热虹吸式再沸器的设计与选用解析

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摘 要：再沸器常用于蒸馏塔底，对塔底流体加热使其部分汽化返回塔内，为蒸馏塔提供上升蒸汽，设计再沸器时，必须与蒸馏塔的使用特点和结构联系起来。在石油化工厂，热虹吸式再沸器应用很广泛，且多采用管壳式。

关键词：再沸器;热虹吸式;设计;选用

1 常见再沸器的种类

1.1 立式热虹吸再沸器

如图所示立式热虹吸再沸器是利用塔底单相釜液与换热器传热管内汽液混合物的密度差形成循环推动力，构成工艺物流在精馏塔底与再沸器间的流动循环。立式及卧式热虹吸再沸器本身没有气、液分离空间和缓冲区，这些均由塔釜提供。工艺物流侧在管程，传热系数高，投资低，为获得好的循环，可能需要比较高的塔裙高度。汽化率为15%-40%。可用于真空和低压系统。

式热虹吸再沸器具有的特点：循环推动力是釜液和换热器传热管气液混合物的密度差;结构紧凑、占地面积小、传热系数高;壳程不能机械清洗，不适宜高粘度、或脏的传热介质;塔釜提供气液分离空间和缓冲区;设备被直接安装在塔旁由于管线系统简单，故设备造价低。

1.2 卧式热虹吸式再沸器

如图所示卧式热虹吸式再沸器加热介质在管内流动，管程可以为单流程也可以为多流程。进料是从塔底下降管引入再沸器，液体在壳程沸腾发生汽化，形成密度较小的汽液混合物，由于进料管和排出管中液体的密度差产生静压差，成为流体自然循环的推动力。

卧式热虹吸式再沸器具有的特点：循环推动力是釜液和换热器传热管气液混合物的密度差;占地面积大，传热系数中等，维护、清理方便;塔釜提供气液分离空间和缓冲区。有较高的循环率，因而有较高的流速和较低的出口干度，从而防止了高沸点组分的积聚和降低了结垢的速率。工艺物流侧在壳程，传热系数中偏高，投资适中，占地面积大，裙座高度低，汽化率为3%-35%。

2 热虹吸式再沸器流动沸腾机理

立式热虹吸式再沸器的受热段可分为五段，分别为：①单相对流显热段，由于静压头的存在，该区域的压力大于流体饱和状态的压力。为使液体气化沸腾，必须将液体加热到对应压力下的饱和温度以上;②过冷沸腾段，当流体经换热管向上流动，压力逐降低，直到接近换热管壁温所对应的饱和蒸气压时，在换热管壁上液体开始形成气泡，气泡不断长大，破裂。尽管没有气体产生，但由于气泡的作用，该段流体的膜传热系数迅速增加;③泡状流和活塞流段，当流体持续加热达到饱和温度时，大量气泡在管壁形成，离开换热管内壁并在流体内变大聚集形成氣体活塞;④搅动流段，随着气体体积的增加，气体活塞聚集在一起形成一连串的气核。但在这个区域气体流速还不足以带动液体向上流动，同时由于气液相间的相互作用，管内液体出现搅动现象;⑤环状流段，当气体的剪切应力足够大时，气体带动液体沿换热管向上运动，此时流体在立式热虹吸再沸器内完成了主要的相变和传热过程。设计再沸器时要避免雾状流的出现。

3.选用注意事项

①结构尺寸：管径：由于管内物料中含有蒸汽和液体，管外径通常为38mm，不应小于25mm。管长：通常采用2.5m，最长为3.5m或4m，很少采用5m;②压力降：总压力降包括从塔底液面起，流体流经再沸器入口管压、换热管压降，气液混合物返回塔底液面上方所克服的阻力。入口管线压力降越小，循环量越大，出口汽化分率越小，不利于稳定操作;出口管线压力降越小，操作性能越稳定;③进出管口大小：一般再沸器出口管截面积不小于管程的总横截面积，液体混合物进口管径为1/2蒸汽出口管;④出口汽化率：有机物通常取15%～40%，大多数操作情况下平均值约为25%～28%。水溶液的气化率可以从5%到25%～30%范围变化;⑤再沸器的安装高度：再沸器最佳设计要能够使液体混合物在到达管子顶部时全部完成单程的气化率，然后气液混合物离开再沸器进入精馏塔底部空间，为了达到这个目的，可调节再沸器的上管板与蒸馏塔塔釜液位持平。有时为了优化循环速率，塔釜液位需要高出管板约25%～30%的再沸器管长;⑥再沸器有效温差：气液混合物的出口温度与壳程热流体的入口温度差不应超过23℃～28℃。温差过高，与流体温度有关的结垢速度迅速增加甚至出现焦化现象，汽液混合物有可能在管子上部转化为传热速率较低的膜状沸腾。

