再沸器凝液回收管线的设计计算

朱玉玲

（天津长芦新材料研究院有限公司,天津300350）

冷凝水从再沸器排出，经过疏水阀，排放至冷凝水回收系统。凝液管线被分成了两部分，再沸器至疏水阀的排水管和疏水阀后的排放管。通常，疏水阀安装在再沸器出口的下端，凝液在重力作用下沿管道流动，再沸器至疏水阀的排水管应按照重力流计算。凝液经过疏水阀后，会发生闪蒸，疏水阀后的排放管应按照两相流计算。

工程设计中，设计人员对重力流管道的计算，基本上停留在根据经验假定流速，核算管径和阻力降的阶段，这样容易造成失误，致使疏水阀前管径偏小，凝液在疏水阀前闪蒸，管道充满蒸汽，阻止凝液到达疏水阀，形成汽锁，影响疏水阀正常工作。疏水阀后的排放管道如果按照体积很小的凝液来计算，也会造成管径太小，导致闪蒸蒸汽流速加快，出现水锤现象，降低疏水阀的排量，使再沸器积水，降低传热效果。

1 再沸器凝液回收系统

图1 为典型的再沸器凝液回收系统，蒸汽凝液从再沸器排出后，先经过疏水阀组，排出系统中的凝液和不凝气，然后再排放至凝液总管。疏水阀前后安装压力表，有利于故障排除；疏水阀前后的放空阀、放净阀使用截止阀，且装有90°弯管，出口与地面平行，并与阀门手柄相对，当启动或关闭的时候，操作人员不会被溅落的凝液烫伤；疏水阀组一般不加旁路，加旁路容易造成蒸汽泄露，冲蚀下游管道。

图1 再沸器凝液回收系统

疏水阀是凝液回收系统中非常重要的一部分，既是汽水分界点也是压力分界点。疏水阀的型式有热静力，热动力和机械式，系统中疏水阀的正确选型是很重要的，比如热静力式疏水阀，排放的冷凝水温度低于饱和温度，可以利用水中的部分显热，多用于蒸汽伴热管线，但是容易使前端设备积水，不适用于换热设备；热动力疏水阀间歇排放，漏汽量大，凝结水回收率低，易损坏，寿命短；机械式疏水阀，常用的有浮球型疏水阀和倒吊桶型疏水阀，能够连续排水，还可以排出空气等不凝气，可靠性好，一般是比较好的选择，但价格昂贵一些。

2 再沸器至疏水阀排水管管道计算

根据Hills[1]的研究结果，液体重力流的计算分为两种情况。

一种是管道满液、不存在气体夹带的状态，但是这种情况设备的液位必须足够高，通常做法都是在设备与管线上做液位控制，使得重力流管道一直是满液状态，这种情况可以用单相流流速来确定管道直径，得到的管径是最小的，也是最经济的。

另一种是设备液位不高，出口流体存在气体夹带的情况，再沸器凝液出口就是这种情况，一般再沸器只允许有少量积液存在，或是不允许有积液存在的。只要设备液位低，液体流动就会夹带气体，导致流体静压头降低，摩擦阻力降增加，出口流速降低，入口流速大于出口流速，设备液位升高，直到夹带气体随液体流动全部排空。由于液位的升高，额外的静压头又会使出口流速增加，造成液位下降，新一轮的夹带又开始了。再沸器出口凝液在重力作用下流动，如果管径设计不合理，夹带就会周而复始，造成系统的振荡和不稳定性。

针对上述情况，再沸器至疏水阀的入口管道，我们采用自排空管线设计，避免气体被夹带。Simpson[2]的研究结果表明，当弗劳德数NFr≤0.31时，流体在设备入口管道处不到半满，液体流速足够低，混入的气体与液体逆向流动，返回至上游设备排空，而不会被液体带走。

自排空管线计算依据：

式中，NFr为弗劳德数，是无因次量，U为液体流速m/s，g 为重力加速度m2/s，d 为管道内径m。

Ql为液体体积流量，将公式（3）带入公式（2）得：

将公式（4）带入公式（1）得：

由公式（5）可得到重力流自排空管线尺寸。只有疏水阀入口管径计算合理，气体不会被夹带，再沸器压力和疏水阀内压力相同，凝液不存在闪蒸，系统运行才会稳定可靠。

3 疏水阀后排放管管道计算

一般凝液经过疏水阀阀座会产生5%～15%的闪蒸。疏水阀后下游管道输送的是相同温度和压力下的凝液和蒸汽，那么能否直接用冷凝水来计算管道直径呢？下面我们举例来说明。

再沸器使用蒸汽压力为400kPag,安装浮球疏水阀，凝液在饱和温度下排放，疏水阀后背压为100kPag，400kPag 饱和凝结水的焓值为639.59kJ/kg，背压下饱和凝结水的焓值为493.71kJ/kg，汽化潜热为2204.6 kJ/kg，则闪蒸蒸汽的质量比例为:

(639.59-493.71)/2204.6=6.61%

假设有100kg 饱和冷凝水闪蒸，查得背压条件下饱和水蒸汽的密度为1.1273 kg/m3,饱和冷凝水的密度为941 kg/m3，则汽水两相中蒸汽的体积占比为：

由此可以看出，虽然闪蒸比例很小，但闪蒸蒸汽在管道中的体积占比却很大，属于两相流，不能直接用冷凝水来计算管道直径。

当气液混合物中气相在6%～98%（体积）范围内，应采用两相流的计算方法来进行管道直径的计算[3]。两相流流动状况复杂，目前尚无准确的压力降计算公式，压降也可不作为两相流管道尺寸计算的标准。根据API RP 14E，两相流管径的计算主要依据腐蚀速率Ve 和流型。先根据腐蚀速率，初步计算管径，然后再根据Baker 参数和流型图，判断此管径下两相流的流型是否在合适的区间。

