【文章內容簡介】 管程，但在特殊的應用場合，沸騰過程也可發(fā)生在殼程。下面就各種類型再沸器的優(yōu)缺點及應用作一較詳細的分析。 釜式再沸器 釜式再沸器（圖 ）殼體為大小端圓柱形殼 體結構，通過錐形殼連接。其汽液分離過程在殼程中進行。為保證管束完全浸沒在液體中，通常在管束的外側設一擋板，維持殼程液位。換熱管束通常為雙管程的 U 形管結構，當殼程液體較臟，為了方便清洗也可以使用浮頭式換熱管。釜式再沸器非常適合應用在汽化量大，沸點范圍寬的場合。 圖 釜式再沸器示意圖 本 科生畢業(yè)設計（論文） –5– 塔內置式再沸器 塔內置式再沸器（圖 ）的特點是將管束直接插入蒸餾塔的塔底液池中，其他同釜式再沸器一樣。其應用場合類似于釜式再沸器，但是也有相當的限制，即塔或塔釜直徑大，釜液潔凈不易結垢的工況。 圖 塔內置式再沸器示意圖 水平熱虹吸再沸器 熱虹吸，顧名思義，是利用塔底液再沸過程密度變小（主要是部分汽化的緣故），從而和塔內液體產生密度差，進而獲得穩(wěn)定而持續(xù)的推動力，使得再沸過程得以持續(xù)。熱虹吸再沸器是自然循環(huán)式，不需要外加能源，易于控制，所以幾乎可以用于任何精餾裝置中。其局限性是不宜用于粘性大、有特殊結垢傾向的介質（這主要是因為熱虹吸再沸器由于結構原因，一般都設計成固定管板式，其殼程的清洗是相當困難的）以及熱源溫度不穩(wěn)定、或再沸器前后過程不穩(wěn)定的場合，另外熱虹吸再沸器的汽化率 要控制在一個較小的（ 10%~20%）范圍內。而且，對于管內外流體溫差較大的情況下，需要增設膨脹節(jié)。總之，熱虹吸式再沸器是目前最廣泛應用，使用經驗最豐富的再沸器形式。 水平熱虹吸再沸器（圖 ），其加熱介質在管內流動，管程即可以是單流程，也可以是多流程。在設計時，對于沸點范圍較寬的流體，應設水平折流板，以防止輕組分在進口處閃蒸及重組分在出口處濃縮。為了防止流動阻塞，流動不穩(wěn)定，應對最大熱流密度加以限制。該型再沸器適用于中等壓力、中等溫差及低靜壓頭的場合。 本 科生畢業(yè)設計（論文） –6– 圖 水平熱虹吸再沸器示意圖 立式管側熱虹吸再沸器 即立式熱虹吸再沸器（圖 ），是應用范圍最廣泛的再沸器形式。沸騰過程可以發(fā)生在管程，也可以在殼程。立式管側熱虹吸再沸器的沸騰過程發(fā)生在管程，加熱介質在殼程，兩相流混合物以較高的流速由排出管流向塔內。出口管的流通截面應與管束總的過流面積一樣大，出口管的壓降應小于總壓降的 30%。出口管既可由沿軸向的大直徑彎管和塔連接，也可采用管箱側面開口。試驗表明，出口管的結構對再沸器的性能影響很小，但出口管過流面積過小對再沸器的性能影響很大 [3]。流動循環(huán)的驅動壓頭由塔釜的液面壓頭提供。通 常，塔釜液面和再沸器的上管板在一個水平面上。對于真空條件，塔內液面高度可為管束長度的— 倍，這樣可減少再沸器的過冷長度。為消除在低壓頭和高熱流條件下發(fā)生的流動不穩(wěn)定性，應在供液管路上安裝閥門或孔板。對于碳氫化合物，最佳的出口干度應在 — ，而對于水和水溶液，出口干度應在 — 。管徑和管長的選擇應保證有足夠的循環(huán)量，防止發(fā)生干涸。 立式熱虹吸式再沸器仍然屬于固定管板式換熱器，是無法對熱應力進行補償的。因此對于溫差較大的工況，只能通過采取加膨脹節(jié)的方法，這對控制成本是不利的。所以 ，其最佳適用條件為純組分、中等壓力、中等溫差、中等熱流及易結垢的場合。 本 科生畢業(yè)設計（論文） –7– 圖 立式管側熱虹吸再沸器示意圖 立式殼側熱虹吸再沸器 立式殼側熱虹吸再沸器（圖 ）沸騰過程發(fā)生在殼側。殼側裝有折流板，以使流體縱向流動。