胡景輝，張芳軍， 李 雨，李進(jìn)通

(惠生工程(中國(guó))有限公司 河南化工設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450018)

?設(shè)計(jì)與計(jì)算?

基于壓力平衡下的立式熱虹吸再沸器安裝高度設(shè)計(jì)

胡景輝，張芳軍， 李 雨，李進(jìn)通

(惠生工程(中國(guó))有限公司 河南化工設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450018)

根據(jù)熱虹吸再沸器的自循環(huán)原理，介紹了基于壓力平衡下的立式熱虹吸再沸器安裝高度的計(jì)算方法與步驟。利用HTRI軟件，以乙二醇裝置乙二醇塔再沸器為例，對(duì)基于壓力平衡下影響熱虹吸再沸器安裝高度的靜壓頭、再沸器進(jìn)出口管徑等進(jìn)行優(yōu)化，并討論了操作工況下塔釜液位波動(dòng)對(duì)再沸器穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

熱虹吸 ; 再沸器 ; 安裝高度

立式熱虹吸式再沸器是化工分離單元操作中常見的沸騰傳熱設(shè)備，由再沸器和精餾塔通過管線構(gòu)成閉路循環(huán)系統(tǒng)。主要作用是通過對(duì)塔底物流加熱使一部分物料汽化返回塔內(nèi)，以提供分離過程所需的熱源。

在設(shè)計(jì)再沸器的安裝高度時(shí)，原理是進(jìn)行推動(dòng)力和阻力的壓力平衡計(jì)算。其中，推動(dòng)力為塔釜內(nèi)的液體靜壓頭和再沸器內(nèi)兩相流的密度差，阻力為入口管阻力降、再沸器管程阻力降和出口阻力降等。當(dāng)推動(dòng)力等于阻力時(shí)，再沸器能按設(shè)計(jì)要求正常循環(huán)；若推動(dòng)力小于阻力，則再沸器操作達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，從而影響塔的分離效果。

1 壓力平衡計(jì)算原理

圖1 立式熱虹吸再沸器壓力平衡示意圖

1.1推動(dòng)力

ΔPt=[HCD·ρl-(ρlv) ·Hx+HED·ρlv]/ρl

(1)

ρlv=ρv(1-RL)+ρl·RL

(2)

ρlv=ρv(1-RL)+ρl·RL

(3)

(4)

(5)

RL=1-RV

(6)

其中：ΔPt，循環(huán)推動(dòng)力，液柱，m；HED，入塔口與上管板的高度差，m；ρlv，蒸發(fā)段氣液混合物的平均密度，kg/m3；RL，蒸發(fā)段平均液相體積分率，采用1/3y計(jì)算；RL，出口處平均液相體積分率，可采用出口氣化率y計(jì)算；φ，兩相流壓力降因子。

1.2阻力

1.2.1再沸器入口管線的摩擦損失

(7)

(8)

當(dāng)Re1≤1 000時(shí)，f1=67.63Re-0.987 3

(9)

當(dāng)1 000lt;Re1lt;4 000時(shí)，f1=0.496Re-0.265 3

(10)

當(dāng)Re1≥4 000時(shí)，f1=0.344Re-0.225 8

(11)

1.2.2再沸器出口至塔入口管線的摩擦損失

立式熱虹吸式再沸器：

(12)

其中：Δp2，再沸器出口管線壓力降，液柱，m；L2，從再沸器出口到入塔處的管線當(dāng)量長(zhǎng)度，包括出口管線直管長(zhǎng)度、液體出再沸器收縮、入塔的膨脹以及閥門、彎頭和管嘴等管件的當(dāng)量長(zhǎng)度，m；d2，出口管內(nèi)徑，m；f2，出口管線摩擦系數(shù)，按式(9)～(11)計(jì)算，其中Re按式(8)計(jì)算。

1.2.3再沸器殼程沸騰區(qū)的阻力降

(13)

令y=2/3·y

(14)

當(dāng)Rei≤1 000時(shí)，fi=67.63Rei-0.987 3

(15)

當(dāng)1 000lt;Reilt;4 000時(shí)，fi=0.451 3Rei-0.265 3

(16)

當(dāng)Rei≥4 000時(shí)，fi=0.286 4Rei-0.225 8

(17)

其中：Δp3，再沸器殼程沸騰區(qū)內(nèi)流體靜壓頭，液柱，m；φ，兩相流壓力降因子，按式(5)計(jì)算，Xtt計(jì)算取y；HCD，蒸發(fā)段管長(zhǎng)，m；HBC，顯熱段管長(zhǎng)，m；fi，管內(nèi)摩擦系數(shù)。

