立式三層冷凝蒸發(fā)器的研發(fā)

蔣旭

（中空能源設(shè)備有限公司，浙江杭州310051）

立式三層冷凝蒸發(fā)器的研發(fā)

蔣旭

（中空能源設(shè)備有限公司，浙江杭州310051）

介紹了空分設(shè)備的冷凝蒸發(fā)器的工作原理及當(dāng)前應(yīng)用的三種形式，詳盡闡述了立式三層冷凝蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)及工作原理，研發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵所在，同時(shí)與其他形式對(duì)比，說(shuō)明其優(yōu)勢(shì)及研發(fā)的意義。隨著空分設(shè)備的大型化發(fā)展，冷凝蒸發(fā)器的換熱面積已經(jīng)成為制約因素之一，開(kāi)發(fā)立式三層冷凝蒸發(fā)器將助力我國(guó)氣體分離行業(yè)向6萬(wàn)m3/h等級(jí)以上特大型空分設(shè)備進(jìn)軍。

立式三層；冷凝蒸發(fā)器；研發(fā)；設(shè)計(jì)

1 前言

冷凝蒸發(fā)器是空氣分離成套裝置的核心設(shè)備，它主要是將來(lái)自下塔的壓力氮?dú)饫淠?，上塔的液氧蒸發(fā)，載體為鋁制板翅式換熱單元。

冷凝蒸發(fā)器內(nèi)的鋁制板式單元為連接上下塔的重要裝置，其換熱面積的大小，直接關(guān)系到換熱溫差的大小，當(dāng)主冷凝蒸發(fā)器的換熱面積小時(shí)，主冷凝蒸發(fā)器的運(yùn)行溫差大，下塔的工作壓力較高，致使空壓機(jī)排壓升高，運(yùn)行能耗增大；當(dāng)主冷凝蒸發(fā)器的換熱面積大時(shí)，下塔的工作壓力較低，致使空壓機(jī)排壓降低，運(yùn)行能耗減小。所以空分裝置中的冷凝蒸發(fā)器不僅影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還與裝置的氧、氮、氬等產(chǎn)品的能耗相關(guān)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

隨著空分設(shè)備規(guī)模的不斷增大，冷凝蒸發(fā)器的大型化也不可避免，冷凝蒸發(fā)器規(guī)格的大型化后，其技術(shù)難度也相應(yīng)增加。目前，國(guó)內(nèi)外的大型公司均投入大量的人力、物力來(lái)解決冷凝蒸發(fā)器的大型化設(shè)計(jì)問(wèn)題，并取得了不同的效果，但是，由于技術(shù)問(wèn)題過(guò)于復(fù)雜，冷凝蒸發(fā)器工作的可靠性難以得到滿(mǎn)意的解決。

由于空分裝置正常運(yùn)行時(shí)冷凝蒸發(fā)器位于上塔下部，下塔上部，其殼體要與上塔和下塔相連接，所以要求直徑上不能相差太大。

而冷凝蒸發(fā)器的殼體直徑?jīng)Q定所能容納板式單元的個(gè)數(shù)，由于受到換熱溫差的限制，板式單元的高度一般不能太高，否則會(huì)出現(xiàn)無(wú)效換熱面積，所以冷凝蒸發(fā)器換熱面積的增大只能通過(guò)增大殼體直徑或者增加個(gè)數(shù)及層數(shù)來(lái)解決。

從結(jié)構(gòu)形式上區(qū)分，冷凝蒸發(fā)器主要有立式單

層、立式雙層、臥式多列、降膜主冷等四種類(lèi)型。其中立式單層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)只板式排布?xì)んw內(nèi)，星型布置或者并列布置；立式雙層采用上下兩層，通過(guò)溢流管與升氣管連接上下兩層；臥式多列結(jié)構(gòu)工作容量大、但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在冷箱內(nèi)占據(jù)空間較大，配管難度較大，同時(shí)支撐只能設(shè)置在冷箱壁面，會(huì)使得運(yùn)行時(shí)其受到應(yīng)力較大。降膜主冷運(yùn)行溫差小，一般0.6～0.8 K，節(jié)省能耗不小，國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)發(fā)應(yīng)用，其在液體分配器及循環(huán)倍率的控制上難度較大，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解決。

