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    再生塔热虹吸再沸器优化选型.pdf

    • 资源ID:20036       资源大小:206.38KB        全文页数:3页
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    再生塔热虹吸再沸器优化选型.pdf

    2014,243 李晓东等再生塔热虹吸再沸器优化选型 再生塔热虹吸再沸器优化选型 李晓东 神华宁夏煤业集团有限责任公司煤制油项目指挥部银川75041 1 张信航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司 兰州730050 摘要 分析工艺流体在再沸器换热管内物理变化过程,结合工程实例,对立式热虹吸再沸器的工艺参数 和结构参数进行优化设计。 关键词 热虹吸再沸器汽化率安装高度 蒸发器或再沸器可以分成内置式、釜式、卧 式热虹吸式、立式热虹吸式、强制循环式等。卧 式热虹吸再沸器属于壳侧沸腾,为获得均匀的流 体分布,通常使用多个接管,这样易造成管道系 统复杂,增加设备价格,但换热率高,易维修和 清洗,可控性好,不易结垢;立式热虹吸再沸器 属于管侧沸腾,设备被直接安装在塔旁,由于管 线系统简单,故设备造价低,换热率大,不易结 垢,占地面积小,可用于真空和低压系统。为获 得良好循环,可能需要比较高的塔裙座高度。管 长通常受塔裙座高度、传热面积的限制,维修和 清洗困难,不能用于有过流量和突然脉动可能的 系统,当沸点有较高提升时会降低蒸汽发生率。 选择再沸器的型式时,首先应满足工艺要求。 本文讨论用于再生塔的立式热虹吸再沸器,利用 热介质在壳侧提供热量将管侧工艺流体加热沸腾, 作为自然循环的单元操作,动力来自与之相连的 再生塔塔釜液位产生的静压头和管内流体的密度 差。在工程设计时,要优化设计再沸器的进出口 管径、换热管长度、汽化率等,选择合适的安装 高度以满足操作要求。 1 工艺流体在换热管内的状态变化 立式热虹吸再沸器和卧式热虹吸及罐式再沸 器不同。立式热虹吸再沸器的下段,由于受到液 柱的静压力,处于未汽化状态,称为显热段,显 热段属于对流传热,因此应和蒸发段分开考虑。 因此,先了解工艺流体在换热管内加热沸腾过程 的详细物理变化,将有助于热虹吸换热器的优化 设计。 可以将换热管内工艺物流分为6部分①最 下部是单相对流显热段,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。显热段的长度取决于管壁两侧总的温 差、流体的液相传热系数、再沸器进口管的压降 等;②当流体经换热管向上流动,压力逐渐降低, 在换热管壁上液体开始形成气泡,此段称为过冷 沸腾段,由于气泡的作用,该段流体的膜传热系 数迅速增加;③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 内变大聚集形成气体活塞;④随着气体体积的增 加,气体活塞聚集在一起形成一串的气核。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,形成环状流,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;⑥环状流上部有一段区域为雾状流,在再沸 器设计中一定要注意这一相变过程,雾状流区域 液相成分散状,以液滴形式存在于气体之间,管 壁间传热主要由气体控制,造成总传热系数降低, 因此,设计再沸器时要避免雾状流的出现。具 体状态变化见图1。 2换热器工艺参数的优化设计 2.1汽化率选择 热虹吸再沸器的汽化率是再沸器设计过程中 一个非常重要的参数,汽化率的大小直接影响再 }李晓东工程师。1998年毕业于抚顺石油学院机械系化工设备与机械专业。主要从事煤化工工程管理工作。联系电话0951 6965776,Email/ixiaodongsnct1.c0m。 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2014,243 图1流体在换热管中的变化过程 沸器列管内侧传热系数,进而影响再沸器的传热 面积;同时,汽化率还明显影响再沸器的安装高 度。在出口汽化量要求固定以及再沸器换热面积 固定的情况下,静压头、管内传热系数、校正温 度和面积裕量随汽化率不同的变化见表1。 表1 各参数和汽化率变化表 由表1数据可知,再沸器列管内传热系数值随 出口汽化率的降低而提高,即再沸器传热面积将 减少,设计富裕度将提高,有利于设计。但汽化 率不可能无限降低,存在一个极值,因为出口汽 化率调低后,列管内液相量增加,两相流混合密 度也增加,为保证热虹吸所需的推动力,静压头 也要随之增加。