孙涛1，丁冬林1，袁欣2
(1.中石化南京工程有限公司，江苏 南京211100；2. 江苏苏美达成套设备工程有限公司，江苏 南京210018）
［摘 要］ 甲醇水分离塔再沸器作为1台较为关键的换热器，其运行效果对甲醇水分离塔乃至整个低温甲醇洗系统影响较大。介绍立式热虹吸再沸器的工作原理，结合某工程案例对甲醇水分离塔再沸器的设计要点进行探讨，得出关键参数确定原则如下：再沸器出口的汽化率宜小于20%；换热管长度选用标准管长3 m；入口管路系统压降宜占总压降的20%～30%，出口管路系统压降宜占总压降的10%～20%。在甲醇水分离塔再沸器关键参数原则性确定的前提下，利用计算软件Aspen EDR进行甲醇水分离塔再沸器具体关键参数的模拟计算，结果表明：静压头在2 600 mm以上均能满足再沸器出口汽化率方面的要求，确定正常液位的静压头为3 000 mm；再沸器入口管路系统压降占总压降的19.2%，出口管路系统压降占总压降的14.0%；塔釜处于高、低液位下再沸器的各项工艺指标均能满足要求。本工程案例的分析及计算过程可为其他立式热虹吸再沸器的设计及改造提供一点参考。
［关键词］ 低温甲醇洗；甲醇水分离塔；立式热虹吸再沸器；汽化率；管路系统压降；工程设计
［中图分类号］ TQ028.2+5［文献标志码］ B［文章编号］ 1004-9932（2018）06-0055-03
1 概 述
低温甲醇洗（Rectisol）工艺是由德国的林德公司（Linde）和鲁奇公司（Lurgi）于20世纪50年代共同开发的一种高效气体净化工艺，具有气体净化度高、选择性好、溶剂消耗少、能耗低等显著特点［1］，在煤化工领域应用广泛。低温甲醇洗工艺流程中涉及20余台换热器，而甲醇水分离塔再沸器是其中较为关键的1台换热设备，其运行状况对甲醇水分离塔乃至整个低温甲醇洗系统的影响较大。以下结合某具体工程案例对甲醇水分离塔再沸器的工程设计进行探讨。
2 立式热虹吸再沸器的工作原理
2.1 物料循环
甲醇水分离塔再沸器采用立式热虹吸式。工作中，立式热虹吸再沸器加热介质走壳程；工艺流体走管程，在管内汽化，属自然循环的单元操作，其动力来自再沸器内流体与塔釜液相流体的密度差［2］。如图1所示，液体由塔釜流出并通过入口管线进入再沸器，由于静压头的存在，换热管入口处的压力大于流体的饱和压力，液体须被加热至对应压力下的饱和温度后才能汽化，因此再沸器底部换热管存在显热加热段（B-C部分）；之后，在蒸发加热段（C-D部分）饱和液体部分沸腾蒸发，流体变为气液两相流；最后，气液两相经出口管道返回塔釜，完成物料循环［3］。
2.2 传热与流动特征
立式热虹吸再沸器换热管内的传热与流动状况如图2所示［3］。
（1）液相流：由于液体静压头的作用，本区域的操作压力大于介质的饱和压力，为使液体汽化沸腾，必须将液体加热到对应压力下的饱和温度以上；本区域内传热方式为液相对流传热，传热速率相对较小。
（2）泡状流：液体逐步汽化，气泡在液相内分散流动，传热方式为泡核沸腾传热。
（3）塞状流：气泡量逐渐增大，大量气泡变大聚集形成气体活塞，占据换热管的大部分横截面积；本流型是立式热虹吸再沸器管程内的主导流型，其传热方式为泡核沸腾传热+两相对流传热。
（4）环状流：当气体剪应力足够大时，气体带动液体沿换热管向上运动，此时流体在立式热虹吸再沸器管程内完成了主要的相变和传热过程，气体量的持续增加使流体形成环状流，管芯部分气体的流速比液体的大；本区域内传热方式为两相对流传热。
（5）雾状流：本区域液相呈分散状，以液滴形式存在于气体之中，管壁间的传热主要由气相控制，传热系数大大降低，又因为传热管壁温接近加热介质温度，易造成换热管过热而引起再沸器管板处泄漏及结垢加剧，所以设计再沸器时要避免雾状流的出现。
3 工程设计案例
3.1 工艺条件
某项目甲醇水分离塔塔顶操作压力0.38 MPa（A），塔釜操作压力0.42 MPa（A），塔釜操作温度146 ℃，塔釜液相为H2O 99.98%（摩尔分数，下同）、CH3OH 0.02%。现需设计一立式热虹吸再沸器，热负荷2 000 kW左右，加热介质为低压蒸汽［温度约170 ℃，压力约0.70 MPa（A）］。
3.2 关键参数的确定
更多内容详见《中氮肥》2018年第6期