Reboiler Selection Essentials - Process Phase

在所有的分馏装置中，重沸器是不可或缺的部件。它们几乎在每个石化和炼油厂中都能见到。重沸器的主要功能是蒸发工作流体，并将其重新输送回工艺循环。重沸器的制造有多种配置，例如热虹吸式和水锅式，实际上它们是具有各种外壳结构的管式换热器。其热源通常是蒸汽或其他热工艺流体，以实现热能的有效集成。重沸器主要用于分馏塔的底部。由于它们处于关键的操作条件，选择适合每种特定应用的重沸器类型显得尤为重要。在本文中，我们将回顾重沸器的一些基本规则，并为石油和天然气行业的过程工程师提供重沸器选择的指导。

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热虹吸式重沸器是选择重沸器时的首选。由于它们经济实惠且在工业中广泛应用，我们将主要关注这种类型的重沸器。这些重沸器是壳管式重沸器，可设计为垂直或水平配置。这些重沸器的蒸发速率不如水锅型高。因而，其最大出口流的蒸汽质量通常低于25%。在所有重沸器中，特定类型的重沸器（尤其是垂直型）具有最高的热传递率。

它们可用于一次通过和循环布置。在一次通过的安排中，来自最底层托盘的下流液体首先进入重沸器，然后未蒸发的部分被收集在塔的集液槽中。因此，底部塔的产品是在部分蒸发后获得的。在这种情况下，重沸器充当一个理论阶段。然而，在循环布置中，整体下流液体首先进入塔的集液槽，然后底部产品在进入重沸器之前离开塔。作为经验法则，如果塔的回流速率较低，则应使用一次通过的安排。相反，如果蒸发速率（返回塔的蒸汽）足够高（例如，超过底部产品的40%），则建议使用循环布置。

重沸器是特殊的热交换器，用于产生蒸汽以驱动分馏分离过程。 在传统的分馏工艺中，所有用于驱动分离的蒸汽来自重沸器。（替代地，也可以使用外部产生的蒸汽、原料预热或内部重沸器系统）。重沸器的正常操作对于有效的分馏至关重要。它们是专门用于向分馏塔提供蒸汽流的热交换器。在任何分配塔中，重沸器都是基本部分，对于正确的分馏过程至关重要。

重沸器的定义

重沸器是一种在分馏或其他化学工艺中使用的热交换器，目的是将液体混合物分离为其单独成分。重沸器为分馏塔的底部提供热量，在那里液体混合物被加热至沸腾，蒸汽向上升起，被冷凝并收集。

重沸器通常位于分馏塔底部，用于重新蒸发已冷凝的液体。重沸器所提供的热量使液体蒸发并再次上升至塔内，以便与混合物中的其他组分分离。

'重沸器'这个术语来源于它用于重新蒸发已在分馏塔底部冷凝的液体。在分馏过程中，液体混合物被加热至其沸点，使其蒸发并上升到塔顶部。随着蒸气的上升，它在塔顶部冷却并冷凝，形成集液，并在塔底的托盘或槽中收集。

然后，重沸器被用来重新加热这部分液体，使其再次蒸发并上升到塔中以进一步分离。本质上，重沸器的功能是重新蒸发在分馏过程中已经沸腾过的液体，因此得名。

重沸器的类型

重沸器的分类取决于其方向和使用的循环方式。

根据重沸器的方向分为两种类型：

• 垂直重沸器
• 水平重沸器

垂直与水平重沸器的比较

垂直与水平重沸器之间的主要区别在于其方向、尺寸和热传递特性。

垂直重沸器设计为垂直方向，热传递表面通常以管或束的形式在重沸器内垂直排列。待加热的液体通常通过管道循环，而热源则位于重沸器底部。

相对而言，水平重沸器则是以水平方向设计，热传递面以管或束的形式水平排列。需要加热的液体通常通过这些管道循环，而热源位于重沸器的一个端部。

选择使用哪个类型的重沸器取决于多个因素，包括具体应用、可用空间以及所需的热传递级别。通常情况下，当可用的水平空间有限时，优先选择垂直重沸器，因为它们所需的地面空间少。反之，如果垂直空间有限，则优先选择水平重沸器，因为其所需的头部空间较小。

