氣液直接接觸式大型氣體冷凝冷卻塔的工藝優(yōu)化設(shè)計

齊大偉，李澤龍，吳斌

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高聲速研究所，四川綿陽 621000）

某大型真空系統(tǒng)試驗過程中會產(chǎn)生大量的含有過飽水蒸氣的氣體，為降低建設(shè)成本、節(jié)約能耗，需要在短時間內(nèi)對這些氣體進行急冷降溫，將氣流中含的水蒸氣大部分冷凝析出，并以液態(tài)水形式排出系統(tǒng)。經(jīng)過反復(fù)論證和試驗分析，確定采用氣液直接接觸式冷凝冷卻塔方案，以達到理想的降溫、冷凝的目的。

由于沒有傳熱間壁，換熱面就是兩個介質(zhì)之間的接觸面積，氣液兩相通過氣泡、液滴分散的形式，使傳熱大為強化，填料型直接接觸換熱，傳熱傳質(zhì)同時進行，對傳熱更為有利。

1 設(shè)計要求

1.1 進氣氣體主要參數(shù)(見表1)

表1 試驗氣體參數(shù)表

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

冷卻水溫度：≤25℃；冷卻水總量：最大供水量2500m3/h；進出口壓力損失：≤1kPa；排出氣體溫度：≤30℃。

2 方案設(shè)計

本設(shè)備既是氣體冷卻過程也是水蒸氣冷凝過程，氣液之間同時發(fā)生熱量與質(zhì)量交換，傳熱與傳質(zhì)都是從氣相傳至液相（見圖1），單純用傳統(tǒng)的傳熱計算方法，目前還缺乏準(zhǔn)確的求取傳熱系數(shù)的理論方法。通常是采用成熟的流程模擬軟件計算出傳質(zhì)的理論級數(shù)，傳質(zhì)的同時實現(xiàn)換熱，鑒于空塔換熱最大只有兩個理論級數(shù)，因此增設(shè)填料段能實現(xiàn)理論級數(shù)的提高，保證換熱效果，而高效規(guī)整填料具有效率高壓降低的優(yōu)點，因此本設(shè)計方案采用高效規(guī)整填料塔型設(shè)備。

圖1 塔內(nèi)氣體與水之間的傳熱、傳質(zhì)關(guān)系

2.1 主要參數(shù)的確定

選擇最大工況條件（工況5）進行計算，氣體進口數(shù)據(jù)（見表2）考慮操作彈性為60%～110%。

表2 工況5 的氣體進口數(shù)據(jù)

2.2 傳熱理論級數(shù)與最小用水量

采用流程模擬軟件PRO/II 進行計算模擬，得出結(jié)果如表3 所示：可以看出水量2500m3/h 情況下，需要3 個理論級數(shù)。

表3 傳熱理論級數(shù)與最小用水量

2.3 不同塔徑泛點率與壓降的關(guān)系

對不同直徑與填料組合進行水力學(xué)計算，由表4 的結(jié)果可以看出：在操作條件下，塔徑7400mm 各項指標(biāo)相對合理。

表4 不同塔徑泛點率與壓降的關(guān)系

2.4 填料的優(yōu)化選擇

實際操作中，在填料層內(nèi)，由于傳質(zhì)傳熱的作用，使得氣體負(fù)荷沿塔高向上逐漸減小，液體負(fù)荷向下逐漸增加，按照各點泛點率等效原則，沿塔高方向填料的比表面積也應(yīng)逐漸變化，考慮到實際加工選擇了兩種不同的比表面積的規(guī)整填料，表5、表6 為最終的填料層水力學(xué)計算結(jié)果。

3 設(shè)備運行后的計算結(jié)果

3.1 換熱理論計算結(jié)果

按照實際進水量的計算得出的各種工況下的進出口溫度如下表7 可以看出：滿足設(shè)計要求。

表5 下層填料水力學(xué)結(jié)果

表6 上層填料水力學(xué)結(jié)果

表7 換熱理論計算結(jié)果

表8 全塔壓降表

表9 最小冷卻水量

3.2 全塔壓降計算結(jié)果（見表8）

位最大工況下全塔壓降，可以看出滿足實際要求。

3.3 最小冷卻水量

因為實際設(shè)計是以最大工況條件進行的，在其他工況條件下，運行參數(shù)會發(fā)生變化（見表9），給出了不同工況下的最小用水量。

4 結(jié)論

采用流程模擬軟件PRO/II 并通過中試試驗驗證確定了本次氣體冷凝器的主要結(jié)構(gòu)形式及尺寸，確定塔徑7400mm,采用組合型填料，具有壓降低、通量大、傳熱效率高的特點，理論計算結(jié)果滿足實際運行需要。