，開工時用旁路減小熱流體流量從而降低熱流出口溫度，用此方法來調(diào)節(jié)。2.2.2. 在很低的下操作由于工藝的限制，再沸器有時需要在很低的（小于4）下操作，此時泡核沸騰傳熱系數(shù)受表面粗糙度的影響很大，變得很不穩(wěn)定。此工況下，為增強(qiáng)泡核沸騰效果，對于不易結(jié)垢的流體可使用多孔表面管或T型管改變表面，使操作變得穩(wěn)定。2.

10、2.3. 在較高的下操作再沸器在較高的下操作會產(chǎn)生三種不同的極限狀態(tài)，即膜狀沸騰、霧狀流和不穩(wěn)定沸騰，超過臨界最大熱通量會發(fā)生上述三種狀態(tài)之一。有些工況需要使用高溫加熱介質(zhì)，此時的比泡核沸騰所需要的要高出很多，這種情況下可以將再沸器設(shè)計成處于膜狀沸騰狀態(tài)，但由于操作難以控制所以除非必要一般不推薦?？傊俜衅鞯脑O(shè)計要盡量處于完全泡核沸騰狀態(tài)或處于完全膜狀沸騰狀態(tài)，由于泡核沸騰傳熱系數(shù)高得多且壁溫較低，總是優(yōu)先考慮泡核沸騰狀態(tài)。2.3. 操作壓力的考慮2.3.1. 接近臨界壓力的操作接近臨界壓力時蒸汽密度接近液體密度，降低了循環(huán)的推動力，此時汽液分離能力較差，會使泡核沸騰的最大熱通量降低。這種工

11、況下釜式再沸器有較好的操作性能，內(nèi)置式的再沸器效果會更好，若采用立式熱虹吸再沸器需要采用大直徑和較短的管子、2.3.2. 高真空下操作由于真空條件下易產(chǎn)生較大的過冷區(qū)，會使沸騰傳熱效率下降。采用立式虹吸再沸器時過冷區(qū)長度小于等于管子長度的1/4為宜，另外真空下泡核沸騰需要更大的空穴，最好采用多孔表面管或T型管來提高傳熱效率。大部分真空操作帶來的問題屬于流體動力學(xué)的問題，選擇對流體動力學(xué)最不敏感的釜式再沸器是最適宜的，其次為立式虹吸再沸器但需要保證足夠的循環(huán)推動力。3. 釜式再沸器釜式再沸器的管束沉浸于封頭液體中，液體在管束間受熱沸騰，汽液化合物向上運動，而液體則自管束兩邊底部進(jìn)入，形成空間上不

12、均勻的循環(huán)運動，每根管的熱流密度和給熱系數(shù)也是不均勻的，見圖 4。上部管排的傳熱面積會被下部管排產(chǎn)生的蒸汽覆蓋，特別是在管間距較小時，導(dǎo)致給熱系數(shù)減??；實際上液體的循環(huán)流動與上升氣泡引起的擾動又可以促進(jìn)傳熱，對于這兩種矛盾因素的影響還沒有一致的結(jié)論。3.1. 沸騰傳熱簡介按沸騰液體所處空間與流動條件的不同沸騰分為池內(nèi)沸騰和流動沸騰。圖 4 釜式再沸器斷面池內(nèi)沸騰：亦稱大容積沸騰，加熱面沉浸于液體中，生成的氣泡脫離加熱面后自由浮生，液體的運動是由氣泡擾動和自然對流引起的，不存在液體的平均宏觀流動。流動沸騰：液體以一定的宏觀流速受迫掠過加熱壁面的沸騰。立式虹吸再沸器屬于流動沸騰過程，釜式、內(nèi)置式、

13、臥式虹吸再沸器屬于池內(nèi)沸騰過程，臥式虹吸再沸器的殼程側(cè)有一定的宏觀流速，它的沸騰過程二者都有，目前設(shè)計時還是多按照池式沸騰處理。3.2. 池內(nèi)沸騰機(jī)理及沸騰曲線池內(nèi)沸騰過程中，傳熱強(qiáng)度隨著傳熱溫差變化，以沸騰傳熱強(qiáng)度作為傳熱溫差的函數(shù)，將沸騰過程熱強(qiáng)度的變化匯成曲線，見圖 5。自然對流區(qū)：在區(qū)，管子表面處的液體沒有過熱到足以產(chǎn)生泡核，因此沒有氣泡產(chǎn)生，此時熱量靠自然對流傳遞。初始沸騰區(qū)：在區(qū)，隨著傳熱溫差的升高開始有氣泡產(chǎn)生，脫離表面后在液體中自由浮生。在點附近氣泡在上升的過程中逐漸消失，此時的熱量傳遞是自然對流和泡核沸騰的結(jié)合。圖 5 池內(nèi)沸騰曲線泡核沸騰區(qū)：在區(qū)，隨著傳熱溫差的繼續(xù)升高，近

