兩種再沸器與精餾塔的工藝及管路設計

朱中武，江大波

（中國五環工程有限公司，湖北武漢 430223）

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兩種再沸器與精餾塔的工藝及管路設計

朱中武，江大波

（中國五環工程有限公司，湖北武漢 430223）

摘 要：介紹了再沸器的分類及在化工行業中的應用，闡述了立式熱虹吸式再沸器及強制循環式再沸器的工藝流程、設備布置及管路設計特性。比較了再沸器支撐在精餾塔上和獨立框架上的使用條件及布置要點。重點論述了兩種布置條件下，再沸器管路應力設計所采用的補償方法。

關鍵詞：立式熱虹吸式再沸器；強制循環式再沸器；精餾塔布置；補償

沸騰傳熱設備是化工過程中常用的一種設備，在化工過程中，裝于精餾塔底部用于汽化塔底產物的換熱器通常被稱為再沸器（也稱為重沸器）。主要借助帶有熱量的蒸汽、氣體或液體作為載體來將精餾塔中的塔底產物加熱及汽化。

再沸器在傳熱過程中，蒸發量主要受塔底產物及載熱體的溫度差值限制，在很多情況下，二者差值很小，蒸發量低，傳熱量少，不能達到滿意的傳熱效果。因此，我們需要選擇一種工藝較好的再沸器，在溫差很小的情況下仍然能夠獲得較好的傳熱效果，耗費較少的能源，做到既滿足工藝要求，又方便操作檢修，同時保證管系的無應力或低應力狀態，以確保整個管系和設備的安全穩定運行。

1 再沸器的分類及要求

塔底再沸器的設計有兩個重要組成部分：一是再沸器的工藝設計，二是設備布置及管路設計。這兩部分的設計不僅影響著再沸器的工作效率，并且決定著整個傳熱過程中消耗能量的大小。不同的再沸器有著不同的傳熱原理，因此應根據再沸器的工作原理合理布置再沸器內部結構，并恰當地設計再沸器的管道系統。

再沸器可分為交叉流和軸向流兩種類型。在交叉流類型中，沸騰過程全部發生在殼程，常用的形式有釜式再沸器、內置式再沸器和水平熱虹吸式再沸器。在軸向流類型中，沸騰的再熱蒸汽、氣體或液體順著軸向流動，熱量載體與塔底產物的熱量交換主要在管程進行，最常用的形式為立式熱虹吸式再沸器。當熱虹吸式再沸器的循環量不夠時，則使用泵來增加循環量，這時，稱之為強制循環式再沸器。強制循環式再沸器既可以為立式結構，也可以為水平結構。

在實際工程應用中，要求塔底再沸器不僅能夠性能穩定、制造簡單、操作、檢修方便、使用時間長，而且要求立體占用空間小，平面占用面積少。同時滿足以上條件并不容易，在實際應用中應根據工藝要求及現場狀況選擇一種適合于某工程的再沸器

形式。在目前的化工工程中，最常用的再沸器為立式熱虹吸式再沸器，其性能最穩定，節能效果較好，使用周期長，操作、維修費用較低，綜合效率較高。

2 再沸器的工藝簡介

2.1 立式熱虹吸式再沸器

立式熱虹吸式再沸器是利用塔底單相釜液與換熱器傳熱管內汽液混合物的密度差形成循環推動力，構成工藝物流在精餾塔底與再沸器間的流動循環。立式熱虹吸式再沸器原理見圖1。再沸器蒸汽入口管上設置調節閥，控制蒸汽流量，或在蒸汽冷凝液出口管上裝調節閥，改變再沸器內蒸汽冷凝液的液面來調節傳熱量，工藝流程見圖2。該再沸器的加熱過程在殼程，而沸騰過程產生在管道內部，汽液態混合物獲得較高的流速，可以很快地從排出管流入塔內，塔釜提供汽液分離區和緩沖區。再沸器的排出管與塔的接合方式有兩種：一是順著再沸器內部的直徑彎道與塔連接；二是在再沸器的側面設置開口與塔相連接。塔內的液面高度為熱量載體帶來驅動力。通常情況下，再沸器的上管板高度與塔內液體的持液高度是一致的。

