5 000 kg/h丙烷水浴式氣化器的優化設計

陸麗姣，王貝貝，余鐵浩 (杭州杭氧低溫容器有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

常態的丙烷是氣態化學品，而在催化裂化裝置生產出丙烷呈液態。經脫硫化氫、脫硫醇后丙烷由氣分裝置分離生成。在工業生產中丙烷主要用于金屬零件淬火、滲碳的保護氣、與丁烷混合作霧化劑，脫瀝青溶劑及高熱值燃料。丙烷作為易燃氣體，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險。其與氧化劑接觸猛烈反應，氣體比空氣重，能在較低處擴散到相當遠的地方，遇火源會著火回燃。丙烷屬無色無味有毒氣體，易燃易爆，毒性程度為“輕度危害”，屬于“爆炸危險介質”，能與空氣形成爆炸性混合物。在設計和操作氣化器時，應掌握其特性，才能更好地設置安全措施。

丙烷水浴式氣化器是把液態丙烷通過氣化器氣化成氣體的過程。氣化器主要有空浴式氣化器和水浴式氣化器兩種。空浴式氣化器一般為鋁合金或不銹鋼材質型材管，利用周圍大氣作為熱源，通過大氣的自然對流與管內低溫液體進行換熱，換熱效率低，且受環境溫度影響，運行不穩定[1]。水浴式氣化器是通過殼程熱水與管程低溫液體進行換熱，再配備循環水泵，實現強制對流，強化換熱效果，因此換熱效率高。由于丙烷的熱值高，溫差區間小，若采用空浴式氣化器所需的體積大，而采用水浴式氣化器占地小，同時也節省成本。

1 5 000 kg/h丙烷水浴式氣化器的設計

1.1 換熱計算

丙烷水浴式氣化器設計，首先根據物性參數對換熱過程進行計算，計算出所需要的蒸汽耗量以及換熱面積。

已知殼程的物性參數：熱水標態下質量密度ρNo=1 000 kg/m3，熱水進口溫度Tio=60 ℃，熱水出口溫度Tio=60 ℃，蒸汽壓力Pis=1.0～1.2 MPa(g)，蒸汽溫度TS=250 ℃，查出蒸汽潛熱r=2 620.3 kJ/kg。

已知管程的物性參數：丙烷標態下質量密度ρNi=1.83 kg/m3，質量流量Msi=50 000 kg/h，得出標態下體積流量Vi=Msi/ρNi=27 322.4 m3/h；液體丙烷壓力Pi=1.0 MPa(g)，進口溫度Tii=20/293 ℃/K，算出進口熱流Hii=-32 759 850.0 kcal/h，出口溫度Toi=40/313 ℃/K，算出出口熱流Hoi=-118 211 858.9 kJ/h。

首先計算的是5 000 kg/h液體丙烷換熱所需要的總的熱負荷：Q=Hoi-Hii=18 916 015.1 kJ/h，再根據總熱負荷，計算出所需蒸汽耗量QS=Q×1.1/r=7 953 kg/h。此處為了補償運行中的熱損耗，所需蒸汽耗量放了10%的余量。

最后根據溫差計算出氣化器所需要的換熱面積，換熱管數量。熱端溫差△t1=Too-Tii=40 K，冷端溫差△t2=Tio-Toi=20 K，平均溫度△tm=(△t1-△t2)/(ln△t1-ln△t2)=28.853 K，換熱面積S=Q/(K×△tm)=284 m2，其中傳熱系數K取經驗取值1 883.6～2 302 kJ/(m2·h·K)。此氣化器換熱管規格選用φ25×2 mm，每個繞管長度取l=22 m，計算出換熱管總長度L=S/(πd0)=3 616 m，所需換熱管數量為N=L/l=164根。

1.2 產品結構

丙烷氣化器結構如圖1所示。由圓柱形水箱、繞管式換熱芯、進液和出氣管道、蒸汽噴射管、水泵循環管路、溢流管、溫度控制接點、液位控制接點以及安全泄放口等零件組成。設備主要零部件均以不銹鋼制造，以保證氣化器在低溫下正工作。