垂直殼側再沸器適用于加熱介質不適宜放在殼側的場合。例如，對于廢熱鍋爐，由于加熱流體的腐蝕性，因而要節(jié)省特殊的金屬材料，加熱介質走管程較為合適。 該類再沸器的設計，應使沸騰側的流動均勻分布，以避免死區(qū)的出現，防止汽態(tài)和高沸點組分的積聚，設計時應使兩相混合物以均勻的高流速流經管 板。該類型再沸器的最佳應用場合為中等壓力、中等溫差條件下的純組分的蒸發(fā)，且加熱介質必須放在管內側的工況，例如加熱介質壓力很大的情況。 圖 立式殼側熱虹吸再沸器示意圖 本 科生畢業(yè)設計（論文） –8– 強制流動再沸器 強制流動再沸器（圖 ）沸騰過程發(fā)生在管內側，臥式立式均可以。流體循環(huán)的動力由大容量泵提供。強制流動再沸器的最佳應用場合為有嚴重結垢傾向和有極高粘性的流體。因為泵可以使流體保持很高的流速和非常低的蒸發(fā)率，使結垢的速率大大減小。但泵的造價和能源消耗都很高，故而使用受到一定限制，適用場合不甚廣泛。 圖 強制流動再沸器示意圖 表 各型再沸器優(yōu)缺點一覽表 種類 優(yōu)點 缺點 釜式再沸器 1．對操作條件的變化不敏感，可達到很高的汽化率，很低的溫差。 2．在真空下或接近臨界壓力下操作時，設計比較可靠。 3．無熱應力，結構可靠，清洗方便。 1．殼程液體在再沸器內停留時間長，湍流度低，是所有再沸器中最容易結垢的。 2. 占地面積大，耗費金屬多，造價高。 內置式再沸器 ，可使用低品位熱源。 2．省去了殼體及連接管路等附件，是所有類型再沸器中造價最低的。 3. 無 熱應力，結構可靠。 1．比較容易結垢。 2．對塔釜設計不利，往往使塔釜過大，不利于操作和開停車。 3．不適宜經常拆洗維護。 本 科生畢業(yè)設計（論文） –9– 水平熱虹吸再沸器 1．不需要外加能源，易于控制，幾乎可以用于任何精餾裝置中。 2．有較高的循環(huán)率，較高的流速和較低的出口干度，從而防止了高沸點組分的積聚和降低了結垢的速率。 3．管束為水平方向布置，且流動面積易于控制，因而需要的靜壓頭較低，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、有特殊結垢傾向的介質。 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，使用經驗最為豐富。 2．循環(huán)速度高，不僅傳熱膜系數高于水平式，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，管內流體流速快，不易結垢，適合嚴重結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 通過對各種類型再沸器的優(yōu)缺點比較，在依據本次設計的溫度、壓力、流體黏度、安裝方式等條件，本次設計選用 釜式再沸器 。 本 科生畢業(yè)設計（論文） –10– 第 3章 再沸器的工藝設計計算 設計任務與設計條件 現設計一臺釜式再沸器，以 195℃ 的熱水為熱源，加熱塔底的丙烯。 表 殼程與管程的設計條件 殼 程 管 程 溫度 /℃ 50℃ 195℃ 壓力（絕壓） /MPa 流量 /（ kg/s） ……… 腐蝕馀度（ mm） 1 估算設備尺寸 (1) 傳熱面積和管數 已知熱負荷 1519616?Φ W，殼程流體汽化潛熱 kg/?br ，殼 程流量 s/?sq 。根據熱平衡，殼程汽化量 vq =，體積流量 vsq ： ??? vvvs qq ? m179。/s 表 物性數據 殼程流體 50℃ ， 下物性數據 臨界壓力 cp /MPa 汽化潛熱 br /(kJ/kg) 蒸汽熱導率 V? /(W/(mK)) 蒸氣密度 V? /(kg/m179。) 