【正文】 頭較低，這就降低了塔釜的高度，對精餾塔的設計有利。1．不宜用于粘性大、有特殊結(jié)垢傾向的介質(zhì)。2．由于無法進行很大的熱補償，不適宜溫差大，熱應力大的場合。3．殼程結(jié)垢后很難清洗。4．由于折流板及支撐板的影響，在高熱流條件下，有可能發(fā)生局部的干涸現(xiàn)象。對于大型熱虹吸再沸器，為了使流動分布均勻，往往需設多個管口和連接管件，這也勢必增加了再沸器的造價。5．水平熱虹吸再沸器相對于立式再沸器，其占地面積大。立式熱虹吸再沸器1．應用最為廣泛，使用經(jīng)驗最為豐富。2．循環(huán)速度高，不僅傳熱膜系數(shù)高于水平式，而且有很好的防垢作用，特別適用于高分子材料。1．垂直管不易拆卸、清洗及維修,尤其是管程結(jié)垢不易清洗。2．塔底液面高度大約與再沸器上部管板在同一水平面上，這就提高了塔底的高度，使塔體造價增大，尤其是高大的塔。3. 立式熱虹吸再沸器對操作條件要求高，對于高真空和高壓力(近臨界壓力)及高粘度的寬沸點的條件，設計的難度很大。4．由于無法進行很大的熱補償，不適宜溫差大，熱應力大的場合。強制流動換熱器1．由于油泵提供能量，管內(nèi)流體流速快，不易結(jié)垢，適合嚴重結(jié)垢和極高粘性的流體1．泵的造價和能源的消耗都很高。應用不很廣泛 再沸器存在的問題及其解決再沸器在現(xiàn)代化工中有廣泛的應用，其所在的精餾裝置往往是化工，紡織企業(yè)的核心與基礎。所以，再沸器的可靠工作關乎企業(yè)的工作業(yè)績和安全管理。不過，由于種種原因，再沸器在服役過程中往往會出現(xiàn)實際中意想不到的問題。這些問題輕則造成再沸器工作能力下降，不能正常位精餾塔提供能量；重則造成物料污染，裝置泄漏或損壞，造成極大經(jīng)濟損失。據(jù)估計，一臺再沸器意外損壞，直接經(jīng)濟損失幾十萬，但造成的間接經(jīng)濟損失每天都以千萬計！所以，一些重要的精餾裝置往往設雙再沸器，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠工作。據(jù)近期文獻[6]所示，再沸器的存在的最主要問題就是腐蝕泄漏問題，其次就是振動，再有就是焊接問題。據(jù)統(tǒng)計，由腐蝕造成的再沸器腐蝕泄漏失效占再沸器總失效事件的65%以上。而且其原因也是多種多樣，十分復雜。國內(nèi)外近年來對此作了大量研究。而振動造成的失效也占二成左右，其特征是往往伴隨著腐蝕現(xiàn)象同時發(fā)生，危害很大，容易造成管束和殼體出現(xiàn)疲勞裂紋，必須得到重視。而焊接質(zhì)量問題主要是由于設計失誤，質(zhì)量把關不嚴，發(fā)生幾率不高，但是一旦出現(xiàn)此類問題，必將造成大面積泄漏，經(jīng)濟損失也最大。下面就將對這些問題進行一一介紹： 腐蝕泄漏問題 腐蝕泄漏問題是再沸器故障中最為常見的一種，雖原因不盡相同，但在現(xiàn)象，解決方法上也有共性。在此限于篇幅，僅選出最有代表性的幾篇文獻進行討論：王華明，李玲等[4] 對低變再沸器斷裂試樣進行了斷口分析，對設備結(jié)構(gòu)和工藝操作原因進行分析。文中指出，電化學腐蝕在低變再沸器中十分普遍。解決問題的核心在于盡量防止管子成為陽極。而對于低變再沸器中發(fā)生的應力腐蝕發(fā)生在電化學腐蝕之后，主要是由于管束與折流板的材質(zhì)不一樣，形成了原電池，而由于折流板不耐腐蝕，其開孔受到腐蝕變大，在其中的管束失去支撐，上表面的拉應力變大，發(fā)生應力腐蝕。解決方法主要有：(1) 避免管子與折流板間產(chǎn)生電位差，誘發(fā)電化學腐蝕。(2) 折流板合理布置，避免散熱不暢，形成流動死區(qū)。(3) 入口處應設置防沖裝置，盡量避免氣蝕。 此外，文章還對根本解決低變再沸器腐蝕的方法作了討論。認為在材料使用方面，傳統(tǒng)的304號不銹鋼（0Cr18Ni9）防腐蝕能力最強；20號鋼滲鋁最經(jīng)濟。