在立式單層冷蒸發(fā)器內(nèi)，鋁制板式單元個(gè)數(shù)一般為1只、2只、4只或6只布置，星型主冷凝蒸發(fā)器的鋁制板式板式單元個(gè)數(shù)有3只和5只。多只板式單元的冷凝蒸發(fā)器其氮?dú)庖话阆扔煽偣芊至髦林Ч?，進(jìn)入板式單元液化后由支管匯集進(jìn)入總管，回流下塔。液氧自上塔進(jìn)入釜內(nèi)后，在板式單元內(nèi)汽化，受到重度差作用，不斷由下而上進(jìn)入板式單元，如此形成循環(huán)。單層主冷凝蒸發(fā)器受到其直徑的限制，一般只能滿(mǎn)足1.5萬(wàn)等級(jí)空分裝置的換熱面積要求。

立式雙層冷凝蒸發(fā)器采用上下兩層結(jié)構(gòu)，板式單元采用8只或12只布置，換熱面積較立式單層擴(kuò)大一倍，上下層之間設(shè)置液氧溢流管與氧氣升氣管，下塔的氮?dú)馀c液氮通過(guò)匯集管與支管分流到各板式單元，同時(shí)設(shè)置下部測(cè)滿(mǎn)管，頂部設(shè)置支撐架同上塔相連。

臥式多列為橫置多列的板式單元結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是解決了大型空分大換熱面積的要求，但是與上下塔相連接時(shí)管路較為復(fù)雜，且所占冷箱空間大，不緊湊。

我公司開(kāi)發(fā)的立式多層冷凝蒸發(fā)器采用多層化集成的理念，成倍擴(kuò)大了冷凝蒸發(fā)器的換熱面積，不僅滿(mǎn)足了空分裝置大型化后對(duì)板式單元換熱面積的需求，而且結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)化了塔的穩(wěn)定性，又解決了其工作容量的限制問(wèn)題，同時(shí)避免了臥式多列的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其缺點(diǎn)，因此具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)潛力。

3 主要研發(fā)內(nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵

通過(guò)將冷凝蒸發(fā)器多層化，利用立式三層冷凝蒸發(fā)器大換熱面積的優(yōu)勢(shì)以代替立式雙層冷凝蒸發(fā)器及臥式多列冷凝蒸發(fā)器。

3.1 立式三層冷凝蒸發(fā)器研制項(xiàng)目的主要研發(fā)內(nèi)容

（1）研究立式三層冷凝蒸發(fā)器多層結(jié)構(gòu)，使其緊湊合理。

（2）計(jì)算氣相及液相的匯集管，使之分配均勻，流速控制在合理范圍。

（3）計(jì)算每層之間氣相空間的高度，使得間隔有足夠的可靠性。

（4）對(duì)多層冷凝蒸發(fā)器的內(nèi)部制造廠內(nèi)安裝及檢驗(yàn)做出合理的工藝設(shè)計(jì)。

3.2 該類(lèi)項(xiàng)目的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

（1）應(yīng)用成熟軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)出口的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，最終確定準(zhǔn)確的分配管及匯集管直徑。

（2）應(yīng)用成熟軟件對(duì)內(nèi)部管路進(jìn)行合理安排，使得管路走向及應(yīng)力值在合理范圍。

（3）確保各層制造安裝逐層、逐步合格，使得多層化后制造工藝能實(shí)現(xiàn)。

4 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計(jì)

研發(fā)的目的是在冷凝蒸發(fā)器直徑一定的情況下，擴(kuò)大冷凝蒸發(fā)器的換熱面積，使得空分裝置的大型化乃至特大型化得以實(shí)現(xiàn)。

立式三層冷凝蒸發(fā)器的工作原理（見(jiàn)圖1）為：

（1）氮?dú)饫淠ぷ骰芈罚旱獨(dú)鈦?lái)自下塔，由于氮?dú)獾墓ぷ鲏毫Ω撸淠柡忘c(diǎn)高，液氧工作壓力低，蒸發(fā)飽和點(diǎn)低，得以使氮?dú)饫淠?，液氧蒸發(fā)。氮?dú)庾缘獨(dú)膺M(jìn)氣管分流至各氮?dú)庵Ч埽M(jìn)入1～3層板式冷凝為液氮，由各個(gè)支管匯集至液氮回流匯集管后進(jìn)入下塔。

