ProII-再沸器设计

1 1 再沸器设计与模拟 华南理工大学化工学院 陆恩锡 2 1、再沸器在蒸馏塔中的模拟 2、热虹吸式再沸器压力平衡计算 3、再沸器设计计算 2 3 第一部分 再沸器在蒸馏塔中的模拟 4 再沸器在蒸馏塔中的模拟 釜式再沸器 热虹吸式再沸器 一次通过式 循环式 混合式 3 5 再沸器类型－釜式 釜式再沸器 釜式再沸器及其相应理论板 6 再沸器类型及模拟－釜式 釜式再沸器 再沸器中的气相物料VN和塔釜液相产 品成相平衡状态，故釜式再沸器相当于 一块理论板。进行模拟时，如采用该类 再沸器需要在板数上加上一块理论板。 4 7 再沸器类型及模拟－热虹吸式 ❖一次通过式热虹吸再沸器 一次通过式热虹吸再沸器及其相应理论板 8 再沸器类型及模拟－热虹吸式 ❖一次通过式热虹吸再沸器 一次通过式热虹吸再沸器如图所 示，它有两种不同的类型，分别给出在 图中的 (a) 和 (b) 这两类再沸器中，从塔 的底板流下的液体均全部进入再沸器， 而再沸器出口为气、液混合相，返回到 塔中。气相VN和釜液成相平衡状态。 5 9 再沸器类型及模拟－热虹吸式 ❖一次通过式热虹吸再沸器 从模拟的角度看，一次通过式再沸 器等同于釜式再沸器，也即在进行塔模 拟计算时它相应于一块理论板。 10 再沸器类型及模拟－热虹吸式 循环式热虹吸再沸器 循环式热虹吸再沸器及其相应理论板 RV-从再沸器至塔底板气相，RL-从再沸器至塔釜液相， RF-从塔釜至再沸器进料，LN-2-从塔底板至塔釜液相，VN-1-从塔釜至塔底板气相。 6 11 再沸器类型及模拟－热虹吸式 循环式热虹吸再沸器 图示的再沸器结构中，釜液槽和再沸器液 槽共用一个塔釜。塔釜为一块理论板，离开 的气相VN-1和液相RF成相平衡；再沸器又是另 外一块理论板，离开的气相RV和液相RL成相 平衡；故共计相当于两块理论板。从再沸器 返回的液体RL进入塔釜后和较冷的塔釜液体 相混合，这样就会产生少量的气体VN－1，故 此必须在塔釜和再沸器进行闪蒸计算。 12 再沸器类型及模拟－热虹吸式 循环式热虹吸再沸器 应当注意，即使在釜液表面、塔釜底 部、再沸器入口和再沸器出口压力均不 相同，再沸器的返回物料必须在塔釜表 面的压力下进行闪蒸。这样塔釜表面压 力和再沸器产品压力是相同的，也即第N 块平衡级和第N+1块平衡级的压力是一样 的。 7 13 再沸器类型及模拟－热虹吸式 循环式热虹吸再沸器 此外，值得注意的是再沸器出口温度必 然高于塔釜产品的温度，这样就要求循 环式再沸器比一次通过式再沸器有较大 的传热面积或者有较高的加热介质温度。 14 再沸器类型及模拟－热虹吸式 循环式热虹吸再沸器 图示的塔釜无挡板，故再沸器的模拟需 按照无挡板再沸器进行。 8 15 再沸器类型及模拟－热虹吸式 另一种循环式热虹吸再沸器 另一种结构的循环式热虹吸再沸器 16 再沸器类型及模拟－热虹吸式 循环式热虹吸再沸器 上图是另一种结构的循环式再沸器， 釜液槽和再沸液槽之间采用挡板隔开。 此时釜液槽并非一个平衡级，它仅仅起 到收集塔釜产品的作用。故此，虽然塔 釜存在挡板，但该再沸器的模拟应当按 照无挡板再沸器进行。 9 17 再沸器类型及模拟－热虹吸式 混合式热虹吸再沸器 混合式热虹吸再沸器及其相应理论板 18 再沸器类型及模拟－热虹吸式 混合式热虹吸再沸器 上图给出了混合式热虹吸再沸器的图示 和与其相应的平衡级模型。该再沸器相当于 两块理论板，塔釜设有挡板。该类型再沸器 再沸器液槽为一块理论板，离开的气相VN-1 和液相RF成相平衡；再沸器又是另外一块理 论板，离开的气相RV和液相RL成相平衡； 釜液槽的作用相当于缓冲罐，无气液平衡作 用，故共计相当于两块理论板。 