圖1 丙烷水浴式氣化器設備簡圖

1.3 工作原理

首先圓柱形水箱中充滿低氯離子水(＜5×10-6)，低氯離子水經蒸汽管噴射蒸汽而不斷升溫。水箱中的熱水由水泵從水箱下方抽取，經水泵送到水箱上部返入水箱，形成閉路循環。同時，水箱中的熱水以一定速度從繞管管束的間隙流過，并與繞管內的低溫液體進行換熱。然后丙烷液體由進液口進入，流經環形下環管，經數個盤管接頭分流進入繞管式換熱芯，換熱管內丙烷液體與管外熱水進行熱交換。丙烷液體由此獲得熱量，不斷蒸發，經繞管接頭匯集進入環形上環管，并通過頂部出氣管以氣體狀態輸出。從熱力學原理解釋就是，熱量由水蒸汽傳遞給流動水，再由流動水傳遞給換熱管內的低溫液體，這是個熱傳遞過程。

1.4 優化設計

丙烷水浴式氣化器在結構設計上充分考慮了如何使得實物流體流路為符合傳熱過程和傳熱模型。低溫液體從上而下進入，殼體內熱水從下而上，熱水流動方向與換熱管內低溫液體流動方向為逆向，從而實現更好換熱。采用上下環管均勻分配技術，保證管程內流體的不偏流。換熱芯采用繞管式結構，即在中心筒與外筒之間的空間內將換熱管按螺旋線形狀交替纏繞而成，相鄰兩層螺旋狀換熱管的螺旋方向相反，并采用一定形狀的定距件使之保持一定的間距。其優點是換熱管結構緊湊，占地小；單位容積具有的傳熱面積大，傳熱效率高，換熱管的熱膨脹可自行補償。另外蒸汽管，進液管和出氣管都懸掛在頂蓋上，整個管束可實現抽芯，方便以后檢修和更換換熱芯。

常見蒸汽加熱水浴式氣化器，運行時振動大，對內部換熱管容易造成沖擊，引起換熱管破損失效。此丙烷水浴式氣化器蒸汽管采用多孔籠式結構，即在蒸汽管底部布置適當孔徑及數量的小孔，小孔每排錯開分布，噴射時可以互相抵消反沖力，并及時將蒸汽管道底部所形成的冷凝水直接排至管道外部。避免了蒸汽與冷凝水在管道內部的接觸，減小了氣化器的振動。

普通水浴式氣化器內部換熱管，一般采用有縫不銹鋼管或者無縫拼接管，存在泄漏可能。此丙烷水浴式氣化器，設計時內部換熱管采用GB/T 151—2014規定的I級管束，選用無縫不銹鋼管，洛氏硬度≤86，不拼接，在制造前逐根進行氣壓試驗，保證整個換熱芯子不泄漏。普通水浴式氣化器的環管與進液管之間是采用插入焊結構，焊縫內表面不能保證齊平，對于丙烷介質存在安全風險，且焊縫容易有裂紋，計算時需要開孔補強計算，所需管壁較厚，此丙烷水浴式氣化器對該結構進行優化設計，將原來插入焊改為等徑三通對焊連接形式，能保證焊縫內表面齊平，光滑過渡，提高了氣化器運行的安全性，同時降低了管子厚度，降低了成本。整個管程全部對接焊縫都要求100%滲透檢測加100%射線檢測，以保證焊縫質量。

普通水浴式氣化器都設有下抱圈，部分現場發現下抱圈在氣化器運行后由于震動容易掉下，導致換熱管被刮傷現象，此丙烷水浴式氣化器對該結構進行了優化設計，取消下抱圈，采用在下部環管上做三角支撐形式。此三角支撐相對于之前的抱圈，不僅避免了下抱圈掉落，還減少了材料，降低了成本。

