釜式多層冷凝蒸發(fā)器的研發(fā)設計

蔣 旭

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

釜式多層冷凝蒸發(fā)器的研發(fā)設計

蔣 旭

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

簡單介紹了空分設備的冷凝蒸發(fā)器的工作原理及當前應用的三種形式，詳盡闡述了釜式多層冷凝蒸發(fā)器的結構及工作原理，研發(fā)技術的關鍵所在。隨著空分設備的大型化發(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)器將助力我國氣體分離行業(yè)向6萬等級以上特大型空分設備進軍。

釜式多層；冷凝蒸發(fā)器；研發(fā)；設計

冷凝蒸發(fā)器是空氣分離成套裝置的核心設備，它主要是將來自下塔的壓力氮氣冷凝，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，直接關系到換熱溫差的大小，當主冷凝蒸發(fā)器的換熱面積小時，主冷凝蒸發(fā)器的運行溫差大，下塔的工作壓力較高，致使空壓機排壓升高，運行能耗增大；當主冷凝蒸發(fā)器的換熱面積大時，下塔的工作壓力較低，致使空壓機排壓降低，運行能耗減小。所以空分裝置中的冷凝蒸發(fā)器不僅影響到系統(tǒng)的正常運行，還與裝置的氧、氮、氬等產(chǎn)品的能耗相關。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

隨著空分設備規(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，其技術難度也相應增加。目前，國內(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)器的大型化設計問題，并取得了不同的效果，但是，由于技術問題過于復雜，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行時冷凝蒸發(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，否則會出現(xiàn)無效換熱面積，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數(shù)及層數(shù)來解決。

從結構形式上區(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。其中立式單層結構簡單、數(shù)只板式排布殼體內(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；臥式多列結構工作容量大、但是其結構復雜，在冷箱內(nèi)占據(jù)空間較大，配管難度較大，同時支撐只能設置在冷箱壁面，會使得運行時其受到應力較大。降膜主冷運行溫差小，一般0.6～0.8 K，節(jié)省能耗不小，國內(nèi)尚未開發(fā)應用，其在液體分配器及循環(huán)倍率的控制上難度較大，需要通過實驗數(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數(shù)有3只和5只。多只單元的冷凝蒸發(fā)器其氮氣一般先由總管分流至支管，進入板式單元液化后由支管匯集進入總管，回流下塔。液氧自上塔進入釜內(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1.5萬等級空分裝置的換熱面積要求。

立式雙層冷凝蒸發(fā)器采用上下兩層結構，板式單元采用8只或12只布置，換熱面積較立式單層擴大一倍，上下層之間設置液氧溢流管與氧氣升氣管，下塔的氮氣與液氮通過匯集管與支管分流到各板式單元，同時設置下部測滿管，頂部設置支撐架同上塔相連。

臥式多列為橫置多列的板式單元結構，其優(yōu)點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管路較為復雜，且所占冷箱空間大，不緊湊。

2 主要研發(fā)內(nèi)容、技術關鍵

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)器多層結構，使其緊湊合理；2）計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）對多層冷凝蒸發(fā)器的內(nèi)部制造廠內(nèi)安裝及檢驗做出合理的工藝設計。

2.該類項目的技術關鍵點：

1）應用成熟軟件對設備進出口的流場進行計算，最終確定準確的分配管及匯集管直徑；2）應用成熟軟件對內(nèi)部管路進行合理安排，使得管路走向及應力值在合理范圍；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現(xiàn)。

3 創(chuàng)新結構研發(fā)設計

研發(fā)的目的是在冷凝蒸發(fā)器直徑一定的情況下，擴大冷凝蒸發(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現(xiàn)。

立式三層冷凝蒸發(fā)器的工作原理為：

1.氮氣冷凝工作回路：氮氣來自下塔，由于氮氣的工作壓力高，冷凝飽和點高，液氧工作壓力低，蒸發(fā)飽和點低，得以使氮氣冷凝，液氧蒸發(fā)。氮氣自1-氮氣進氣管分流至各氮氣支管，進入1～3層板式冷凝為液氮，由各個支管匯集至2-液氮回流匯集管后進入下塔。

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，液氧進入第一層冷凝蒸發(fā)器，當?shù)谝粚永淠舭l(fā)器液氧液位高于板式頂部時，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，其余進入上塔，內(nèi)壓縮空分設備流程氧氣全部進入上塔。

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

釜式多層主冷凝蒸發(fā)器結構為組合板式結構，對于6萬～10萬等級可采用立式三層或者四層結構，滿足了空分設備特大型化冷凝蒸發(fā)器換熱面積的要求。同時降低了空壓機排壓，節(jié)省了能耗。如果換熱面積不足，可以擴展到更多層。

圖1 釜式多層冷凝蒸發(fā)器Fig.1 The kettle typemultilayer condenser evaporator

4 多種形式對比

圖1是立式三層結構，通過多層化后，使其對空氣流量的處理能力增加數(shù)倍；當前一套15000制氧設備用的冷凝蒸發(fā)器，其設備的直徑為4400 mm，6只板式；一套60000制氧設備用的雙層冷凝蒸發(fā)器，其設備的直徑為4400 mm，12只板式。

表1 空分設備冷凝蒸發(fā)器應用的三種結構的參數(shù)對比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)進行對比，詳細結果見表1。

從表1可知，立式三層可以滿足配套的空分裝置要遠遠大于立式單層和立式雙層冷凝蒸發(fā)器，采用氧氣管外伸結構，可以使得殼體內(nèi)的結構更為簡單，內(nèi)部安裝更為方便。獨特的液氧溢流管結構，將會使得液氧自上而下流入下一層更為安全，同時第四層設置液氧液位與液氧泵系統(tǒng)聯(lián)鎖（內(nèi)壓縮空分設備流程同產(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)定運行。

5 產(chǎn)品優(yōu)勢

隨著空分裝置的大型化及特大型化的進程不斷推進，6～12萬等級的空分設備不斷問世，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6～12萬等級的空分設備的冷凝蒸發(fā)器所需大換熱面積問題。

6 研發(fā)意義

步入21世紀以來，我國浮法玻璃、集成電路、冶金行業(yè)、石油化工及煤化工等行業(yè)的強勢崛起，使得我國氣體分離行業(yè)的發(fā)展進入了一個新階段。

隨著空分裝置的大型化及特大型化的進程不斷推進，6～12萬等級的空分設備不斷問世，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6～12萬等級的空分設備的冷凝蒸發(fā)器所需大換熱面積問題。

中空能源設備有限公司積極響應國家建設節(jié)能環(huán)保型工業(yè)的號召，不斷創(chuàng)新實踐，積極自主研發(fā)，許多新技術都走在國內(nèi)乃至世界前列，此次釜式多層冷凝蒸發(fā)器的問世，將會解決6萬等級以上空分設備主冷凝蒸發(fā)器換熱面積不足的難題，為我國乃至世界氣體分離行業(yè)的進步做出了貢獻。

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)于西安交通大學過程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)任職于中空能源設備有限公司設計研究院，長期從事大型空分設備的設計及研究。