在焊接方面，管束與管板的連接最好采用強度焊與脹接相結(jié)合，先焊后脹。必要時采取犧牲陽極防腐蝕。這些措施在實踐中都得到了極好的效果。 張德勝[5] 針對甲醇精餾主塔再沸器嚴重內(nèi)漏現(xiàn)象及其危害，從工藝、設備兩個方面進行了詳細的分析探討。文中介紹廠區(qū)內(nèi)某甲醇精餾主塔再沸器有十幾根換熱管內(nèi)漏（殼程與管程之間的泄漏）嚴重。主要集中在塔底液入口正對管板處，呈圓形分布；另有三十多根存在不同程度的泄漏。這些泄漏的管束存在不同程度的減薄和斷裂現(xiàn)象，殼程入口也有明顯的沖刷腐蝕。究其原因，主要有設備方面原因和質(zhì)量方面的缺失。改進措施具體為：(1) 在下封頭內(nèi)側(cè) (塔底液入口處) 水平加一擋板 ()，以避免塔底液對管束與管板焊道的直接沖蝕。(2) 對再沸器管程進行鎳磷鍍等預膜防腐處理。(3) 采用對稱施焊，以減小熱應力。 甲醇精餾主塔再沸器內(nèi)漏示意圖與解決方案示意圖 馬紅杰，黃新泉等[6] 分析了該廠乙二醇裝置500＃蒸發(fā)單元五效再沸器的腐蝕原因及過程。并指出該再沸器pH值的工藝操作指標應定為7～9，因為弱堿性的工作環(huán)境有利于金屬形成致密氧化膜，提高防腐性能。其次，對該再沸器的管程也進行了整體更換，新管束的材質(zhì)為Cr5Mo；考慮到經(jīng)濟成本與生產(chǎn)安全，作者建議對腐蝕較輕的再沸器彎頭和封頭部位進行鋼板（與原材質(zhì)一致）貼補，并對焊縫及熱影響區(qū)作探傷檢測，保證貼補質(zhì)量。最后，涂料防護。該再沸器采用德富康涂料進行過防護，有效的延長了沖刷腐蝕的破壞周期，故應該繼續(xù)使用。 林猛等人[7] 針對每次設備檢修后向塔底再沸器都會發(fā)生浮頭泄漏的問題，對再沸器的螺栓—法蘭連接系統(tǒng)進行了分析。文中指出，在換熱器內(nèi)導熱油逐漸升溫過程中，墊片的回彈性能會隨溫度的增加而逐漸下降，即墊片的彈性系數(shù)減小，相應的回彈力也會減少。而回彈力的減少，會減少密封面比壓，引起泄露。作者給出了十分巧妙地解決方法，即利用彈性墊圈（）對法蘭進行補償。彈性墊圈是一種新型的彈性補償元件，一般可以根據(jù)密封墊片的形狀、材料、預緊比壓、密封介質(zhì)壓力、密封介質(zhì)溫度、密封法蘭尺寸以及螺栓材質(zhì)等參數(shù)設計出彈性墊圈的具體尺寸。將其直接安裝在螺母下方，就會使螺栓的彈性系數(shù)極大降低。當介質(zhì)溫度升高時，密封面壓緊應力受到的影響會大為減小，從而減少泄漏。 彈性墊圈使用示意圖 總體來說，再沸器的腐蝕泄漏問題主要都是因為，管束與管板的連接處處理不當，殼程、管程防沖措施不到位，再沸器選材不當，防腐措施不到位或不合適。不過，由于大部分再沸器都是難以拆卸的立式熱虹吸再沸器，對其腐蝕泄漏的處理往往十分復雜費事。故而，能夠在設計層面上從嚴從難，多方考慮，往往要比勤維修，勤維護來得經(jīng)濟，也省時省力。這是設計者們不能不引起注意的。 振動失效問題 再沸器在設計過程中，往往要考慮振動問題。因為再沸器不同于普通換熱器，內(nèi)部存在相變，而無論是蒸汽冷凝，還是液體沸騰汽化都會造成因提及變化引起的振動。而這種振動如果不加限制與校核，就會引起管束的疲勞損壞。而這種疲勞損壞帶有突然性，危害很大。鑒于此，再沸器的機械設計中就利用折流板間距等幾何手段限制管束的振動。不過，在實際操作中，往往會發(fā)生許多意想不到的因素，使管束的振動超過預期，造成損失。國內(nèi)外有諸多文獻對再沸器振動問題做了研究，取得了不小的成果：任軍平、張克鋒[8]等對本廠加壓塔再沸器失效做了分析。經(jīng)分析，加壓塔再沸器換熱管斷裂的主要原因有換熱管的制造缺陷以及換熱管振動與折流板之間的摩擦。文章對換熱管間存在的振動作了討論，并詳加計算。計算了卡門渦街旋律fv，紊流抖振主頻率ft，聲頻fa與換熱管固有頻率，管束振動判斷的依據(jù)根據(jù)GB1511999。