臥式粗氬冷凝器在特大型空氣分離設備中的應用

2021-07-12 03:20:02蘭小青

低溫與特氣 2021年3期

夏軍，蘭小青，胡煒

(杭州制氧機集團股份有限公司設計院，浙江杭州 310000)

1 前言

近十年來，中國空分事業發展迅猛，已經成功實現了十萬等級空分的國產化，并向十萬以上等級空分的研發和生產邁出了堅定的步伐[1]。空分突破了十萬等級這道門檻后，面對的不單單是空分單體設備的簡單放大和數字上的提升，而是從流程計算、工藝設計和單元設計到設備制造、運輸、安裝以及空分運行、維護、安全等一系列的突破創新的挑戰。并且，隨著國內稀有氣體市場的興起，市場對空分提出了氪、氙、氖、氦、高純氧氮以及超純氧氮的需求，使特大型空分的研發進入了一個新的高度。隨著空分等級的提升，粗氬冷凝器也需要越來越大的換熱面積，這將會給設備制造、運輸、安裝帶來一系列的問題。

2 應用現狀

某公司基于以上市場的需求設計了一套特大型空分設備。該套空分的產品除了常規的氧、氮、氬外，還有氖、氦、氪、氙四種稀有氣體，并且還要求將另外一套7萬等級不帶氬空分的粗氬氣同時進行氬產品提取。因此，該套9萬等級空分的氬系統氬提取能力需等同于15萬等級空分的氬提取系統，粗氬冷凝器的熱負荷遠大于常規空分設備，液空側最大換熱面積巨大，所以粗氬冷凝器的設計、制造、運輸、安裝和安全運行面臨諸多挑戰。

3 應用情況

3.1 運輸和現場制造問題

若粗氬冷凝器采用常規單層立式結構設計，則單元尺寸約為Φ5400 mm×6700 mm。該設計方案將面臨兩個工程問題：

1.運輸尺寸限制問題：粗氬冷凝器采用常規公路運輸，制造地與安裝現場的公路運輸條件中，容器運輸直徑尺寸上限為Φ4800 mm。常規結構設計的粗氬容器直徑為Φ5400 mm，已超過公路運輸尺寸上限，不滿足公路運輸條件，運輸成本超出可承受范圍。

2.現場制造質量控制問題：當容器運輸超限時，工程上通常會考慮采用現場制造的方式來解決問題，但鋁制粗氬冷凝器的現場制造需滿足或具備以下條件：

1)現場制造需滿足JB/T 4734《鋁制焊接壓力容器》第10.2.1.1條要求：制造鋁容器的場地應保持清潔，并鋪設橡膠或其他軟材質材料，以免碰傷、擦傷鋁表面。露天制作時應有防風、雨、雪及冬天防凍的設施。

2)鋁制容器生產常用機具：滾輪架、足夠噸位的吊機、常規焊機及半自動或全自動鋁焊機等。

3)符合要求的制造及監管人員。鋁制容器的生產制造對環境要求較高，一般現場均不具備獨立、整潔的制造車間條件。另外現場制造對工裝機具的調用成本較高，現場制造質量監管不及工廠內制造。

綜上所述，考慮到制造質量和制造成本等綜合因素，在有其他選擇的情況下，不宜采用現場制造方案。

3.2 工藝流程和運行操作問題

在滿足廠內制造和常規公路運輸的前提下，粗氬冷凝器可采用立式雙層和臥式兩種形式。

1.立式雙層粗氬冷凝器的特點：

1)粗氬冷凝器尺寸約為Φ4836 mm×8728 mm，上層液空入口較高。

2)粗氬冷凝器上下層液空采用單獨進液和單獨回流的形式，上下層設置單獨液位計進行液位控制。導致運行時粗氬冷凝器的操作難度增加，并且上下層液空組分存在差異。

3)進出物料管口較少，配管相對簡單。

4)粗氬冷凝器與粗氬塔通過焊接復合，結構簡單，安裝方便。

2.臥式粗氬冷凝器的特點：

1)粗氬冷凝器尺寸約為Φ4650 mm×7000 mm，液空入口較低。

2)粗氬冷凝器只有單層液位，運行時操作較為簡單，液空組分均勻單一。

3)進出管口物料較多，配管相對復雜。

4)粗氬冷凝器與粗氬塔無法直接焊接復合。

同負荷條件下的臥式粗氬冷凝器與立式雙層粗氬冷凝器相比較，臥式粗氬冷凝器的體積更小更緊湊，操作更簡單更方便，液空入口更低，組分均勻單一，使其在冷箱布置和流程應用上更靈活，適用范圍更廣泛。

該空分的氪氙產品便是從粗氬冷凝器的液空中提取，因此，運行時需嚴格控制液空組分，以達到提高氪氙產品產量的目的。因此，臥式粗氬冷凝器更能符合工藝設計的要求。

3.3 臥式粗氬冷凝器的復合和支撐問題

立式粗氬冷凝器常采用焊接方式將粗氬冷凝器與粗氬塔復合在一起，不需要另外設置支撐。上述焊接復合形式不適用于臥式粗氬冷凝器與粗氬塔的復合，因此臥式粗氬冷凝器需考慮設置支撐。

根據以往經驗，并參考臥式主冷的支撐模式，可考慮采用橫梁支撐或立式支座支撐。粗氬冷凝器的布置標高一般在55～60 m，遠高于臥式主冷的25～30 m。因此，粗氬冷凝器所處位置的管道存在較大的垂直冷縮變形，數值在220～240 mm。如果設置單獨的固定支架，粗氬冷凝器不能與粗氬塔同步冷縮，則在管道設計時，需設置大量的冷縮補償結構，導致配管復雜化，同時成本增加，管路沿程阻力損失增大，不利于安裝和長期運行。

相對于臥式主冷而言，臥式粗氬冷凝器長度較短，重量較小，存在將粗氬冷凝器直接布置在粗氬塔頂端的可能性。通過結構強度計算和多方案對比，最后采用螺栓連接的方式，將粗氬冷凝器復合在粗氬塔頂端。圖1是粗氬冷凝器與粗氬塔復合示意圖。