10 19 再沸器类型及模拟－热虹吸式 混合式热虹吸再沸器 该类再沸器在保持设计和操作简单性的同 时，改善了热虹吸再沸器的效率。如图所 示，混合式再沸器将再沸器的液相出口产品 返回至釜液槽，在釜液槽中的液体温度要高 于再沸器液槽的液体温度，故任何溢流至再 沸器液槽必将引起其中的液体发生气化。由 于仅仅一部分较高温度的返回液体流至再沸 器液槽和再沸器液体发生混合，故它较循环 式热虹吸再沸器效率更高。 20 再沸器类型及模拟－热虹吸式 ❖不同类型再沸器塔板温度模拟值 表1 11 21 再沸器类型及模拟－热虹吸式 ❖不同类型再沸器塔板温度模拟值  兹采用PRO/ll软件对某烃类分离蒸馏塔进行模 拟，按照釜式、循环式热虹吸和混合式热虹 吸三类再沸器进行计算比较，对于釜式再沸 器相当于一块理论板，故总板数为38块；对 于后两者，再沸器相当于2块理论板，故总板 数为39块。模拟结果列于表1。 22 再沸器类型及模拟－热虹吸式 ❖不同类型再沸器塔板温度模拟值 不同类型再沸器的温度是有所差别的，以循环式 再沸器的温度为最高，达117.5℃，而其余两者是相 同的，为115.7℃。而在分离要求确定的情况下（塔 模拟计算规定顶、底两个分离要求），循环式再沸 器的回流比较其余两者的回流比略大，这也和上面 的理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 相吻合，即混合式再沸器的效率较高， 而循环式再沸器出口温度要高于塔釜产品的温度， 这样就要求有较高的加热介质温度。 12 23 第二部分 热虹吸式再沸器 压力平衡计算 24 热虹吸式再沸 器设计图示 13 25 再沸器设计 ❖再沸器设计主要计算 再沸器的结构尺寸； 确定安装高度HR； 进出口管线直径； ❖再沸器安装高度及进出口管线直径计算为 压力平衡计算的主要任务 26 再沸器液体循环之推动力 再沸器系统流体循环推动力为塔釜的液面到 再沸器底部之间的液柱压力； 该液柱压力由三部分组成： H1－再沸器顶、底之间的液柱高； HR－塔釜底部到再沸器顶部液柱高； H2－塔釜液面到塔釜底部液柱高；  总推动力＝H1+HR+H2 14 27 再沸器流体阻力 再沸器流体循环之阻力由五部分组成：  再沸器入口管线流体阻力－△P1  再沸器出口管线流体阻力－△P2  再沸器出口管线流体静压头－△P3  再沸器壳程流体静压头－△P4  再沸器壳程流体阻力－ △P5 总阻力： △P＝∑△Pi 28 再沸器流体循环之阻力 阻力中还有流体加速阻力，该阻力较小，手 算中通常予以忽略； 15 29 再沸器压力平衡计算 再沸器压力平衡计算： 总推动力＝总阻力 求得HR后，实际再沸器安装高度可取计算值的1.5～2 倍，以策安全； 即: HR,实际＝(1.5~2)HR    5 1 21 i iR PHHH 30 再沸器压力平衡计算 手算法； 计算机计算法； 16 31 流体阻力计算－手算 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 再沸器入口管线流体摩擦损失－△P1 gd LfuP 2 1 2 式中：f－摩擦系数； u－入口管流速，m/s； L－入口管线当量长度，m； d－入口管线直径，m； g－重力加速度； 32 流体阻力计算－手算方法 再沸器出口管线流体摩擦损失－△P2     L LV gd LfuP  22 2     L V gd LfuP  22 2 （釜式再沸器） （卧式热虹吸再沸器） 17 33 流体阻力计算－手算方法 再沸器出口管线流体摩擦损失－△P2 式中：e－再沸器出口重量气化率； f－摩擦系数； u－流体速度, m/s； g－重力加速度； d－管径，m； L－液相密度，kg/m3；LV－气液相平均密度，kg/m3 ； LV LV ee     1 1 34 流体阻力计算－手算方法 再沸器出口管线内流体静压头－△P3 式中： HR－塔釜底部到再沸器顶部液柱高； H2－塔釜液面到塔釜底部液柱高； H3－再沸器入塔口到塔釜液面的高度； ))(( 323 L LV R HHHP   18 35 流体阻力计算－手算方法 再沸器内流体静压头－△P4 釜式再釜器 卧式再沸器 式中：Di－再沸器内径； L－液相密度； LV－气液相平均密度； L LVL iDP   2/)( 4  iDP 75.04  36 流体阻力计算－手算方法 再沸器内壳程流体压降－△P5 釜式再沸器壳程压降可忽略。卧式再沸器压降为： 式中：NB－壳程折流板数； de－壳程当量直径,m； f－摩擦系数； G－壳程重量流速，kg/m2•S aL－平均液相密度 aLLe Bi gd fGNDP 4 /)1( 2 5  2/)( LVLaL   19 37 流体阻力计算－计算机计算 采用计算机计算是比较方便、快速和准 确的再沸器压力平衡计算手段。 采用计算机计算需要将换热器的严格计 算和管线阻力降计算两者结合在一起。 管线阻力计算模块可计算： 摩擦阻力； 高差阻力； 加速阻力； 38 再沸器设计计算  再沸器压力平衡计算图示 再沸器计算所需模块： 换热器严格计算模块 管线计算模块 20 39 流体阻力计算－计算机计算 压力平衡计算需要用到换热器严格计算和管线计算 两类模块，本算例所需模块如下： 入口管线阻力计算模块； 换热器严格计算模块，计算物料流经再沸器的流体 阻力损失，但换热器模块并不能计算流体在其中的 静压损失； 故物料出了再沸器后还需专门设置一个管线阻力计 算模块，计算出流体经再沸器的静压损失； 出口管线阻力计算模块； 故全部再沸器系统压力平衡计算需由一个换热器严格 计算模块和三个管线阻力计算模块所组成。 40 流体阻力计算－计算机计算 再沸器的严格计算模块需要输入再沸器 的所有结构尺寸，故此前必须已经完成该 再沸器的严格计算； 管线阻力计算模块需要输入各管线的直 径，长度及高差变化以及相关管件的当量 长度； 全部数据应当事先准备妥当； 21 41 流体阻力计算－计算机计算案例 再沸器计算必须 提供安装高度尺 寸，进出口管线 直径及管件当量 长度； 42 流体阻力计算－计算机计算（案例1） 兹以图中所示的已经在某炼油厂实施的丙烯塔再沸器 系统为案例，介绍模拟计算的方法和结果； 管线高度如图所示； 进口物料流量为1274.4t/h，进口管线直径700mm，管线 总长11.5m；出口管线直径800mm，管线总长11.5mm。 由图可知进口管线静液柱高度为1.7m＋4.3m＋2.1m，通 常计算时塔釜液面高度可取0，以策安全，这样入口管 线静液柱高度即为6m；出口管线净高为8.5m； 再沸器经严格计算确定直径为1700mm，管长为6m；换 热管为19×2.5mm，管数2200根； 管线阻力计算方法采用Hagedorn-Brown公式。 22 43 流体阻力计算－计算机计算（案例1） 计算机模拟结果 44 流体阻力计算－计算机计算（案例1） 阻力小计为摩擦阻力，高差阻力和加速阻力 三项之和； 阻力总计分别为系统推动力和系统阻力总计 两项，负值表示该项阻力实际为推动力； 表中净推动力的值为系统推动力与系统阻力 之差； 表中各项阻力的单位为液柱高，由于物料成 分主要为丙烷，每公斤压力降相当于22.725m 液柱。 23 45 流体阻力计算－计算机计算（案例1） 换热器的摩擦阻力为严格计算所得到的换热 器压降； 而高差阻力是由管线阻力计算所得到的换热 器中气液两相的静压差； 为模拟该静压差，管线阻力模块中的管线直 径可取一适当大的数值如1700mm（根据换热 器直径确定），而所得的摩擦阻力、高差阻 力和加速阻力三项数值中仅取高差阻力即 可，其余两项阻力在换热器严格计算中已考 虑，不能重复取值。 