水浴式氣化器運行時可根據溫度變送器的信號調節蒸汽調節閥開度，更好得控制水箱水溫，使氣化器運行保持正常。普通水浴式氣化器只設置2個溫度變送器，上部下部各1個；此丙烷水浴式氣化器設計時配了4個溫度變送器，上部3個下部1個，上部3個均勻分布在氣化器外筒體一周，采用三取二控制形式，避免了殼體內水溫不均導致控制錯誤。

丙烷水浴式氣化器相對于普通水浴式氣化器，增加了液位變送器，用于檢測外筒液位；當液位低于設定值時，中控室會自動聯鎖關閉進液口處的進液閥，防止低溫液體進入凍裂換熱管。并且在溢流口處設置了丙烷可燃氣體分析儀，當換熱管泄漏時，丙烷氣體從溢流口處排出，在地溝處可燃氣體濃度增加，當丙烷氣體濃度達到40% LEL時引起報警。

循環水泵可以將水浴式氣化器底部熱水打入上部，進行強制循環，從而形成強制對流，使氣化器更好換熱。此丙烷水浴式氣化器設計時設置了兩臺循環水泵，采用一備一用，當一臺泵出現故障時，另一臺泵自動啟動，更好地保證了丙烷氣化器的正常運行。

2 5 000 kg/h丙烷水浴式氣化器的先進性

與當前國內其他水浴式氣化器設備相比，本產品的先進性主要有：

(1)采用蒸汽加熱方式，能根據用戶使用量自動控制蒸汽量，從而控制水溫。

(2)采用殼體常壓，可抽芯結構，可更換芯子，提高殼體利用率。

(3)采用溫控和液位控制相結合，雙水泵結構(一用一備)，氣化效率高，運行穩定。

(4)丙烷為易燃、易爆介質，本產品設計時，換熱管采用不拼接的無縫不銹鋼管，管程全部焊縫進行100% 射線檢測及100% 滲透檢測，保證焊縫質量，杜絕管程內丙烷泄漏的隱患，本產品還設置了可燃氣體分析儀，提高了設備的安全性和可靠性。

(5)產品下部設有檢修人孔，可以監視殼程內蒸汽噴頭堵塞情況，換熱管的結垢、腐蝕情況。

3 5 000 kg/h丙烷水浴式氣化器操作注意事項

丙烷水浴式氣化器試車前應吹掃干凈整個系統，禁止把碳鋼管路上的鐵銹、焊渣等帶入蒸汽噴管中，以免堵住噴管小孔。第一次灌裝的水，嚴格控制殼程中水的氯離子含量不超過5 mg/L，因為水中的氯離子會引起不銹鋼的點腐蝕[2]。

丙烷水浴式氣化器在停運時，應檢查氣化器液體進液閥是否關閉，若氣化器外殼水溫是出現低于0 ℃，說明進液閥有長時間泄漏，會引起氣化器殼程熱水結冰，嚴重時導致換熱管凍裂。應關閉進液閥、緩慢復溫。開車、停車或切換操作過程中應緩慢升溫或降溫，嚴格控制升溫速度，避免造成冷、熱沖擊。

應監視氣化器殼程中水的溫度，水溫最小為30 ℃，最高為70 ℃。同時監視氣化器的振動和噪聲，防止流體誘發振動引起失效。

4 結語

丙烷水浴式氣化器在設計上采用蒸汽加熱方式，能根據用戶使用量的需要自動控制水溫，從而節約能源、外觀美觀、占地小、操作方便。結構上采用殼體常壓，可抽芯結構，可更換芯子，提高殼體利用率。控制上采用溫控和液位控制相結合，雙水泵結構(一用一備)，氣化效率高，運行穩定。國內專門從事水浴式氣化器的企業不多，特別是液體丙烷水浴式氣化器的單位更少。此設計針對液體丙烷的水浴式氣化器，其技術水平先進，功能齊全，安全性高，性價比合理，在市場經濟全球一體化激烈競爭中占有優勢。