（2）液氧蒸發(fā)工作回路：液氧來(lái)自上塔，由循環(huán)液氧泵將上塔（位于地面）底部的液氧加壓送入冷凝蒸發(fā)器上部，經(jīng)過(guò)閃蒸槽氣液分離后，液氧進(jìn)入第一層冷凝蒸發(fā)器，當(dāng)?shù)谝粚永淠舭l(fā)器液氧液位高于板式頂部時(shí)，通過(guò)液氧溢流管溢流至第二層冷凝蒸發(fā)器，氧氣自板式空間上部抽出至氧氣匯集管；第二層液氧液位至板式高度后，溢流至第三層冷凝蒸發(fā)器，氧氣頂部抽出至氧氣匯集管；氧氣自氣相頂部抽出至氧氣匯集管；在第三層主冷凝蒸發(fā)器，內(nèi)壓縮空分設(shè)備流程液氧自底部抽出，氧氣頂部抽出至氧氣匯集管；外壓縮流程氧氣部分抽出，其余進(jìn)入上塔，內(nèi)壓縮空分設(shè)備流程氧氣全部進(jìn)入上塔。

第三層冷凝蒸發(fā)器的液位與內(nèi)壓縮液氧泵系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖，使得冷凝蒸發(fā)器安全運(yùn)行。

釜式多層主冷凝蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)為組合板式結(jié)構(gòu)，對(duì)于6萬(wàn)～10萬(wàn)等級(jí)可采用立式三層結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足了空分設(shè)備特大型化冷凝蒸發(fā)器換熱面積的要求。同時(shí)降低了空壓機(jī)排壓，節(jié)省了能耗。如果換熱面積不足，可以擴(kuò)展到更多層。

圖1立式三層冷凝蒸發(fā)器

圖2立式三層整體板式結(jié)構(gòu)冷凝蒸發(fā)器

該冷凝蒸發(fā)器是立式整體板式結(jié)構(gòu)，液氧自液氧匯集管首先流入第一層的液氧釜，第一層的液氧釜滿(mǎn)后溢流入第二層，第二層滿(mǎn)后溢流入底部，其優(yōu)點(diǎn)是管路少，配管及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是每層直徑均需要有溢流間距（可以設(shè)置收集器），否則液氧不能全部溢流至下一層，同時(shí)要兼顧氣相上升空間，還需要有一定的液氧持液量，這樣致使整體板式的截面不能做太大，一般層數(shù)不能做到超過(guò)4層，否則部分層液氧不足會(huì)發(fā)生干蒸現(xiàn)象。

這種結(jié)構(gòu)的氮?dú)鈧?cè)阻力會(huì)增大2～3倍，一定程度上致使空壓機(jī)排壓升高，增加了能耗，這也是其不可避免的缺點(diǎn)。

圖3降膜主冷凝蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

該冷凝蒸發(fā)器是板翅式結(jié)構(gòu)，液氧自液氧槽首先流過(guò)液氧槽底部的小孔，然后流過(guò)水平橫置于液氧通道的打孔翅片，這種翅片能促進(jìn)液氧槽內(nèi)的液氧均勻分布到液氧通道中，從而達(dá)到液氧均勻分布的效果。

5 產(chǎn)品實(shí)例對(duì)比

為了直觀地了解實(shí)用新型產(chǎn)品的性能優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)

列舉一實(shí)例設(shè)計(jì)進(jìn)行性能對(duì)比。圖1是立式三層結(jié)構(gòu)，通過(guò)的多層化后，使其對(duì)空氣流量的處理流量增加數(shù)倍；當(dāng)前一套15000制氧設(shè)備用的冷凝蒸發(fā)器，其設(shè)備的直徑為4400 mm，6只板式；一套60000制氧設(shè)備用的雙層冷凝蒸發(fā)器，其設(shè)備的直徑為4400 mm，12只板式。

現(xiàn)將立式冷凝蒸發(fā)器的特性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 空分設(shè)備冷凝蒸發(fā)器應(yīng)用的三種結(jié)構(gòu)的參數(shù)對(duì)比