圖1 立式熱虹吸式再沸器

圖2 立式熱虹吸式再沸器流程

立式熱虹吸式再沸器具有傳熱系數高、結構緊湊、安裝方便、釜液在加熱段的停留時間短、不易結垢、調節方便、占地面積小、設備及運行費用低等顯著特點。但由于自身結構原因，殼程不能采用機械方法清洗，因此不適宜用于高黏度或易聚合的加熱介質。同時，由于是立式安裝，增加了塔的裙座高度。

2.2 強制循環式再沸器

強制循環式再沸器是當熱虹吸式再沸器的循環量不夠時，使用泵來增加循環推動力，從而構成工藝物流在精餾塔底與再沸器間的流動循環。強制循環式再沸器見圖3。強制循環式再沸器除了在蒸汽入口管或冷凝液管上設置調節閥外，還可以通過在兩根管線之間設置連通管，以監測再沸器內冷凝液的液面高度，可以更有效地控制再沸器的傳熱量。工藝流程見圖4。

圖3 強制循環式再沸器

圖4 強制循環式再沸器流程

強制循環式再沸器適用于高黏度、熱敏性物料，固體懸浮物和長顯熱段以及低蒸發比的高阻力系統。由于采用泵增加循環推動力，在保持流體很高的流速和非常低的蒸發率的條件下，可使結垢的速率大大減小。但增加了泵的投資及能量消耗，同時由于要滿足泵吸入端靜壓頭的要求，就要增加精餾塔的裙座高度，從而抬高了再沸器的安裝高度。

3 再沸器的布置及管路設計

3.1 再沸器與精餾塔的設備布置關系

由于熱虹吸式再沸器工作原理是利用各自物料的密度差形成推動力，所以再沸器與塔釜的連接管道應盡量短，以減少阻力降，同時升汽管不允許有袋形。需同時滿足以上要求，再沸器與精餾塔的相對位置就受到極大的限制。通常工程實際中，將再沸器布置在精餾塔的側面，盡量靠近塔釜布置。同時考慮到再沸器的上管板高度與塔內液體的高度關系，就可以在水平及空間位置上確定再沸器的安裝位置。

再沸器與塔的相對位置決定了再沸器的支撐形式，一般再沸器的支撐形式有兩種：一是支撐在塔體上，這種再沸器通常體積（直徑、高度等）較小，而且與塔的熱膨脹量相差不大，便于支架的設置，節省土建投資，但需要與設備專業溝通并核算塔體補強；二是采用單獨的框架支撐，這種再沸器一般體積較大，塔壁相對較薄，不能承受再沸器的重量。但由于二者的固定點不同，膨脹量不同，設計過程中需要考慮采取措施以消除二者間的相對位移。采用單獨框架支撐時，需要考慮再沸器管束的檢修問題，在配管及平臺設置時應該留有足夠的檢修空間。再沸器的兩種支撐形式見圖5。

圖5 再沸器的兩種支撐形式

3.2 再沸器與精餾塔的管路設計

3.2.1 再沸器支撐在塔上

當再沸器支撐在塔上時，如圖5（a）所示，由于支架生根在塔壁上，再沸器與塔的熱膨脹量基本相當，管路設計時考慮一定的管道柔性（如增加彎頭）即可滿足應力要求。一般在塔壁允許的荷載條件下，最好按此設計再沸器的支撐及管路。

3.2.2 再沸器支撐在獨立框架上

當再沸器支撐在獨立的框架上時，如圖5（b）所示，需要考慮再沸器與塔之間熱位移的不同，當管道柔性設計不足以滿足應力要求時，必須在管路設計時采用彈簧支架或補償器等措施來確保管路及設備的安全穩定運行。通常有以下幾種處理措施。

