立式热虹吸再沸器的设计要点

立式热虹吸再沸器的设计要点

立式热虹吸再沸器在石油化工领域应用广泛，是重要的热量交换设备。文章结合其工作原理，针对影响其运行状况的设计要点进行简要的论述，针对设计时经常遇到的问题提供解决办法。希望能够为立式热虹吸再沸器设计的优化提供一些有益的帮助。

标签：立式热虹吸再沸器；设计要点；解决办法

Abstract：Vertical thermosyphon reboiler is widely used in petrochemical industry and is an important heat exchange equipment. In accordance with its working principle，this paper briefly discusses the design essentials that affect its running condition，and provides solutions to the problems often encountered in the design. It is hoped that it can provide some useful help for the optimization of the design of the vertical thermosyphon reboiler.

Keywords：vertical thermosyphon reboiler；design points；solution

在石油化工领域，再沸器是重要的热量交换设备，设置于蒸馏塔底部。其作用是利用加热介质将塔釜工艺介质部分气化，通过循环送回蒸馏塔，为分离过程提供能量。立式热虹吸再沸器是一种常见的再沸器，具有传热系数高，结构紧凑，被加热介质在管内停留时间短，不易结垢，安装方便，占地面积小，设备造价及运行费用较低等显著优势[1]。

立式热虹吸再沸器在设计时，需要考虑结构参数、气化率、进出口管路阻力降，安装高度，管内流型、热通量等因素对再沸器稳定运行的影响。本文将对以上问题进行论述，并对设计时经常会遇到对问题提供解决的办法，以便在再沸器的工程设计中实现合理设计。

1 原理介绍

立式热虹吸再沸器属于自然循环式再沸器。蒸馏塔塔釜介质经过再沸器，部分介质被气化，在再沸器及出口管线中形成两相流，由于塔釜的静液位与两相流存在密度差，形成推动力，使塔釜介质不断被虹吸入再沸器，无需外部提供动力即可完成循环。其示意图如图1所示。

蒸馏塔塔釜介质在进入立式热虹吸再沸器后，由于其物理状态的不同，其换热机理也不相同。随着介质在管内不断上升，管内的介质流型及传热机理分布如图2所示。

液相流（过冷段）：介质进入换热管底部开始换热，由于静压头的存在使介质的操作压力高于其饱和压力，仍然是液相，传热的方式为液体对流传热。

泡状流：随着介质在管内的上升，操作压力接近换热管壁温下所对应的饱和蒸汽压，介质在换热管表面被气化，逐渐产生气泡，传热的方式为泡核沸腾传热。

塞状流：气泡大量产生，聚集成体积更大的气态活塞，液体块与气体块交替上升，传热系数上升，传热方式为饱和核态沸腾和两相对流换热。

环状流：气体量持续增加，气体带动液体沿换热管向上运动，将液体压迫在垂直管壁上形成环状流动，主要的相变过程在这段发生，传热系数达到最大，传热方式为两相对流传热。环状流是立式管中最理想的沸腾状态。

雾状流：气化的量继续增加，液体变成小液体，与气体混合呈雾状，传热方式为气相对流换热，传热系数因为传热方式的改变而显著降低，因此雾状流在再沸器设计时需尽量避免。

2 设计参数的确定

（1）结构参数。在确定立式热虹吸再沸器对换热管管径时，由于塔釜介质在管内沸腾，如果使用小管径的换热管，则会增加再沸器的阻力降，一般使用内径大于25mm的换热管。在确定换热管长时，过长对换热管也会增加再沸器对阻力降，同时会增加介质形成雾状流对可能性，一般管长不宜超过6m[2]。换热管内对流速一般控制在0.5～1.5m/s，要以此原则选择再沸器壳径，壳径比以2～5为宜。结构参数在设计再沸器时需根据计算结果不断调整，直到介质出口状态满足要求。

（2）气化率[3]。立式热虹吸再沸器，一般比较适宜的气化率是5%～35%。在确定气化率时需考虑工艺介质的特性以及管内气液的流动型式。

不同的工艺介质特性要选取不同的气化率，对于纯组分和窄沸腾域介质，侧重考虑热量和动量传递性质，对于宽沸腾域介质，侧重考虑传质的限制作用。同时气液的密度差也是必须考虑的因素。一般水溶液的介质推荐气化率2%～10%，烃类介质的推荐气化率为10%～20%。

管内气液的流动型式对再沸器传热效果及稳定性都有影响。如果气化率较低，管内主要是泡状流，则容易造成运行的不稳定。如果气化率较高，管内已经达到雾状流，则会显著降低换热器的传热效果。在选择气化率时需尽量避免。

（3）进出口管路阻力降。进出口管道的阻力降主要受进出口管道的长度及管径影响。再加进口管路的阻力降有助于提高再沸器整体稳定性，并减少换热管底部显热段的长度，同时有助于提高气化率。但进口管路的阻力降过大，可能会造成塔釜低液位时换热管内出现雾状流。出口管路管径在确定时，过大会造成出口气体流速低，无法实现正常的循环，过小会使阻力降升高。一般应保证出口管路的阻力降小于总循环压降的30%[3]。

（4）安装高度。安装高度是指塔釜液位距再沸器下管板的距离。这个液位

差即为立式热虹吸循环的动力。随着安装高度的不断升高，再沸器的气化率不断降低。因此安装高度过大，容易形成泡状流，安装高度过低，则容易形成雾状流。在确定安装高度时，需同时考虑进出口管路阻力降和气化率，以实现再沸器的热虹吸循环及稳定运行。一般安装高度是在正常液位操作条件下确定的，因此在确定后还需核算低液位和高液位下安装高度是否合适。

（5）管内流型。对于立式热虹吸再沸器，出口管线中最好为环状流，此时再沸器的传热效果及运行稳定性最佳。如果出口管线中为活塞流，会造成出口管线的振动问题，需设置管路支撑。如果出口管线为雾状流，加热介质的热量无法被迅速带走，使换热管局部温度过高，造成再沸器损坏。

（6）热通量。热通量是单位面积的换热能力。如果热通量选择过高，则会出现流量不稳定，液相和气相在换热管中流动失稳而发生脉动。检查热通量对立式热虹吸再沸器尤其重要[4]。建議塔釜介质为烃类时热通量不超过50kW/m2，水溶液体系热通量不超过75kW/m2。

3 问题及解决办法

在立式热虹吸再沸器设计时，以上因素对再沸器的运行效果都有影响，必要时需要调整一项或者几项参数以实现再沸器的平稳运行。表1中列出了出现频率较高的几个问题及解决办法。

4 结束语

立式热虹吸再沸器在设计中需考虑的因素较多，难度较大。本文根据其工作原理，从传热及运行角度，简述了立式热虹吸再沸器在设计时需要注意的设计要点，为再沸器设计人员提供有益的帮助。

参考文献：

[1]吴德荣.化工工艺设计手册（第四版）[M].化学工业出版社，2009.

[2]王宁.立式热虹吸再沸器的核算[J].石化技术，2016（6）：152-153.

[3]王松汉.石油化工设计手册（第三卷）[M].化学工业出版社，2002.

[4]Andrew W. Sloley. Properly Design Thermosyphon Reboiler[J]. CHEMICAL ENGINEERING PROGRESS，MARCH，1997：52-64.