作者認為認為此再沸器在設計時對換熱管束與折流板之間的摩擦估計過小，造成折流板與換熱管束接觸處磨損嚴重，基本喪失支撐作用。這就使換熱管束相鄰的特征長度成倍增加，振動頻率逐步下降直至接近蒸汽流動的頻率，造成共振，最終泄漏。據(jù)此，作者提出了相應的整改方案：首先，改變蒸汽流速。即減少殼程流量 Q，以分流殼程代替單殼程，以雙弓形折流板代替單弓形折流板，都能降低橫流速度V，防止振動。但此舉對傳熱效率有不利影響。其次，改變換熱管的固有頻率。如減少換熱管的跨距、在不影響橫流速度的情況下，折流板之間增設支承板、在換熱管二階振型的節(jié)點位置處增設支承板。最后，在殼程沿平行于氣流的方向插入縱向隔板（消聲板），以減小公式中的特性長度，此舉可提高聲頻，防止聲振動。當然，在工藝條件與資金允許的情況下，還可以設置防沖板和導流筒，他們的方振降噪能力更強，還可以防止蒸汽入口處的管束腐蝕過快。劉儉國[9]對場內(nèi)鈦制再沸器管板接頭焊縫腐蝕開裂的原因做了分析，并提出了改進措施。作者認為，再沸器出現(xiàn)管板接頭焊縫腐蝕開裂的原因是應力。由于介質(zhì)本身極具腐蝕性。另外再沸器經(jīng)過改進，增加換熱面積，但是蒸汽流量不增加，這就要延長了介質(zhì)加熱時間。由于蒸汽冷凝為水時將產(chǎn)生強烈振動，使設備工作在過大的交變載荷下。所以，較大的交變應力使管板接頭疲勞開裂，引起腐蝕開裂。文章中還根據(jù)實際情況提出了幾點改進：第一，可以將管板光孔脹接加焊接改為管板孔內(nèi)開槽脹接加焊接的方式連接。第二，雖然鈦制再沸器在沸騰的濃醋酸中使用時, 工藝上應保證其含水量足以使鈦鈍化，但在含有醋酸酐和甲酸等成分的沸騰濃醋酸中使用鈦時, 設備材料應盡量選用 TA9, TA10 合金。姜海一、賈國棟、孫亮等[10]對某再沸器出現(xiàn)疲勞裂紋失效做了研究，采用化學成分分析、力學性能測定、宏微觀檢驗、有限元應力計算及振動測試等方法對再沸器的材料、加工工藝和工作狀況進行了綜合分析。指出由于管板材料性能較差，在制造該再沸器過程中受焊接熱循環(huán)和較高應力水平的影響，造成在熱影響區(qū)形成微裂紋，進而又在工作介質(zhì)和應力的作用下在該區(qū)域發(fā)生振動疲勞損傷而形成宏微觀裂紋致蒸氣泄漏。最后還提出了利用彈性支座減震的新方法。 焊接問題 焊接問題在之前兩個問題中也都有穿插涉及，比如文獻[10]都指出其再沸器存在焊接問題，也指出提高焊接質(zhì)量，改進焊接工藝是提高再沸器質(zhì)量與服役壽命的重要一環(huán)。黃石嶺[11]就著重對氯化苯再沸器的焊接技術作了整理，有很強的借鑒應用意義。作者認為焊接的工藝簡單，但存在很大的局限：首先，力學結(jié)構(gòu)不合理。列管與管板之間存在裝配間隙，殼體蒸汽流動誘導列管振動，增大了列管與管板之間的拉脫力。其次，焊接工藝不合理。焊接接頭根部間隙較大，接頭抗疲勞強度較低，容易在焊縫根部發(fā)生應力腐蝕破壞。 鑒于此，往往要采用脹焊結(jié)合()的方法。文章就介紹了脹焊結(jié)合的工藝特點及其選擇：對于先焊后脹（即強度焊+密封脹）的優(yōu)點主要有：可以避免因施焊受熱對脹接嚴密性的破壞；焊接前不需要對列管、管板孔做嚴格的清理，節(jié)約工時，降低人工成本；不需要專門的清理設備，節(jié)約設備投資成本；可以有效避免因先脹時殘留的油、水等物質(zhì)在焊接時揮發(fā)形成氣孔，保證焊接接頭質(zhì)量。 而先脹后焊（即強度脹+密封焊）的優(yōu)點也很明顯：先脹保證了脹接的均勻性，避免因施脹不均勻而造成脹接嚴密性降低；保證焊接質(zhì)量，避免焊縫裂紋的產(chǎn)生。不過先脹后焊也存在缺點：即對管端的加工精度要求較高，增加了加工的難度及制造費用；焊接時接近焊縫區(qū)的高溫使脹接局部應力松脫，影響原脹效果；脹接殘余的油污、水等，由于焊接時不能從反面沖出，只能從熔池內(nèi)沖出，造成熔池內(nèi)流體金屬翻騰，形成氣孔；清理脹接殘留的油污、水困難，清理數(shù)以千計的列管需要專門設備，增加設備投入，提高了制造成本。 