（1）再沸器支撐在框架上，首先考慮通過調整再沸器的支耳位置（即再沸器的固定端），使得再沸器的管口與塔的入口熱位移一致，以滿足設備口的受力要求。前提是支耳的調整位置能夠滿足設備自身的結構要求。

（2）通過在再沸器的出口管路上設置膨脹節來吸收二者之間的熱位移是一種較好的方法，彎管式膨脹節的管路設計見圖6。圖為某大型煤化工項目精餾塔與再沸器的管路設計，由于再沸器過重，采用獨立框架支撐，并且再沸器的安裝高度（EL23.500）較高，從支耳數量（8個支耳跨中均布）、操作檢修及穩定性角度考慮，不宜采用彈簧支撐再沸器。經過應力計算，調整再沸器（強制循環式再沸器）的安裝高度，在再沸器出口下彎管處設置曲管壓力平衡型膨脹節，最終管路設計才滿足設備口的受力要求。同樣，再沸器出口位于頂端時，亦可采用上彎管型的膨脹節，但需要調整塔的裙座高度以滿足安裝要求。尤其是采用下彎管型膨脹節時，在滿足工藝及管路設計的條件下，需要考慮膨脹節的檢修問題，這類膨脹節一般外形較大，在設計支撐框架時應考慮留有活動梁供檢修用。

圖6 彎管式膨脹節的管路設計

另一種利用膨脹節來滿足管路設計要求的情況是再沸器出口與塔入口直連，其管路設計見圖7。這種情況需要調整好再沸器與塔之間的間距，以滿足安裝要求。

圖7 直連式膨脹節的管路設計

（3）上述兩種設計不能滿足要求時，可在再沸器的支耳位置設置彈簧，也可以吸收再沸器與塔之間的熱位移。

3.2.3 再沸器有2個出口的設計

當再沸器有2個出口時，為使其流量相等，最好是對稱布置，對應的管路設計也應盡量對稱，力求使再沸器的2根管道阻力相等，確保2臺再沸器的熱量均勻，運行一致。

4 結語

（1）當前煤化工項目均趨于大型化，再沸器也越來越大，利用塔來支撐再沸器變得越發不可實現。所應在再沸器的工藝、設備及管路設計過程中重點考慮再沸器安裝在獨立框架上的情況，多專業協調合作，避免重復性設計。

（2）當再沸器的長度與直徑之比（L/D）大于6.0時，宜設置導向支架，以避免再沸器擺動使設備管口受到額外的載荷。

（3）再沸器支撐在框架上時，應盡量采用補償器或調節支耳位置的方式來滿足應力要求，最好不要采用彈簧支撐再沸器。因為在一般情況下，支撐在框架上的再沸器質量較大，且支耳設置比較密集，采用彈簧支撐不好布置，同時彈簧在使用過程中容易失效，若其中一個失效就會帶來安全隱患。此外，彈簧只是起承重作用，穩定性不夠。

（4）大型再沸器支撐在框架上，設計伊始就需要考慮好設備及補償器等的檢修問題。由于大型再沸器很重，若結構基礎沒有足夠余量，設置檢修用活動梁是無法實現的。

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修改稿日期：2015-12-12

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.005 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.005

中圖分類號：TQ051.65；TQ051.81

文獻標識碼：B

文章編號：1004-8901（2016）03-0015-04

作者簡介：朱中武（1982年-），男，安徽巢湖人，2008年畢業于北京化工大學化學工程專業，碩士，工程師，現主要從事化工工程項目管道的設計工作。

Process and Piping Design of Two Types of Reboilers and Rectification Tower

ZHU Zhong-wu，JIANG Da-bo
（Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China）

Abstract：The paper introduces the classification of reboilers and the application of reboilers in chemical industry，the process，equipment layout and piping design features of vertical thermosiphon reboiler and forced circulation reboiler，and compares the use conditions and key points for layout of reboiler supported on the tower and on an independent framework，and focuses the compensation methods applied in reboiler pipe stress design under two different layouts.

Keywords：vertical thermosiphon reboiler；forced circulation reboiler；rectification tower layout；compensation