立式热虹吸换热器HTFS设计

摘 要：介绍了立式热虹吸换热器的工作机理，阐述了使用HFTS设计立式热虹吸换热器的方法步骤。

关键词：立式热虹吸换热器 HFTS

一、概述

热虹吸换热器分为卧式和立式两种，由于它的传热系数大，安装方便，在石油化工、医药行业、化工行业使用得比较广泛。热虹吸作用的产生主要是由于塔釜内的静压头与再沸器内的两相流的摩擦压降和静压头总和的差产生的推动力的结果。

立式热虹吸换热器属于垂直管内的蒸发：立式热虹吸式再沸器的传热管是垂直的加热管，液体由底部进入，经加热沸腾由管的上部返回塔内。在垂直管内被加热液体沸腾的过程参看图 1。由图 1 看出被加热液体在管内经历了五个阶段：液体预热阶段、过冷泡核沸腾、饱和泡核沸腾、液环状液膜运动传热、雾滴状。实际上雾滴状的流动也叫干烧区。从传热角度来说两个泡核沸腾的传热速率为最大。为了避免干烧区在立式热虹吸式再沸器中出现，就必须加大液体的循环比。

立式热虹吸换热器的优点：

1）设备被直接安装在塔旁由于管线系统简单，故设备造价低。

2）换热率很大，不易结垢，占地面积小；

3）可用于真空和低压系统；

立式热虹吸换热器的缺点：

1）为获得好的循环，可能需要比较高的塔裙高度，参看图 2；

2）管长通常受塔裙高度、传热面积的限制；

3）维修和清洗困难；

4）不能用于有过流量和突然脉动可能的系统；

当沸点有较高的提升时会使蒸汽的发生率较低。

二、HTFS设计

2.1、准备物性数据

选择HFTS设计型设计再沸器， 壳侧为热流体， 从HFTS数据库中选取加热介质。管侧为冷流体， 由于绝大多数情况下塔釜的物料组成为混合物， 从数据库中难以选择合适的物质作为工艺介质，可利用ASPEN 程序选择合适的状态方程模拟得到该混合物的物性参数外，最可靠的方法还是要通过文献或专利商的工艺包文件获得。

2.2、换热器模型的定义

模型定义就是输入换热器的工艺条件，包括定冷、热流股的相态变化和所进入的通道（进入壳侧还是管侧），以及流股的量、温度和操作压力等参数。

在“Problem Definition-Application Options”中选择冷、热流股的相态变化，同时将热流股设置壳侧进入；“Vaporizer type”选择“Themosiphon”

在“Problem Definition-Process Data”中设置流股的量、温度和操作压力。在冷侧气化率正常的范围在5% ～ 35%， 真空工况最高可以达到50%。

2.3、输入物性数据

将前期准备的物性数据在“Physical Property Data-Cold Side Composition”中直接输入；对于运行Aspen Plus模拟得到的物性参数，系统会自动生产*.APPDF文件，可在“Physical Property Data-Property Options”页中调入此文件，即可获得有关物性数据。

2.4、输入几何尺寸和设计数据

HFTS默认的设计中很多几何尺寸不符合国内设备的制造标准，需要在设计前进行调整，主要有以下几方面：

1）换热管口径和间距

HFTS中对换热管尺寸的选择默认为ANSI标准，为了使设计的换热器适合国内制造，需要在“Exchanger Geometry-tubes”页中对换热管外径、壁厚和间距进行设置。热虹吸换热管常用尺寸：φ25X2.5、φ32X2.5、φ57X2.5等

2）换热管长度

热虹吸换热器的安装高度和空间的限制，一般换热管长度不能太长，一般选择2米、2.5米、3米、4米；在选取管长时还要结合壳径的尺寸，一般管长和壳径之比为4～6。管长数据可在“Design Data-Design Constraints Shell/Bundle”页中设置。

3）设计余量的确定

在设计热虹吸换热器中，根据以往的设计经验保留设计余量在20%～30%，这样能够充分保障热虹吸换热器的经济实用。

2.5、计算结果的检查和模型调试

信息输入完全后可运行设计，设计结束后系统将生产设计结果和一系列信息汇总。工艺数据与系统默认的设计有时产生冲突，这时系统将提示警告信息，需要根据实际应用经验进行换热器结构的调整。经常出现的警告信息为换热器产生振动，通常采用管束加固、管口增加防冲设施和调整挡板间距等措施。

模型补充完善后，再次运行设计并检查结果，直到没有警告信息。

3、结语

热虹吸式换热器虽然可以通过软件设计，简化了设计难度，但是在采用HFTS设计过程中，要充分考虑装置的物料的特性和国内设备的制造规范，保证换热器能够满足工艺需求，同时能够满足制造的要求。

参考文献

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