14、壁面的液體達(dá)到過熱并開始汽化，在壁面的凹坑或劃痕處形成氣泡，氣泡帶走了相變時的汽化潛熱，同時擾動了受熱面附近的液體，因而也增加了對流傳熱。在這個區(qū)域內(nèi)，氣泡連續(xù)不斷的在加熱表面產(chǎn)生，設(shè)計蒸發(fā)器時要求置于泡核沸騰區(qū)內(nèi)操作。點是產(chǎn)生泡核沸騰的最大熱通量點，從受熱面上逸出的氣泡數(shù)目太多可能阻礙液體的補(bǔ)充，這樣蒸汽在受熱面上形成亦稱隔絕層，使受熱面溫度升高產(chǎn)生燒毀現(xiàn)象（亦稱沸騰危機(jī)）。通常把此點的溫差稱為臨界溫差，熱通量稱為臨界最大熱通量。過渡沸騰區(qū)：在區(qū)，隨著傳熱溫差的增大，汽層和液層交替覆蓋受熱面，致使表面溫度波動，傳熱效率下降，操作變得不穩(wěn)定，開始向膜狀沸騰過渡。膜狀沸騰區(qū)：在區(qū)，管壁受熱面不再

15、存在液體，管子被一層穩(wěn)定的蒸汽膜包圍，隨著傳熱溫差的進(jìn)一步升高，熱通量也會繼續(xù)提高，這是有輻射傳熱造成的，溫度過高會使壁面損害，沒有特殊要求一般不將蒸發(fā)器設(shè)計在膜狀沸騰狀態(tài)。3.3. 臨界最大熱通量及其影響因素3.3.1. 臨界最大熱通量設(shè)計釜式再沸器時其熱通量的上限值不應(yīng)超過，而下限值不應(yīng)低于初期沸騰區(qū)域。臨界最大熱通量的計算方法很多，可以采用圖表法、單管修正系數(shù)法、經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式法等，下面介紹一下單管修正系數(shù)法，HTRI軟件中采用此方法。 式 1式中為單管的最大熱通量，計算方法如下： 式 2式中：0.7為推薦的安全系數(shù) 為操作壓力（絕壓） 為臨界壓力（絕壓） 為管束校正系數(shù)，其取值很復(fù)雜，在此

16、不多說了3.3.2. 的影響因素影響的因素有流體性質(zhì)、壓力和設(shè)備幾何形狀等，介紹一下主要影響因素：3.3.2.1. 壓力影響根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，當(dāng)對比壓力（操作壓力比臨界壓力）等于0.3左右時，最大熱通量通過一個峰值，對比壓力大于0.3后熱通量隨對比壓力的增加而下降，只有當(dāng)對比壓力小于0.3時，最大熱通量隨臨界溫差的增加而增加。壓力越大，臨界溫差越小到達(dá)臨界熱通量越快。3.3.2.2. 管束幾何形狀的影響管束的幾何尺寸中對影響主要的是管子數(shù)和管間距，與管間距成正比、與管子數(shù)的平方根成反比。當(dāng)確定了換熱管直徑和管間距后，增加管子數(shù)（即加大直徑）會使臨界熱通量和臨界溫差降低。3.3.2.3. 表面粗糙度

17、的影響表面狀況對泡核沸騰傳熱系數(shù)有很大影響，見表面加工出大量固定的汽化核心可以保持長期穩(wěn)定的高效沸騰傳熱，目前工業(yè)上多使用多孔表面和T型管。3.4. 設(shè)計步驟a、 獲取有關(guān)物料的物性數(shù)據(jù)和所需要的參數(shù)；b、 根據(jù)蒸發(fā)量求取再沸器的熱負(fù)荷；c、 選定加熱介質(zhì)或根據(jù)給定的加熱介質(zhì)計算總的傳熱溫差（熱流體和冷流體的溫差）；d、 根據(jù)經(jīng)驗假設(shè)總傳熱系數(shù)值，由已知的熱負(fù)荷、總溫差計算所需傳熱面積，選擇標(biāo)準(zhǔn)再沸器管束尺寸或自行設(shè)計管束尺寸；e、 按所選換熱器的幾何參數(shù)計算出管內(nèi)流體的給熱系數(shù)，并折算為以外表面積為基準(zhǔn)的給熱系數(shù)，將壁厚熱阻、污垢熱阻也按外表面積折算為和，計算； 均為按外部面積折算后的值f、

18、 計算，然后計算與臨界沸騰溫度相比確定沸騰狀態(tài)；為選定設(shè)備的實際換熱面積表示熱流體至管外污垢表面的溫差，表示管外污垢表面與沸騰側(cè)的溫差若沸騰狀態(tài)為膜狀沸騰一般要重新計算，最好保持在泡核沸騰狀態(tài)g、 計算沸騰側(cè)給熱系數(shù)，進(jìn)一步計算總傳熱系數(shù)，比較和初始假設(shè)的，若相等或略大說明所選設(shè)備合適，若相差較大應(yīng)重新選擇設(shè)備重復(fù)上述計算直到滿意為止；h、 校核熱流強(qiáng)度，若超過熱流強(qiáng)度需要重新核算；計算過程中的熱流強(qiáng)度是考慮了污垢熱阻的，新設(shè)備剛開工時是清潔表面熱流強(qiáng)度可能要大很多，因此要同時校核清潔表面條件下的熱流強(qiáng)度并在設(shè)計中予以說明。i、 確定殼體直徑及局部尺寸；3.5. 釜式蒸發(fā)器的有關(guān)結(jié)構(gòu)與尺寸3.5.1. 形狀圖 6 釜式再沸器簡圖釜的形狀可以為圓筒形，但大多采用如圖 6的形式，這種形式蒸汽流向合理，管束較低有效蒸發(fā)空間大。通常其大端直徑與小端直徑之比為1.52.0，連接錐角多為30°。3.5.2. 管間距當(dāng)蒸汽負(fù)荷較大或直徑較大時，管間距可增加至（1.52.0），必要時可適