46 流体阻力计算－计算机计算（案例1） 再 沸 器 的 摩 擦 阻 力 为 1.136m 液 柱 ， 也 即 为 0.045kg/cm2。由于精心的进行了再沸器的设 计，该阻力降是较低的，故虽然安装高度只 有4.3m，但再沸器系统总推动力大于总系统阻 力，仍然可以在规定的进料量下完成系统循 环。 24 47 流体阻力计算－计算机计算（案例1） 再沸器的推动力是来自入口管线的静液柱压 力，即塔釜液面与再沸器的高度差； 系统阻力主要是出口管线的高差阻力，其次 为换热器的摩擦阻力和高差阻力； 再沸器系统设计中，再沸器的安装高度，再 沸器出口的气化率以及再沸器本身的摩擦阻 力是十分重要的三个因素，必须认真对待。 48 流体阻力计算－计算机计算（案例2） 案例2－再沸器阻力降对系统的影响 若再沸器阻力降从原有的0.045kg/cm2增加到 0.08kg/cm2，即1.818m液柱时；模拟结果如下表 所示： 25 49 流体阻力计算－计算机计算（案例2） 案例2－再沸器阻力降对系统的影响 可以看出此时净推动力为负值-0.53； 即系统阻力大于系统推动力，再沸器将 无法完成在规定条件下的物料循环； 故再沸器本身的设计十分重要，务必使 其阻力降尽可能的低。 50 流体阻力计算－计算机计算（案例3） 案例3－流量对系统影响 再 沸 器 进 料 量 从 原 来 的 1274.4t/h 增 加 到 1600t/h，而其余条件不变，模拟结果如下表： 26 51 流体阻力计算－计算机计算（案例3） 案例3－流量对系统影响 案例1、案例3 阻力损失比较 2.18400.981.204案例3 2.03300.8961.136案例1 再沸器 4.1640.00384.1020.0586案例3 3.8060.00313.7570.046案例1 出口管线 阻力 小计加速阻力高差阻力摩擦阻力 *表中单位为米液柱 52 流体阻力计算－计算机计算（案例3） 案例3－流量对系统影响 与案例1比较可以看出出口管线中的摩擦 阻力、净压差和加速阻力均出现增大，换 热器的摩擦阻力也有增加，此时净推动力 为-0.405； 结论：系统阻力大于系统推动力，再沸器 将无法完成在规定条件下的物料循环。 27 53 管线阻力计算方法 54 管线阻力计算方法 文献中发表的管线阻力计算公式较多， 在进行管线阻力计算时必须认真选择； 再沸器系统管线阻力损失主要出现在垂 直管线，而水平管阻力损失相对很小； 故再沸器系统应采用垂直管线阻力计算 公式；否则可能存在较大的计算误差。 28 55 推动力小于阻力时能否运转 当再沸器总推动力小于总阻力时，将无法完成规定条 件下的传热和物料循环，严重影响再沸器和蒸馏塔的正 常操作； 但再沸器仍然可以运转，可以设想当推动力不足以克 服阻力时，再沸器中物料将暂时无法循环，也即物料在 再沸器中停留时间将加大，由于物料在再沸器中不断的 被加热，气化率必然会上升，这样就导致出口管线中的 物料平均密度减小，也即出口管线的阻力降将会减小； 如前面分析，出口管线阻力对整个系统的压力平衡有 着较大的影响。一旦出口管线阻力减小到推动力大于总 阻力时，此时再沸器又可以重新运转了。 56 推动力小于阻力时能否运转 上述情况表明再沸器系统在新的条件下建立了 新的平衡； 需要注意的是虽然此时再沸器可以维持较高的 出口气化率，但在新的平衡条件下再沸器的进 料量会减小，从再沸器上升的气体量也将减 小，导致再沸器无法提供需要的热负荷； 蒸馏塔的操作可能并无明显的变化，但蒸馏塔 塔顶和塔釜产品的分离纯度会降低，即无法达 到预期的分离要求。 