立式虹吸式再沸器校核及优化设计

杨永青，王霄

（1.中核华纬工程设计研究有限公司，江苏 南京 210019；2.中国化学工程第三建设有限公司，江苏 南京 210012）

热虹吸式再沸器，根据形式，分为立式和卧式。其中，立式虹吸式再沸器操作简单、占地少、投资节约，在化工行业应用非常广泛。

HTRI软件是由美国公司开发的专业热交换器设计校核软件，它采用了先进的换热技术，包含空冷器、节能器、管壳式换热器、夹套管管热器等多个模块。该软件在化工、电力、环保等各行业有着广泛应用。

笔者利用HTRI软件对某装置二甲基乙酰胺（DMAC）精制工艺包中再沸器进行了校核，并对再沸器进行了优化设计。

1 校核及分析

1.1 设计参数

根据工艺包参数，塔釜出料组成为：二甲基乙酰胺 （DMAC），98.71%（质量分数，下同）；乙酸 （HAc），0.75%；二甲基甲 酰 胺 （DMF），0.54%。塔釜要求气相负荷为8.82kg／s，塔釜处操作温度为102℃，操作压力 （A）为7.5kPa。该塔为负压操作。

工艺介质为冷流体，走管程，进口为DN500，出口为DN1000。该换热器材料为S30408，壳程为0.3MPa（G）饱和蒸汽。

工艺包中再沸器形式为BEM，相关参数见表1。

表1 再沸器参数表

1.2 HTRI参数输入

1.2.1 工艺条件

根据再沸器参数在HTRI输入界面输入相关工艺参数，选择校核模式。换热管数根据换热面积计算为1400根。输入主界面及参数见图1。

图1 工艺参数输入主界面

工艺参数输入几点特别说明：

1）一般常压精馏再沸器汽化率不大于30%，真空精馏不大于50%，笔者按25%输入。根据气相负荷计算冷介质流量为35.28kg／s。

2）由于介质较清洁，管程和壳程污垢热阻均取0.0001m2·K／W。

3）冷流体进口压力 （A）按塔釜操作压力输入，即7.5kPa。同时将再沸器参数 （Reboiler Data）页面下进口压力位置 （Inlet Pressure Location）调整为第二项，即位于塔釜位置 （At Column Bottom）。冷介质进口压力亦可按实际再沸器入口压力输入（即塔釜操作压力加液柱静压），只是液柱静压需要预估算。

对于再沸器，需要输入再沸器布置相关参数，包括再沸器进出口管径长度等等。笔者根据设备布置情况输入见图2。

图2 再沸器进出管参数输入界面

1.2.2 物性参数

HTRI物性参数输入有以下几种方法：

1）利用HTRI自带物性数据库直接输入。纯净物、混合器均可。该再沸器用加热饱和蒸汽即用此法直接输入。

2）利用HTRI支持的第三方虚拟物性库。如VMG、PRO／Ⅱ等等。其中，VMG由HTRI安装包自带，使用方便。该再沸器工艺介质物性用此方导入物性参数。

3）利用流程模拟软件物性导入。很多工艺流程都会进行单独物料、能力衡算模拟，部分软件如ASPEN换热器模块部分可以直接导入HTRI，作为换热器详细设计校核用。

4）手动输入。

不管用以上哪种方法进行物性输入，都要保证数据不少于三组，数据要能覆盖本换热器工况的参数范围，以防出现较大计算误差。该再沸器冷流体入口压力根据静压预估，得到压力范围，再进行物性导入。

1.3 运行结果分析

1.3.1 设计余量

根据计算结果，该再沸器设计裕量为121.6%，设计余量较大，有待进一步优化调整。

1.3.2 压降

计算再沸器入口压力 （A）为20.86kPa。进口管、再沸器、出口管压降值见表2。

表2 各段压降

一般出口管压降占比应小于30%，现处于临界值，可以考虑调整再沸器进口或出口管径。

1.3.3 振动

计算结果显示，壳程进口流速较大，易引起振动。由于壳程为蒸汽，流量较大，可考虑增加防冲挡板降低液体对管热管的冲击，减小振动。

1.3.4 流形

关于管内流形，软件计算结果见表3。

表3 管内流形

结果显示，再沸器内未出现膜状沸腾及雾化现象，该再沸器流形正常。

2 优化设计

2.1 优化思路

针对前面分析得出，优化设计主要考虑适当降低换热器换热面积，减小壳径、管长等。在调整相关参数时，避免出现膜状沸腾现象。

笔者通过试算，调整换热器参数见表4。

表4 调整后再沸器参数表

2.2 静压头选取

再沸器设计中静压头很重要，静压头会影响到汽化率。真空精馏再沸器上管板一般高于塔内液面。基于以上再沸器参数，选取不同静压头进行校核，其结果见表5。

由表5看出，随着静压头的增加，汽化率、传热系数、设计余量均逐渐降低。由于静压头是驱动再沸器循环的动力，其与循环量成本比，即静压头越大，循环量越大，亦即汽化率越小。一般工程经验推荐汽化率不低于10%，不大于40%［1］，所以静压头可选择1.25～2m，也可参考该数据进行精馏塔釜液位设计。

2.3 进出口管径选取

以1.75m静压头作为基准，对不同进出口管径进行计算，得出结果见表6。

表6 各静压头计算结果对比表

一般进口压降占比为20%～30%，出口压降占比为10%～20%，不超过35%【2】。再者管径过小，会影响汽化率偏高，根据以上原则，选择进口管径为DN200，出口管径为DN800。经校核，该工况下，汽化率为27.8%，管程流形为节液流和环状流，无振动风险。

3 结论

通过对某装置DMAC精制工艺包中再沸器进行校核分析，发现原工艺包再沸器出口管压降占比较大，设计余量较大。笔者利用HTRI软件对该再沸器进行优化设计，将壳径由1.4m调整为1.2m，换热管长由3m调整为2m。并分析了静压头取值及进出口管径的合理取值。