從表1可知，立式三層可以滿(mǎn)足配套的空分裝置要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于立式單層和立式雙層冷凝蒸發(fā)器，采用氧氣管外伸結(jié)構(gòu)，可以使得殼體內(nèi)的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，內(nèi)部安裝更為方便。獨(dú)特的液氧溢流管結(jié)構(gòu)，將會(huì)使得液氧自上而下流入下一層更為安全，同時(shí)第四層設(shè)置液氧液位與液氧泵系統(tǒng)聯(lián)鎖（內(nèi)壓縮空分設(shè)備流程同產(chǎn)品液氧泵系統(tǒng)聯(lián)鎖，外壓縮流程同循環(huán)液氧泵聯(lián)鎖），從而使得液氧液位不低于板式高度的80%，使得裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6 產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

隨著空分裝置的大型化及特大型化的進(jìn)程不斷推進(jìn)，6～12萬(wàn)等級(jí)的空分設(shè)備不斷問(wèn)世，傳統(tǒng)的單層冷凝蒸發(fā)器及立式雙層冷凝蒸發(fā)器由于直徑受限制使其換熱面積不能滿(mǎn)足要求，臥式多列主冷由于其配管及支撐問(wèn)題缺點(diǎn)較多使其不能推廣，由此開(kāi)發(fā)三層乃至四層冷凝蒸發(fā)器以滿(mǎn)足空分裝置大型化后冷凝蒸發(fā)器換熱面積無(wú)法滿(mǎn)足（溫差不能太大，否則能耗太高）的難題，研發(fā)多層主冷可解決6～12萬(wàn)等級(jí)的空分設(shè)備的冷凝蒸發(fā)器所需大換熱面積問(wèn)題。

7 研發(fā)意義

步入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)浮法玻璃、集成電子、冶金行業(yè)、石油化工及煤化工等行業(yè)的強(qiáng)勢(shì)崛起，使得我國(guó)氣體分離行業(yè)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新階段。特別是煤化工項(xiàng)目的集中發(fā)力，促使與其所配套的空分等級(jí)越來(lái)越大，一般均在6萬(wàn)等級(jí)以上，8～12萬(wàn)等級(jí)特大型空分裝置的市場(chǎng)需求頻頻出現(xiàn)，隨著設(shè)備性能及規(guī)格要求的不斷增加，主冷凝蒸發(fā)器已成為制約空分裝置特大型化的因素之一，而空分裝置的大型化發(fā)展已成必然趨勢(shì)。中空能源設(shè)備有限公司的技術(shù)隊(duì)伍是由行業(yè)內(nèi)的骨干人員組成，熟悉行業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)的最新動(dòng)態(tài)。這次立式多層冷凝蒸發(fā)器的研制，可以促進(jìn)公司的技術(shù)創(chuàng)新，加速公司科技進(jìn)步，確保公司在世界空分市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于高起點(diǎn)的領(lǐng)先地位，增強(qiáng)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

中空能源設(shè)備有限公司積極響應(yīng)國(guó)家建設(shè)節(jié)能環(huán)保型工業(yè)的號(hào)召，不斷創(chuàng)新實(shí)踐，積極自主研發(fā)，許多新技術(shù)都走在國(guó)內(nèi)乃至世界前列，此次立式三層冷凝蒸發(fā)器的問(wèn)世，將會(huì)解決6萬(wàn)等級(jí)以上空分設(shè)備主冷凝蒸發(fā)器換熱面積不足的難題，為我國(guó)乃至世界氣體分離行業(yè)的進(jìn)步做出了貢獻(xiàn)。

Research and Development of Vertical Three-layer Condensation Evaporator

JIANG Xu
(Zoko Energy Equipment CO.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 310051,China)

The working principle and current three application models of condensation evaporator for air separator are introduced.The structure,working principle and key points in research and development of the vertical three-layer condensation evaporator are described in detail,and at the same time the advantages and significance of research of the evaporator are presented through comparison with other models.With the large-scale development trend of air separation units,the heat exchange area of condensation evaporator has become a restraining factor,so the development of vertical three-layer condensation evaporator will upgrade domestic air separation sector to extra-large separators above 60 000 m3/h.

vertical three-layer;condensation evaporator;research and development; design

TB657.7

B

1006-6764(2014)05-0034-04

2013－11－25

蔣旭（1983－），男，2009年畢業(yè)于西安交通大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)，工程師，現(xiàn)從事大型空分設(shè)備的設(shè)計(jì)及研究工作。