1.2.4再沸器出口管線動(dòng)能損失

(18)

(19)

其中：Δp4，出口管線流體靜壓頭，液柱，m；ψ，校正因子。

1.3再沸器安裝高度得綜合判定

再沸器循環(huán)總阻力降：

Δp∑=Δp1+Δp2+Δp3+Δp4

(20)

若計(jì)算的再沸器循環(huán)推動(dòng)力Δp略大于總壓降Δp∑，則該換熱器能正常循環(huán)；否則，需要通過調(diào)整安裝高度或換熱器尺寸實(shí)現(xiàn)。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化案例

結(jié)合年產(chǎn)3萬t乙二醇裝置精餾工段乙二醇塔再沸器，利用HTRI軟件，基于壓力平衡下，對(duì)熱虹吸再沸器安裝高度的影響因素如靜壓頭、再沸器進(jìn)出口管徑等的選取進(jìn)行優(yōu)化，以獲得再沸器的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

乙二醇塔再沸器的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 乙二醇塔再沸器結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1安裝高度的選取

合適的再沸器安裝高度對(duì)塔的正常操作尤為重要。安裝高度過低，塔釜和再沸器的自循環(huán)無法建立，再沸器相當(dāng)于一塊理論板，氣液分離空間僅為過熱蒸汽；安裝高度過高，塔釜和再沸器的循環(huán)量過大，液面因超過再沸器出口而極不穩(wěn)定，汽化率降低；同時(shí)，汽液分離空間減少，易引起大量的汽液夾帶，導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。

再沸器的安裝高度由靜壓頭表征，靜壓頭是塔釜正常液位至再沸器下管板的垂直距離。在HTRI中，可通過“再沸器”中“需要的液體”的不同設(shè)定值，考察安裝高度對(duì)再沸器氣化率、循環(huán)量、設(shè)計(jì)余量等的影響，模擬結(jié)果見表2。

從表2可以看出，在換熱器熱負(fù)荷一定的情況下，隨靜壓頭的提高，液體循環(huán)量迅速增加，汽化率和設(shè)計(jì)余量因管側(cè)傳熱系數(shù)的減小而降低。一般情況下，對(duì)于加壓或常壓精餾系統(tǒng)，靜壓頭大于等于換熱管長(zhǎng)度；對(duì)于真空精餾系統(tǒng)，靜壓頭小于換熱管長(zhǎng)度；對(duì)于高真空精餾系統(tǒng)，靜壓頭宜小于2/3換熱管長(zhǎng)度；綜合各方面因素，靜壓頭按2 m考慮。

表2 靜壓頭對(duì)各參數(shù)的影響

2.2進(jìn)出口管線尺寸優(yōu)化

再沸器進(jìn)、出口管線的摩擦阻力降由管線尺寸決定。因此，進(jìn)出口管線的尺寸將影響熱虹吸系統(tǒng)的壓力平衡。

選取靜壓頭為2 m，在HTRI中，在“Piping”界面的“Piping Data”中可通過設(shè)定不同的進(jìn)出口管徑值，按“壓力降分布”法考察不同的進(jìn)、出口管徑對(duì)再沸器汽化率、設(shè)計(jì)余量等的影響，以獲取最佳的進(jìn)、出口管線尺寸。模擬結(jié)果如表3所示。

注：總壓力降為進(jìn)、出口管線壓力降和再沸器管程壓力降之和。

從表3可以看出，當(dāng)固定再沸器進(jìn)口管尺寸時(shí)，隨出口管徑的增加，液體循環(huán)量增加，管側(cè)傳熱系數(shù)降低，進(jìn)而引起汽化率的下降。另外，增加再沸器入口管線的阻力降，可提高顯熱段傳熱系數(shù)，增加再沸器富余量，有利于運(yùn)行穩(wěn)定性。

通常情況下，一般入口管線壓力降Δp1控制在總壓力降Δp的20%～30%；出口管為兩相流，宜為環(huán)狀流，出口管壓力降Δp2宜控制在總壓力降Δp的10%～20%。綜上所述，選取再沸器進(jìn)、出口管徑分別為DN150和DN600。