3.1 腐蚀速率的计算

腐蚀速率是两相流中流体的最大速度，管道内流体速度高于腐蚀速率，管道、附件、阀门等就存在被腐蚀的风险，但管道内最小速率也不能低于3m/s。腐蚀速率方程是经验公式，比较保守。通过腐蚀速率可以计算得到两相流的最小管径。

腐蚀速率公式：

c为经验常数，经验常数c的取值：

无固相，碳钢材料，连续介质,122；无固相，碳钢材料，非连续介质,153；无固相，不锈钢材料，连续介质,183-244；无固相，不锈钢材料，非连续介质,305。

管道内流体的混合速率：

式中，Ve为腐蚀速率 m/s，ρm为气液两相的混合密度 kg/m3，ρV，ρL分别为气，液两相的密度 kg/m3，θ 为气体在混合物中所占体积百分数，Vm为流体的混合速率m/s，m为流体的质量流量kg/h。

3.2 两相流流型判别

气液两相流比单相流的情况复杂得多，而且由于重力的作用，水平管道的流动状况和流型与垂直管道不相同。

对于垂直管道，主要分为泡状流、活塞流、段塞流、环状流四种流型，见图2。1)泡状流，气体以汽泡形式分散于向上流动的液体中；2)活塞流，大部分气体形成直径接近于管内径的塞状或弹状气泡，均匀向上运动，液体之间的小气泡呈分散状态；3)段塞流，当气速进一步增大时，塞状气泡变得狭长并产生破裂、碰撞、聚合、扭曲，与液体反复冲击，形成湍动；4）环状流，液体成膜状沿管内壁运动，气体在管道中心夹带液体高速流动。

图2 垂直管道Baker 两相流流型图

对于水平管道，流型较垂直管道要复杂，主要分为泡状流、活塞流、分层流、波状流、段塞流和环状流六种流型，见图3。1）泡状流，气相以气泡的形式散布在连续的液相内，气泡聚集于管道顶部流动；2）活塞流，小气泡结合成大气泡，沿管道顶部流动，管上部液体和气体像活塞一样交替出现；3）分层流，当气液流速较小时，气相在上部液相在下部分层流动，两相间有较光滑的界面；4）波状流，气液分层流动，随气速增大，两相间作用增强，界面呈现波浪形；5）段塞流，当波增长到与管道顶部表面接触，液相连续夹杂着气泡，压力脉动；6）环状流：气体在管道中心夹带液体高速流动，液体成液膜状沿管壁向前流动，这种流型在低气含率时出现。

图3 水平管道Baker 两相流流型图

两相流的流型图是依照Baker 参数，建立的，Baker 参数如下：

式中，Wv，Wl分别为气相，液相质量流量 lb/h，ρl，ρv分别为气相，液相密度 lb/ft3，A为管道横截面 积 ft2,μl为液 相黏度 cP，σl为液相表面 张 力dyne/cm。

从公式（10）、（11）可以看出：Bx只与气液相的质量流量比和物理性质有关，并不随管道直径的改变而改变。By与气相质量流量，管道直径，气液相的性质有关，管道尺寸改变，By就会改变，两相流的流区可能就会改变。

首先由腐蚀速率下管径计算得到Baker 参数Bx，By然后查Baker 流型图对应的流区是否在合适的区间。在工程设计中，一般要求两相流的流型为分散流或环状流，避免活塞流、段塞流以免引起管道和设备严重振动。若计算后为塞状流应在腐蚀速率允许的情况下尽量缩小管径，增大流速，使其形成环状流或分散流。也可以采用增加旁路，增大流量等办法来避免塞状流[4]。

4 计算案例

塔釜沸器使用1150kPa，35000kg/h 蒸汽，安装浮球疏水阀，凝液在饱和温度下排放，疏水阀后背压为460kPa。计算疏水阀前后凝液管线尺寸。

经查得，1150kPa 下饱和凝结水的温度为186℃，密度为 880.28kg/m3，焓值为 790kJ/kg，背压下饱和凝结水的温度为149℃，密度为918.27kg/m3，焓值为 626.4kJ/kg，黏度为0.186cP，表面张力为48.6 dyne/cm。汽化潜热为2117.81 kJ/kg，闪蒸蒸汽的密度2.46kg/m3，焓值为2744.21kJ/kg。

1）疏水阀前排水管尺寸计算：疏水阀前按重力流自排空管线计算，带入公式（5）得：

经圆整，取管径d 为200mm。

2）疏水阀后排放管尺寸计算：

①饱和冷凝水经过疏水阀后闪蒸，闪蒸蒸汽占比为：

闪蒸后气液两相的平均密度：

ρm=2.46 ×96.9% +918.27 ×(1 -96.9% ) =30.86kg·m3。

经圆整，取排放管管径D 为150mm。

③将相应的参数换算为英制，带入公式（10）和（11），得到Bx=14.7，By=23351。查水平管道Baker 流型图，位于环状流。疏水阀后排放管管径合适。

5 结论

疏水阀前后饱和冷凝水回收管线尺寸，不需基于压降进行计算；再沸器至疏水阀前排水管尺寸基于重力流自排空管线进行计算；疏水阀后排放管尺寸基于腐蚀速率和Baker 流型图进行计算；对于经常低于正常负荷运行的再沸器，由于蒸汽压力及负荷降低，造成疏水阀后闪蒸减少，要注意避免段塞流的产生。