釜式多層冷凝蒸發(fā)器的研發(fā)設(shè)計(jì)

蔣 旭

（中空能源設(shè)備有限公司，浙江杭州濱江濱盛路1509號(hào)1204 310051）

釜式多層冷凝蒸發(fā)器的研發(fā)設(shè)計(jì)

蔣 旭

（中空能源設(shè)備有限公司，浙江杭州濱江濱盛路1509號(hào)1204 310051）

簡(jiǎn)單介紹了空分設(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，詳盡闡述了釜式多層冷凝蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)及工作原理，研發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵所在。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)等級(jí)以上特大型空分設(shè)備進(jìn)軍。

釜式多層；冷凝蒸發(fā)器；研發(fā)；設(shè)計(jì)

冷凝蒸發(fā)器是空氣分離成套裝置的核心設(shè)備，它主要是將來自下塔的壓力氮?dú)饫淠纤囊貉跽舭l(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)。

1 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)外的大型公司均在投入大量的人力、物力來解決冷凝蒸發(fā)器的大型化設(shè)計(jì)問題，并取得了不同的效果，但是，由于技術(shù)問題過于復(fù)雜，冷凝蒸發(fā)器工作的可靠性難以得到滿意的解決。

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增大殼體直徑或者增加個(gè)數(shù)及層數(shù)來解決。

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、2、4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。多只單元的冷凝蒸發(fā)器其氮?dú)庖话阆扔煽偣芊至髦林Ч埽M(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)氣化，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。

2 主要研發(fā)內(nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵

通過將冷凝蒸發(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。

1.立式三層冷凝蒸發(fā)器研制項(xiàng)目的主要研發(fā)內(nèi)容如下：

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)。

2.該類項(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)。

3 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)器的工作原理為：

1.氮?dú)饫淠ぷ骰芈罚旱獨(dú)鈦碜韵滤捎诘獨(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貉跽舭l(fā)。氮?dú)庾?-氮?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2-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3-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5-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)可采用立式三層或者四層結(jié)構(gòu)，滿足了空分設(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 釜式多層冷凝蒸發(fā)器Fig.1 The kettle typemultilayer condenser evaporator

4 多種形式對(duì)比

圖1是立式三層結(jié)構(gòu)，通過多層化后，使其對(duì)空氣流量的處理能力增加數(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。

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Table 1 Air separation equipment condenser evaporator application of three kinds of structure parameters of contrast

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)果見表1。

從表1可知，立式三層可以滿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。

5 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足要求，臥式多列主冷由于其配管及支撐問題缺點(diǎn)較多使其不能推廣，由此開發(fā)三層乃至四層冷凝蒸發(fā)器以滿足

【】【】空分裝置大型化后冷凝蒸發(fā)器換熱面積無(wú)法滿足（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題。

6 研發(fā)意義

步入21世紀(jì)以來，我國(guó)浮法玻璃、集成電路、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。

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足要求，臥式多列主冷由于其配管及支撐問題缺點(diǎn)較多使其不能推廣，由此開發(fā)三層乃至四層冷凝蒸發(fā)器以滿足空分裝置大型化后冷凝蒸發(fā)器換熱面積無(wú)法滿足（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題。

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，此次釜式多層冷凝蒸發(fā)器的問世，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)。

The Research And Development of M ultilayer Condenser Evaporator Kettle Type

JIANG Xu
（ZOKO Energy Equipment Co.，Ltd.，1204 of No1509 Binsheng Road，Binjiang district，Hangzhou 310051，China）

This article simply introduces the working principle of condensation of air separation units，evaporator and the current application of three kinds of form，detailed elaborated the kettle typemultilayer structure and working principle of condenser evaporator，the key to research and development technology.With the large-scale development of air separation equipment，condensation heat transfer of evaporator area has become one of the constraints，the development of vertical three layer condenser evaporatorwill help our industry tomore than 60000 level oversize gas separation air separation equipment.

the kettle type layers；condenser evaporator；research and development；design

TB657.5

A

1007-7804（2014）03-0021-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2014.03.006

2013-12-21

蔣 旭，男，工程師，畢業(yè)于西安交通大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)任職于中空能源設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)期從事大型空分設(shè)備的設(shè)計(jì)及研究。