2.3液位波動(dòng)分析

在操作過程中，塔釜液位存在一定的波動(dòng)范圍，進(jìn)而會(huì)影響靜壓頭和汽化率。為保證塔的分離效果，需要對(duì)塔釜液位波動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)的分析核算。選取靜壓頭為2 m，再沸器進(jìn)口管徑DN150，出口管徑DN600，考察操作工況下，塔釜液位分別為最低液位、正常液位、最高液位下，靜壓頭、汽化率、設(shè)計(jì)余量等的變化趨勢(shì)，模擬計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 塔釜液位波動(dòng)對(duì)各參數(shù)的影響

從表4可知，在再沸器安裝高度一定的情況下，隨塔釜液位的升高，液體循環(huán)量增加，進(jìn)而引起再沸器管程，以及進(jìn)、出口管線壓降的增加；另一方面，塔釜液位的升高，使再沸器出口汽化率因液體循環(huán)量增加而降低，導(dǎo)致出口管線壓降占比下降。

同時(shí)，模擬計(jì)算結(jié)果顯示，再沸器出口管為環(huán)狀流，熱虹吸不穩(wěn)定計(jì)算也顯示該自循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，該再沸器可滿足各種工況下汽化率、設(shè)計(jì)余量、再沸器各部分壓力降分布等工藝指標(biāo)要求。

3 結(jié)論

通過對(duì)立式熱虹吸式再沸器壓力平衡計(jì)算分析，為滿足再沸器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的要求，在安裝高度的設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)注意：①再沸器的正常運(yùn)行是保證整個(gè)裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵，可采用壓力平衡法確定熱虹吸再沸器安裝高度，采用“壓力降分配法”確定進(jìn)、出口管線尺寸；②增加再沸器入口管線的阻力降，可提高顯熱段傳熱系數(shù)，增加再沸器富余量，有利于運(yùn)行穩(wěn)定性，一般入口管壓力降Δp1控制在總壓力降Δp的20%～30%；③出口管為兩相流，宜為環(huán)狀流，應(yīng)避免塊狀流或霧狀流，出口管壓力降Δp2宜控制在總壓力降Δp的10%～20%，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，不宜超過35%；④出口管線的阻力降應(yīng)盡可能小，因此配管時(shí)應(yīng)使再沸器出口管線盡量短而直，出口管氣相的ρυ2gt;70 kg/m3；⑤靜壓頭降低，再沸器出口汽化率增加，在調(diào)整靜壓頭時(shí)，汽化率不應(yīng)高于50%；⑥再沸器設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，以滿足不同操作液位下的壓力平衡要求。

[1] 吳德榮.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)(第4版)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:639-645.

[2] 王松漢.石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)(第3卷)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:686-701.

[3] 錢頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002,57:102.

[4] 劉 健.立式熱虹吸再沸器HTRI優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)計(jì),2008,18(2):34.

大連化物所高能量密度低成本液流電池新體系研究獲進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究部研究員張華民、李先鋒領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，在液流電池新體系方面取得進(jìn)展，開發(fā)出新一代高能量密度低成本中性液流鋅鐵液流電池體系，研究成果在線發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。

大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)可再生能源普及應(yīng)用的關(guān)鍵核心技術(shù)，液流電池由于具有安全性高、儲(chǔ)能規(guī)模大、效率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。全釩液流電池是目前發(fā)展最為成熟的液流電池技術(shù)之一，現(xiàn)處于產(chǎn)業(yè)化示范階段。但該電池仍存在能量密度較低，成本較高的問題。為此，研究團(tuán)隊(duì)選擇成本較低的FeCl2和ZnBr2作為活性物質(zhì)，構(gòu)建了中性液流電池體系。采用絡(luò)合技術(shù)解決了中性條件下鐵的水解問題，利用多孔離子傳導(dǎo)膜替代傳統(tǒng)離子交換膜解決了由于鐵離子污染導(dǎo)致膜內(nèi)阻升高的問題，提高了中性介質(zhì)中離子在膜中的傳導(dǎo)性，提高了中性鋅鐵液流電池的性能和穩(wěn)定性。該電池在40 mA/cm2工作電流密度條件下，能量效率超過86%，連續(xù)運(yùn)行超過100次循環(huán)性能無明顯衰減。該體系活性物質(zhì)濃度可達(dá)2 mol/L，其體積能量密度可達(dá)56 Wh/L。更重要的是，與其他液流電池體系相比，該體系具有更低的成本[lt;400 元/kW·h]，表現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。該工作對(duì)于新一代液流電池的研究開發(fā)，具有重要的指導(dǎo)意義。

TQ050.2

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1003-3467(2017)10-0042-04

2017-07-10

胡景輝(1982-)，男，工程師，從事化工工藝設(shè)計(jì)工作，電話：0371-68567988-2197。