焊接與脹焊結(jié)合工藝示意圖 再沸器優(yōu)化設計再沸器是精餾裝置的核心，為精餾過程提供能量。由于其工作環(huán)境特殊，常工作在強腐蝕，易結(jié)垢環(huán)境中。所以，新形式，新材料的再沸器成為研究的重點。此外，現(xiàn)在世界能源短缺，降低再沸器能耗，使用較低品位熱源也是建設低碳工業(yè)，節(jié)能減排的必然要求。 錢鼎興[12]就對鈦材在再沸器上的應用作了研究。對于部分強腐蝕介質(zhì)，使用鈦材制造再沸器是最經(jīng)濟且最可行的方案。但是鈦材本身有許多問題，為其使用帶來了困難與局限。因此，對于鈦制再沸器，在不與腐蝕介質(zhì)接觸的部位，應盡量不用鈦材，只在存在腐蝕介質(zhì)的管程和管箱使用鈦材。管板則最好使用復合板，先貼張再和復合鈦板焊接。避免使用昂貴且難以制造的鈦制膨脹節(jié)。 談沖[13]介紹提高立式熱虹吸再沸器管內(nèi)傳熱系數(shù)的計算方法，提出此傳熱系數(shù)與汽化率的關系，并對其設計進行優(yōu)化。文章采用 Chen 氏簡化公式： 。其中：，當時。當 時。計算得出結(jié)論：(1) 在出口汽化量要求固定的情況下，再沸器列管內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)值隨出口汽化率的下調(diào)而增大，即再沸器傳熱面積將減小，有利于設計。(2) 兩相流體傳熱系數(shù)不存在極值，但再沸器汽化率低于5 %時不可能產(chǎn)生熱虹吸，故也不能單純?yōu)樘岣邆鳠嵯禂?shù)使汽化率無限小。因此為了安全，工程設計中常規(guī)的做法是將釜內(nèi)液面調(diào)至稍低于出口管與列管上管數(shù)差不多的高度上。(3) 過低下調(diào)出口汽化率使連接管尺寸過大亦非良好的設計。工程經(jīng)驗一般推薦出口汽化率不低于 ，不大于 。陸恩錫，李小玲等[14]介紹了蒸餾過程中間再沸器和中間冷凝器（統(tǒng)稱中間換熱器，見圖（）的節(jié)能原理以及相關工藝參數(shù)的確定原則。指出使用中間換熱器的條件主要是有無可供匹配的冷源或熱源。他們雖不能減少整體熱負荷，卻無須采用如同塔頂冷凝器和塔釜再沸器那樣高品位的冷劑和加熱介質(zhì)，從而有可能使用品位和價格較低的冷劑和熱源，節(jié)省了操作費用。通常，分離相對較純的混合物時（），蒸餾塔的熱力學效率是十分低下的。此時，則中間再沸器在提高蒸餾塔效率方面是十分顯著的；，在中間冷凝器在提高蒸餾塔效率方面是十分顯著的。而對于富含輕組分的飽和液相進料（）,中間冷凝器僅有不大的效率改善，而中間再沸器可較大地改進蒸餾效率；但是對于富含重組分的飽和氣相進料（），中間再沸器僅有不大的效率改善，而中間冷凝器可較大地改進蒸餾效率。中間再沸器的熱負荷可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整，該熱負荷愈大,則塔釜再沸器的熱負荷愈小。采用多大的熱負荷，應當通過塔的逐板模擬計算進行權衡，使得相關工藝參數(shù)能夠獲得較好的匹配。一般的，中間再沸器可以達到基本工況塔釜再沸器熱負荷的70%以上，如果使用廢熱來加熱中間再沸器的話,其節(jié)能幅度無疑是十分顯著的。 中間再沸器與中間冷凝器功能示意圖劍橋大學化學技術公司的Hagan和Kruglov[15]對再沸器的熱流量作了深入研究，指出任何再沸器都有一個最大熱流量—即熱負荷與傳熱面積之比。這一最大熱流量發(fā)生在管束表面由膜狀沸騰向過渡區(qū)過渡的臨界點上，這一臨界點對應的溫差稱為臨界溫差。作者認為，最大熱流量即對應著最大傳熱系數(shù)，此時的傳熱效果是最好的。所以，再沸器最好都設計在核狀沸騰區(qū)，這一來可以獲得最大的傳熱系數(shù)；二