29 57 推动力小于阻力时能否运转 一般来说，再沸器系统设计即使不够合 理，仍然是可以运转的，除非设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 极 其不合理或十分荒谬，很少会出现物料不 能循环的情况。 需要注意的是虽然可以运转，但此时的工 况和原来的预期可能不同，是否能够满足 分离要求就不能保证了。 58 推动力小于阻力时能否运转 另外一个结论： 蒸馏塔若无法达到分离要求，并不一定 是由于塔板数不够所产生的，完全可能是 因为再沸器系统设计不合理而造成的。故 蒸馏塔设计中的任何一个环节均十分重 要，万万不可掉以轻心。 30 59 推动力远超阻力时如何运转  再沸器的推动力若远超阻力，则物料会循环的 更快，即循环比会增加。也就是单位时间进入 再沸器的物料流量会加大；  因再沸器尺寸并无变化，流量加大会引起管路 阻力的增加以及再沸器出口气化率的降低，故 流量变大只能达到一定的程度；  再沸器传热面积不变，但因流速的增加会使传 热性能改善，故传热系数及热负荷会略有增 加，气化量也会所增加。时间足够长后，便会 建立起新的平衡。 60 第三部分 再沸器设计计算 31 61 再沸器设计计算  本节 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 并不拟介绍再沸器传热和阻力降严 格计算的公式，由于计算机计算的发展，当 前各种换热器计算大多采用商业化的软件， 已很少再用手算或简捷计算了。  故在此叙述的主要是与再沸器有关的各项关 键工艺参数的确定原则，以提供再沸器设计 时的参考。 62 再沸器设计计算  再沸器计算所需提供的关键工艺参数 确定再沸器出口物料的气化率 确定进入再沸器的物料量 确定再沸器冷热物料的沸腾温差ΔTb 32 63 再沸器设计计算－池沸腾  池沸腾传热  管内－热流体  管外－冷流体 ΔTb －沸腾温差 ΔT－总温差 ΔTt －沸腾温差 64 再沸器设计计算－池沸腾  池沸腾传热的温度分布如上图所示，设加热流体在 管内，它和内管壁污垢层之间存在流体边界层，其 温度差为ΔTt，管内污垢、金属管壁及管外污垢也 均有温度差，而外管壁沸腾液体边界层的温度差为 沸 腾 温 差 ΔTb 。 各 层 的 温 差 总 计 构 成 了 总 温 差 ΔT，也即冷热流体之间的温差。池沸腾的传热和 沸腾温差ΔTb直接相关，而ΔTb测量较为困难，通 常可以用总温差ΔT来近似。 33 65 再沸器设计计算－池沸腾  沸腾传热关 系曲线 图 沸腾传热关系曲线 66 再沸器设计计算－池沸腾  当沸腾温差很小时，无沸腾现象产生，呈自然对流传热状 态，热流强度随温差变化并不明显，如曲线开始的AB段；  到达B点时开始出现气泡，此时起随温差加大热流强度迅速 增加，物料沸腾变得十分剧烈，热流强度与沸腾温差的关系 呈指数形式上升；  在C点达到最大值，曲线的BC段称为泡核沸腾区；  从C点以后则变为膜状沸腾区，膜状沸腾的初始阶段传热管 表面有部分区域被蒸汽所覆盖，使传热表面与液体分开，随 传热温差的逐步增大，气体量愈来愈多，大量小气泡相互合 并，以至在管壁处形成一层稳定的蒸汽膜，此时热量传递需 要通过该蒸汽膜，由于蒸汽膜的传热速率很低，故热流强度 迅速下降。到达D点后形成了稳定的蒸汽膜，给热系数变化 趋缓。 34 67 再沸器设计计算－池沸腾  再沸器的操作应当在泡核沸腾区域，此时热 流强度最大，传热效果最好。  设计时热流强度上限不应超过C点的临界最大 热流强度；下限不应低于B点的热流强度。  在B点附近区域操作时，由于传热的不稳定， 会导致急剧的波动，故应当避免。