在热传递特性方面，垂直重沸器通常更适合需要高热传递率的工艺，而水平重沸器则更适合需要较温和热传递的工艺。

最终选择使用哪种类型的重沸器取决于具体的工艺要求，两者各有优缺点。

再者，根据循环类型，以下五种重沸器在广泛应用中得到了认可：

• 火炉重沸器
• 强制循环重沸器
• 水锅式重沸器
• 热虹吸式重沸器
• 内部重沸器

火炉重沸器

火炉重沸器是一种直接燃烧重沸器，主要用于为分馏塔底部的液体混合物提供热量。燃烧器通常由天然气或燃油供热，热量通过热交换器传递给液体混合物，例如管束或板式线圈。

火炉重沸器通常用于需要高热输入速率的分馏工艺，例如石化和化工行业。与蒸汽或电加热重沸器等其他类型的重沸器相比，它们通常更高效，因为它们能够提供更高的热流量和更快的加热速率。

火炉重沸器可以设计为垂直或水平装置，并可以根据特定流程的需求配置成不同的尺寸和容量。此外，它们还可以配备先进的控制和安全特性，例如火焰监测系统，以确保安全高效的运行。

然而，使用火炉重沸器的一个缺点是，它们需要持续的燃料供应，这可能会昂贵且潜在危险。还需要定期维护，以确保燃烧器和热交换器的良好运作。

强制循环重沸器

强制循环重沸器是一种使用泵在热交换表面上循环液体混合物的重沸器，通常通过管束或板式线圈进行热交换。液体通过气体热源（如蒸汽或热油）加热，然后返回分馏塔底部。

强制循环重沸器的泵通常是离心泵，为克服热交换表面的压降并保持液体流速提供必要的压力。

强制循环重沸器常用于需要高热传递率和高效分离的分馏过程，特别是在污垢或结垢问题突出的工艺中。它们还通常用于需要精确温度控制的工艺，因为可以通过泵轻松调节液体的流速。

使用强制循环重沸器的一大优点是提供高热转移效率，因为液体不断循环通过热交换表面。这可以导致更高效的分馏及更高质量的产品。

另一个优点是可以根据特定工艺的需求轻松扩展或缩小强制循环重沸器。泵与热交换器可以根据流量与热交换要求的需要进行相应的规模设计，可以通过使用多个装置并联来增加生产能力。

然而，强制循环重沸器的缺点是相较于其他类型的重沸器安装与维护更加复杂且成本较高。其还需要蒸汽或热油等加热介质，这可能增加分馏过程的整体运营成本。

水锅式重沸器

水锅式重沸器是一种作为重沸器用于分馏过程的壳管式热交换器。水锅式重沸器是一个垂直圆柱形容器，直接安装在分馏塔顶部。该容器内含有一束管道，悬挂在容器顶部并延伸至底部，与分馏塔相连。管束通过热介质（如蒸汽或热油）加热，在管束的加热下，待蒸发的液体也被加热。

水锅式重沸器通常用于需要高热传递效率的分馏过程，因为它们能够通过其大型热交换面积提供高程度的热传递效率。它们也常用于凝结或结垢问题处置时，因为管束可以轻松移除进行清洁与维护。

使用水锅式重沸器的一大优点是其能够处理各种液流速率和组成，使得它适用于多种分馏过程。此外，它的安装和维护相对简单，因为可以直接安装在分馏塔顶部。

然而，使用水锅式重沸器的缺点在于其操作成本可能比其他类型的重沸器更高，因为需要大量热介质以维持所需的热传递速率。同时，相较于强制循环重沸器，水锅型在热传递效率上可能稍显不足。