4 结语

综上所述，热虹吸式再沸器可利用自身液柱静压差提供驱动力，不需额外消耗动力，金属耗量低，投资和操作费用相对较低，可控性好，在石油化工企业应用较广泛。再沸器的选用合理与否，直接影响其所服务蒸馏塔的运行稳定，了解热虹吸式再沸器沸腾机理和选型注意事项，有助于合理地设计和选用再沸器，使其稳定地为所服务的

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1、 热虹吸式再沸器原理（知识储备）

以精馏塔的立式热虹吸再沸器为例，如下图1.1：立式热虹吸再沸器原理示意图。加热介质走壳程，工艺流体走管程，在管程内汽化。因换热器管程上部有部分气相且温度较高，再沸器管程内部自下至上形成密度差（底部密度高，顶部密度低）。其动力即来自再沸器内密度差的推动力。

立式热虹吸再沸器循环速率较高，传热系数比较大。但是设计时需要留有较大的面积余量。


图1.1：立式热虹吸再沸器原理示意图

2、 热虹吸式再沸器安装高度能否动态模拟（江湖行同学的提问）

“看你们前几天讨论动态模拟软件的功能，我想请教个问题，就是精馏塔的液位工况有高液位、正常液位和低液位。不同液位对再沸器的影响应该比较大吧。

对于热虹吸再沸器，这就是推动力，动态模拟能模拟出不同影响吗。

再沸器的安装位置其实应该是比较关键的，这里都是热虹吸的，但是大部分都不会去计算，选个封头位置，其实那样气相出口有顶面出来和侧面出来的，所以问下你们动态模拟可以处理这个事情吗？”

3、 问题讨论与思考（江湖行同学的提问）

江湖行同学的问题其实可以一分为二地看待：
第一， 对热虹吸式再沸器，安装高度对换热效果的影响。
第二， 动态模拟软件能否处理安装高度影响。

大多数同学认为，对热虹吸式再沸器，安装高度问题是设计阶段就需要考虑的问题，那么，如何考虑。

江同学分享了下图2.1：典型的热虹吸式再沸器流程示意图。

图中有几个信息是需要我们注意的：精馏塔的塔釜液位通常控制在再沸器管板的顶部（in Column Top of Tube Sheet）；精馏塔塔釜液体停留时间（Liquid Inventory）为5~15分钟；再沸器设计允许在侧面或顶部开管口（Allow Rodding of Tubes in Place）输送气液夹带（Liquid – Vapor Mixture）物料。


图2.1：典型的热虹吸式再沸器流程示意图

也就是说，对热虹吸式再沸器，精馏塔的液位通常以控制在再沸器管板顶部为宜（为什么？）。这是在设计阶段就需要明确的。而不同液位对再沸器的影响，也是设计阶段就需要考虑的。

从定性角度分析，热虹吸再沸器顶部出口是气液两相出去的（因换热时液相相较于气相有更大的传热系数）。当精馏塔塔釜液位过低时，较多列管未浸泡在液相中，导致传热系数降低，再沸器的效果会受到影响。那么，在设计阶段，通常考虑按低限报警液位时，核算再沸器的气液相传热系数，进而核算换热面积的。所以除非塔釜液位低到非常低的程度，否则液位对再沸器的影响应该是可以接受的。

对理想情况，再沸器的液相循环量是固定不变的（国外的设计，再沸器循环管线通常有流量计用于参考）。但当塔釜液位低于低限报警时，因再沸器传热系数变小，热量减少，气相量和底部液相循环量会变少。当循环量不能保证时，就会触发报警，若不能及时恢复，系统会降负荷直至停车。

对问题二，动态模拟软件能否处理安装高度的影响。大家认为动态模拟软件无法处理安装高度影响。因为这本质应该是换热设备内部气液相变化对设备运行影响的问题，属于换热器设备设计范畴。可通过换热器设计专业软件计算得到。当然，也有同学提到用CFD研究，但因气液相不好模拟，可能效果也不佳