换言之,再生塔液釜液面就要提 高。但液釜液面高度是有限的,首先不能高过再 沸器出口管,否则液体将经出口管逆流进入再沸 器;其次,提高液釜液面高度也会增加再生塔的 投资费用;最后为了提高再沸器列管内侧传热系 数而下调出口汽化率,再沸器进口管径将采用较 大的管径,也不利于节约投资。根据工程经验, 出口汽化率一般不低于10%、不高于30%;本次 设计中,综合考虑到装置框架高度、再沸器和再 生塔连接的相对位置及进出口管径大小,选择出 口汽化率为16.9%。 2.2加热介质的选择 一般有机液体的温差选用范围为2050C。 当壳侧为有相变的加热介质如饱和蒸汽,或者利 用显热加热的具有较宽沸程的混合物时如导热油, 宜采用错流。这样可以提高校正温差,还可以增 加工艺流体在换热器内的核沸腾。 3换热器结构参数的优化设计 立式热虹吸再沸器依靠塔釜内的液体静压头 和再沸器内两相流的密度差产生推动力形成热虹 吸式的运动,因此塔釜内的液面一般和再沸器的 上管板在同一高度。如果塔内液位过低,换热管 有很大部分没有利用;如果塔内液位过高,则换 热管过热段过长,温度过高,而蒸发沸腾段过短, 蒸发量仍然较小,并且过高的管内温度,会导致 平均校正温差变小,从而使换热面积裕量变小, 达不到工艺要求的汽化率。因此,换热器结构设 计一般使管内的状态处于泡核沸腾和环流状态。 GB 151对换热器结构尺寸做了明确规定。换 热管越小越紧凑,越便宜,但管径小会增加压降。 对于气液两相流的介质,一般选用较大的管道。 再沸器换热管一般选择 25的管子。横缺型折流 板可防止壳程流体平行管束流动,减少壳程底部 液体沉积;单弓型折流板相比较双弓型折流板压 降较大,但是传热效果较好;折流板间距小,也 能提高传热效果,但压降会变大,泄漏量会增加。 最小的折流板间距为壳程直径的20%,不应小于 50ram,最好的板间距应该为壳程的30%一60%。 综合考虑热负荷、换热器安装高度等选择再沸器 的结构,见表2。 表2再沸器结构参数 下转第33页 郑志伟等 空冷器的设备及管道布置 33 并遵循防火规范的相关要求外,最主要的是保证 空冷器的人口处的空气温度不高于环境温度。热 风循环是影响空冷器空气人口温度的主要因素, 在布置空冷器时应尽量避免热风循环。 2空冷器的管道布置主要应考虑工艺管道 的布置及其附属公用工程管道和构架平台的设计。 两相流管道的布置是空冷器管道设计的核心和难 点,应根据工艺包商及工艺专业的技术要求来进 行设计,在合理规划管道的前提下确定构架平台 高度,便于操作和检修。 3管嘴附加位移是空冷器进出13管道应力 分析非常重要的边界条件,而固定点的选取是计 算管嘴附加位移的关键。本文详细介绍的固定点的 选取原则,为应力计算提供较为准确的边界条件, 使应力计算结果更接近实际。 参考文献 1李诚.浅谈空气冷却器在化工领域中的应用[J].化工 设备与管道,2002,5392223. 2刘卫坤.煤制合成气气液两相流管道布置探讨[J].化工 设计通讯,2006,3234243. 3樊玉光,赵志杰,季宇明.加氢装置空冷器管束变形分析 及防止[J].石油化工设备,2000,2964749. 4章湘武,姚志东.空冷器技术问答[M].中国石化出版 社。20076883. 收稿日期2014一O124 ※※※※※米※※※※※※※※※米※※※※米※※※.※※※※※米※※※.※※※米※※※米※※※.※※ 上接第24页 换热管结构参数选择后,需分析再沸器进出 口管径对进口管压力降、管程压力降和出口管压 力降三部分的影响。通常情况下,尽量增加人口 管的阻力降,这样有助于提高再沸器运行的稳定 性,同时还可减少再沸器下部的过冷段显热段, 入口管压力降占总压力降的20%一30%为宜,还 要注意在调整出口管直径时出口管气相Bv 不能小 于lOOkg/ms 。表3为固定塔釜内的液面和再沸器 的上管板在同一高度时,进出口管径对压降以及 汽化率等的影响。 表3进出口管径对压降和汽化率影响 根据结构参数,确定再沸器的上管板与塔釜 液面在同一高度,即静压头为3m;换热器进口管 径为300mm,出口管径为400mm,校核汽化率为 16.9%,满足工艺要求。计算该换热器换热面积为 112.68m ,每平方换热面积的热负荷为58470W/ m ,满足水或者低浓度水溶液再沸器动力式和热 虹吸式最大允许热负荷为90000 w/m 的要求。 4结语 1分析再沸器管程的物理变化过程,要注 意在换热器设计时避免出现雾状流。 2分析再沸器工艺参数和设备参数选择优 化需要注意的事项,以及安装高度选择的方法, 保证再沸器正常运行。 参考文献 1谈 冲.精馏塔釜立式热虹吸再沸器传热设计的优化 [1].化工设计,1999,912829. 收稿日期20131027

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