热虹吸式重沸器

热虹吸式重沸器是一种自然循环重沸器，利用液体自身的自然流动为分馏过程提供热量。在热虹吸式重沸器中，待蒸发的液体由位于重沸器底部的热交换表面（通常是管束或板式线圈）加热。加热的液体因与顶部较冷液体之间的密度差而向上流动，形成自然循环回路。

热虹吸式重沸器常用于需要中到高热传递率的分馏过程，因为它们可以通过较大热传递表面积提供高热传递效率。在需要低维护且易于操作的过程中也常被使用，因为它们不需要外部动力源或运动部件。

使用热虹吸式重沸器的一个优点是它是一种简单且可靠的提供热源的方式。它可以在没有外部动力源的情况下操作，因此不容易出现故障和维护问题。

然而，使用热虹吸式重沸器的一个缺点是其在热传递方面的效率可能低于强制循环重沸器。并且它对液体流量和组成的变化更敏感，这可能会影响自然循环回路及其效率。

内部重沸器

内部重沸器是一种重沸器，安装在分馏塔内部，而不是在外部安装。在内部重沸器中，热介质（通常是蒸汽或热油）通过一组线圈或管束循环，这些线圈或管束位于塔内部。待蒸发的液体通过线圈或管束加热，从而生成的蒸汽上升通过塔，并在那里被冷凝并收集作为馏分。

内部重沸器通常用于需要高度热效率和紧凑设计的分馏过程，因为它们在相对小的空间内提供大量的热传递表面积。它们也常用于要求高纯度产品的加工中，因为它们可以最大限度地减少随着蒸汽带走的杂质数量。

使用内部重沸器的一大优点是在塔内部提供的高热传递效率，因为热交换表面直接位于生成蒸汽的塔内。这也可能导致分馏塔的尺寸和成本的降低，因为不再需要单独的重沸器容器。

然而，内部重沸器的一个缺点是安装和维护可能比其他类型的重沸器更加困难，因为需要进入分馏塔内部。它也可能更容易发生污垢或结垢，从而降低其有效性，并要求更频繁的清洁或维护。内部重沸器也被称为 Stab-in bundle reboiler。

影响重沸器类型选择的因素

为特定服务选择适当的重沸器类型是设计中最复杂的工作。重沸器通常是壳管式换热器，通过蒸汽的热量加热分馏塔的流体。特定服务可能使用其他专门设计的设备，包括 Stab-in、板翅、螺旋板等。此处的目的不是详细探讨每种特定类型的设计，而是检视有利于某一配置的选择标准。由于壳管式重沸器非常常见，讨论主要集中于此，但也涉及到有利于其他设计的因素。

影响重沸器类型选择的因素有很多。最终，这些因素都与经济有关。每个工厂会在这些因素之间权衡，因此没有一种适合所有选择的情况。几个主要因素包括：

• 可用的场地空间
• 所需的总热负荷
• 塔液体流量的蒸发比例
• 污垢倾向
• 可用的温度接近值
• 所需的温度接近值
• 流体的腐蚀性
• 设计的温度和压力
• 重沸器沸腾流体的特性
• 加热介质的要求

重沸器结构配置

以上提到的所有因素都影响重沸器的理想配置。主要的配置选择包括：

• 强制重沸器与自然循环重沸器
• 管侧与壳侧重沸器内的蒸发
• 一次通过与工艺循环重沸器
• 单壳与多壳系统
• 垂直与水平重沸器
• 嵌入式束
• 其他类型

重沸器类型选择表

表1包括在选择重沸器类型时的主要因素。

低底部产品份额相比于蒸发

循环式
水锅式

一次通过

高底部产品份额相比于蒸发

一次通过重沸器

循环式

低相对挥发性系统

循环式

高相对挥发性系统

一次通过

循环式

大型换热器或高负荷要求

水平重沸器

垂直重沸器

小型换热器

垂直
Stab-in

泄漏是危险或难以处理的

Stab-in

特殊材料

Stab-in

紧温度接近值

螺旋板
板翅

壳管式

存在固体

水锅式
螺旋板

板翅

热不稳定产品

循环式（无挡板）

水锅式
一次通过

紧凑的布置计划

垂直

水平

宽敞的布置计划

水平

高温

火炉加热器

高热流量

强制循环
洪水束

自然循环

除了此处展示的系统外，还可能存在其他选项。当然，每个重沸器系统的最终选择将取决于涉及的具体设计细节。许多重沸器系统具有特定特性， favor designs that might not be immediately apparent.