该区域一 般发生在ΔTb＝5℃左右处；此外当沸腾温差很小，如小于3℃时，泡核发生的数量很少， 甚至没有，故必须避免沸腾温差小于3℃的情 况。 68 再沸器设计计算－池沸腾  临界最大热流强度可采用下式计算： 式中：Db－管束直径, m； L－管束长, m； A－管束面积, m2； Pc－临界压力, kg/cm2； Pr－对比压力, kg/cm2； 945.0368.0 max )1( 83.1 rrc b PPP A LDQ   35 69 再沸器设计计算－沸腾类型比较  两种沸腾类型的再沸器比较 70 再沸器设计计算－沸腾类型比较  加热介质温度170℃时，再沸器处于泡核沸腾 区域，传热系数较大,传热面积仅需58.5m2； 而当采用较高温度215℃的加热介质时，虽然 对数平均温差提高到73℃，是原来的2.6倍， 但由于是处在膜状沸腾的状态，传热系数减 小，需要的传热面积反而增大，达到88.6m2， 比原来的面积大50％以上。由此可见再沸器 设计中，保持传热温差在泡核沸腾区间内是 十分重要的。 36 71 再沸器设计计算  再沸器相关物料关系 (a) (b) 再沸器相关物料关系 72 再沸器设计计算 再沸器气化率及循环比  再沸器的气化率是指再沸器出口物料中气体 流量和入口物料流量之比值，如图所示，进 入再沸器的物料流量为W，再沸器出口气体 流 量 为 V ， 液 体 流 量 为 L ， 则 气 化 率 为 V/W；  通常再沸器的气化率控制在5％～35％之 间，低于5％，则因出口管线阻力降过大， 再沸器物料无法循环。若大于35％，则应当 采用釜式再沸器。 37 73 再沸器设计计算 再沸器气化率及循环比  再沸器的循环比系指再沸器出口液体流量和 气体流量之比，即L/V，循环量为L；  再沸器各股物料之间存在以下关系： 74 再沸器设计计算  再沸器气化率和循环比之间关系 设进入再沸器物料流量100kg/h，可得出下表 关系： 38 75 再沸器设计计算 实际上进入再沸器的物料流量并非如同严格计算所得的数值 LN-1，而是必须较该数值大一定的倍数。这是由于进入再沸器 的物料不可能完全气化，釜式再沸器的气化率约为80％～90％ 左右，热虹吸式再沸器的气化率只有10％～30％左右，故必须 有一部分物料，甚至是大部分物料在塔釜和再沸器之间循环。 76 再沸器设计计算  进入再沸器的物料流量为177.71t/h，然而该 流量仅仅是根据物料平衡得到的结果；  实际进入再沸器的物料量需根据气化率来确 定，若取再沸器出口气化率为13.78％，则再 沸器的进料量应当是1274.42t/h，此时再沸器 循环比为6.25。 39 77 再沸器设计计算  再沸器系统设计计算步骤 采用塔的严格逐板计算法，完成对蒸馏塔的 模拟； 确定再沸器出口的气化率，取塔模拟计算得 到的流入再沸器的液相流量与气化率相除， 得到进入再沸器的实际物料流量； 根据进入再沸器的实际物料流量、气化率以 及模拟计算所得到的再沸器热负荷或上升气 体流量，进行再沸器的严格计算；需调整再 沸器的几何尺寸，使计算结果符合气化率、 热负荷、允许压力降等参数； 78 再沸器设计计算  再沸器系统设计计算步骤 初定再沸器系统的管线尺寸，塔釜尺寸及再沸器安 装高度； 进行再沸器系统压力平衡计算，按照上述规定的模 块建立再沸器系统压力平衡计算 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 ； 压力平衡计算结果应使总推动力基本等于或略大于 总阻力。如相差较大，则需调整安装高度、管线直 径或再沸器相关几何尺寸，或者再沸器进料量和出 口气化率； 压力平衡计算完毕，求出再沸器的安装高度及其它 再沸器系统的所有相关参数。 40 79 Many thanks for attending