蒸汽黏度 V? /(mPas) 液相密度 L? /(kg/m179。) 管程流體 195℃ 下物性數據 密度 i? /(kg/m179。) 898 黏度 i? /(mPas) 熱導率 i? /（ kJ/kg） 1704 比定壓熱容 pic /(kJ/(kgK) 定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。 管程入口溫度 T=195 C? 。 已知殼程溫度 t=50 C? ，計算平均傳熱溫差 mt? ： 本 科生畢業(yè)設計（論文） –11– m t 1 9 5 5 0t 1 2 2 . 522T C??? ? ? ? ? 估算傳熱系數 K=600W/(m2K)，利用下面公式估算傳熱面積 pA ： ?????? mp tK ΦA m2 選傳熱管尺寸 mm3 0 0 0225 ?? l、管長? ，則用下面公式計算管數 TN ： ??????? ?? ldAN opT 根 換熱管的排列形式主要有正三角形、正方形、轉角正三角形、轉角正方形，其結構形式如圖示： 流向流向流向流向( a)正 三角形排列 ( b)轉 角正三角形排列( c)正 方形排列 ( d)轉 角正方形排列 圖 按 傳熱管按三角形排列。 12,1)1(3 ????? abaaN T ，其中 a 是正六邊形數，b 為正六邊形對角線上管數。經計算， a=， b=。由于管束為雙管程，中間不能布管。所以，最多可布管數為 4=106 根，所以 110 根管是合適的。這樣，就可通過文獻 [2] 50 頁 的表 37 查得管心距 t=32 mm，隔程相鄰管的管心距為 44 mm。通過下面公式計算管束直徑 bD ： 5 5)(32)1( ?????? btD b mm (2) 殼體尺寸 確定殼體直徑 ,先算 min）（ 堰A ，用下面公式計算 maxu 為： )()116( a x ??? Vu ? m/s 用下面公式計算 min）（ 堰A 為： 本 科生畢業(yè)設計（論文） –12– a xm in ??? uqvA s）（ 堰 m2 由 ?bD mm 和 ?）（ 堰A m2，查文獻 [2] 75 頁 的表 320 可知殼體直徑為 800?D mm，緩沖能力為 m179。/m。殼體小端由普通管式換熱器殼體內經公式估算，管板利用率 70%。殼體小端直徑為： 39。 ????? tNtD mm。 拉桿數量由管外徑為 25 mm，可知拉桿直徑應為 16 mm。由小端直徑為 427 mm，可知需要 4 根拉桿，由于管板利用率為 70%，還是有空余面積布置的。另外，在殼程入口處應設置防沖板。 (3) 接管尺寸 管箱接管。管程流體為水，設流速 m/s101 ?u ，則接管內徑為： 11????? uqD vi? mm 圓整后，取管程接口管內徑為 300 mm。 殼程入口接管。殼程入口為液態(tài)進料，設流速 m/s22 ?u ，則接管內徑為： 4 )(5 .6/ 45 04)/(422????? uqD Ls? ? mm 圓整后，取殼程入口接管內徑為 250 mm。 殼程出口接管。殼程出口為氣液分開出料，氣相出口的流速為 m/s103 ?u ，內徑為： 33????? uqD vs? mm 圓整后，取殼程氣相出口接管內徑為 250 mm。 設液相出口的流速為 m/s24 ?u ，則接管內徑為： 4 45 0/) 3(5 .64/)(444?????? uqqD Lvs ? ? mm 圓整后，取殼程液相出口接管內徑為 50 mm。 傳熱系數的校核 (1) 管內傳熱系數 2()4m t i T