使用重沸器的好处

在分馏过程中使用重沸器的优点包括：

• 提高分离效率：通过在分馏塔底为液体混合物提供热量，重沸器促进液体蒸发，从而提高分离过程的效率。
• 改善产品质量：重沸器有助于分离液体混合物的杂质和不需要的组成，提高最终产品的质量。
• 提高生产能力：重沸器可以通过促进更快速、更高效的分离，提高分馏过程的生产能力。
• 降低能源消耗：使用重沸器可以减少操作分馏过程所需的能量，因为它有助于更快速、更高效的分离。
• 增强工艺控制：重沸器可设计成具备先进的控制系统，以调节热输入并优化分馏过程，从而提高整体过程控制和效率。

总的来说，在分馏过程中使用重沸器可以在分离效率、产品质量、生产能力、能源消耗和过程控制方面提供显著优势。

重沸器与蒸发器的比较

重沸器与蒸发器都是用于不同类型工艺的热交换器。虽然它们在某些方面相似，但两者之间仍然存在一些关键区别。

重沸器与蒸发器之间的主要区别在于它们使用的目的。重沸器用于在分馏过程中将液体混合物分离为其单独组成部分，而蒸发器则用于通过蒸发去除溶剂以浓缩溶液。

这两者的使用位置也不同。重沸器通常位于分馏塔底部，为液体混合物的分离提供热量，而蒸发器通常是独立设备，用于浓缩溶液。

重沸器和蒸发器的设计也各不相同。重沸器旨在以受控速率为液体混合物提供热量，可能具有内部挡板以促进混合和热传递。蒸发器则旨在促进溶剂的蒸发，并可能具有多个阶段以提高浓缩与效率。

总之，虽然重沸器与蒸发器都是用于向液体传递热量的热交换器，但主要区别在于它们的目的、在工艺中所处的位置以及设计特征。

锅炉与重沸器的比较

锅炉和重沸器都是用于不同应用的热交换器。两者之间的主要区别如下：

• 目的：锅炉用于生成蒸汽或热水以供加热或发电，而重沸器则用于为分馏塔提供热量以分离液体。
• 设计：锅炉通常是一个大型容器，内部有加热源，例如燃烧器或核反应堆，以及热交换器，用于将热量传递给水或蒸汽。相比之下，重沸器是较小的容器或热交换器，通常直接安装在分馏塔上，为塔内液体提供热量。
• 流体：锅炉被设计用于加热水或其他流体至高温和高压，以生成蒸汽或热水，而重沸器则用于将液体（例如分馏塔内的液体混合物）加热至其沸点，从而生成蒸汽。
• 操作：锅炉通过将水或其他流体加热至高温和高压来运行，而重沸器通过加热液体至沸点来运行，让蒸汽在分馏塔内上升并分离成不同成分。

虽然锅炉和重沸器都属于热交换器，但它们是为不同目的和应用而设计的。锅炉用于生成蒸汽或热水以供加热或发电，而重沸器则用于为分馏塔提供热量以分离液体。

结论

在复杂的工业流程中，重沸器作为默默无闻的工作马，勤勤恳恳地提供分馏和分离操作所需的热量。它们多样化的设计满足了不同应用需求，确保了混合物高效分离成有价值的成分。随着工业不断发展对更高效率的需求，重沸器无疑将继续成为推动创新和可持续生产的关键组成部分。

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