大型蒸汽射流式排液蒸發(fā)器的研究與開發(fā)

趙 麗，任 璞，趙 建

(杭州杭氧換熱設(shè)備有限公司，杭州臨安青山湖街道東環(huán)路99號 311305)

排液蒸發(fā)器主要是用來排放空分設(shè)備的低溫液體，主要是液氧、液氮、液氬的混合物。隨著國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和空分技術(shù)的不斷創(chuàng)新，以及大型煤化工項目的需求，空分設(shè)備也日趨向大型化發(fā)展。鑒于這種情況，在激烈的市場競爭中，迫切需要開發(fā)一種效率高，能適應(yīng)大型空分設(shè)備需要的新一代排液蒸發(fā)器，以提高企業(yè)的市場競爭力。

本文研究的大型蒸汽射流式排液蒸發(fā)器，就是我們參照了國外同行業(yè)的先進技術(shù)，通過引進、改造，而開發(fā)的新一代產(chǎn)品。

1 原理及工藝流程

大型蒸汽射流式排液蒸發(fā)器的工作原理，是以蒸汽作為熱源，用蒸汽噴射器進行噴射，與來自空分設(shè)備的霧狀低溫液體進行直接接觸，進行熱交換并使其蒸發(fā)，然后排放到大氣中。

工藝流程:低溫液體(液氧、液氮、液氬)由管口水平方向進入管程，通過管程末端開的小孔噴射。在蒸汽管口由高溫高壓的飽和蒸汽(或過熱蒸汽)射流狀態(tài)下吸進空氣并與其混合，作為動力源，以加熱及推動從管程小孔噴出的液氧、液氮、液氬的低溫液體混合物。在管道中通過混合接觸，進行熱量交換來蒸發(fā)這些低溫液體。使得低溫液體汽化之后能在10 m以上的高空管口排放到大氣中。設(shè)備的目的是要安全排放空分設(shè)備中的低溫液體，使其不影響環(huán)境、周邊設(shè)備及土建基礎(chǔ)，保證空分設(shè)備正常運行。其工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程簡圖Fig.1 Process Sketch

2 結(jié)構(gòu)特點

本文研究的大型蒸汽射流式排液蒸發(fā)器，結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成，一是低溫液體管程進口及殼程部分，二是蒸汽噴射器部分?？傮w采用臥式結(jié)構(gòu)，低溫液體管水平布置，蒸發(fā)的空間較大。

采用這樣的結(jié)構(gòu)型式，其特點是:1.保證了蒸發(fā)后的氣體有一定的溫度，不會造成大氣結(jié)露現(xiàn)象;2.低溫液體能得到充分汽化，排放之后對人類、周圍環(huán)境及生物無影響、無污染，安全可靠。

3 設(shè)計計算

3.1 蒸汽耗量計算

每種液體蒸發(fā)所需的熱量:

式中，C1i分別是氧氣、氮氣、氬氣比熱;m液i為液體質(zhì)量;Δt1i為混合氣溫升;γi為液體汽化潛熱。

空氣吸收熱量:

式中，C2為空氣比熱;m氣為空氣質(zhì)量;Δt為空氣溫升;Q吸為各種液體需要蒸發(fā)時所需熱量Q吸i和空氣吸收的熱量Q吸j總和。

蒸汽放熱:

式中，m蒸汽為蒸汽質(zhì)量。

利用Q吸=Q放求出蒸汽所需的耗量。

計算示例:以下為某一項目配套的蒸汽射流式排液蒸發(fā)器的計算結(jié)果。

表1 參數(shù)表Table1 Data Sheet

項目要求蒸汽排液蒸發(fā)器蒸發(fā)液體液氧、液氮、液氬混合物，流量32.85 m3/h，進口溫度為－184.7℃，出口溫度為32.3℃，具體參數(shù)見表1。根據(jù)上述的條件進行設(shè)計。蒸汽耗量(指在額定工況下，單位時間通過噴嘴的工作蒸汽質(zhì)量流量):根據(jù)單位時間蒸發(fā)器的蒸發(fā)液體量決定，處理液體蒸汽能力需12000 kg/h。

4 蒸汽噴射器

蒸汽噴射器的工作效率決定著機組的效率。它由噴嘴、吸入室，擴壓段組成。結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 蒸氣進口噴射結(jié)構(gòu)Fig.2 Steam injection structure

噴射器的三個主要過程:

膨脹過程，工作蒸汽通過噴嘴絕熱膨脹，位能轉(zhuǎn)化為動能，壓力下降，比容和速度都劇增，焓值下降。

混合過程:壓力下降至負壓，速度增加，由工作蒸汽引射進入擴壓器混合。兩股氣流的速度相差很大，來不及完成能量和質(zhì)量的交換，通常要在擴壓器喉部才能完成混合過程。

壓縮過程:混合蒸汽在擴壓器后段中，動能又轉(zhuǎn)化為壓力能，使壓力上升，速度下降。內(nèi)部壓力、速度狀態(tài)變化見圖3所示。

圖3 噴射器中工作蒸汽、吸入空氣狀態(tài)變化Fig.3 The status of steam and injected air change during process

噴嘴采用拉伐爾型，噴嘴喉部截面積決定于蒸汽流量，在飽和蒸汽時，噴嘴喉部直徑:d0=1.57。式中，G為工作蒸汽量;P為絕對壓力;喉部直線長度:l0=3～5 mm;噴嘴出口直徑d1=C’d0;C’為決定膨脹比E的常數(shù)，膨脹比E=P/P0。

噴嘴出口截面對效率影響很大。過大則氣流過度膨脹，產(chǎn)生沖擊波，降為亞聲速，效率顯著地降低，過小，則膨脹不足，氣流離開噴嘴后還繼續(xù)膨脹，也引起能量損失，但比過度膨脹時要小。試驗表明，出口截面積應(yīng)小于理論計算值，以免產(chǎn)生過度膨脹，一般為理論計算值的70%～80%。

擴壓器計算時先決定喉部直徑D，它直接影響到噴射器的工作特性。偏大則抽氣能力大，但克服背壓的能力差。擴壓器的喉部面積與噴嘴喉部面積的比值D2/d02，是一個很重要的參數(shù)。一般可取180～250。當(dāng)工作蒸汽壓力較高，蒸發(fā)溫度也較高時，可按上限選取。

噴嘴與混合段入口截面的距離對噴射器的工作特性有影響，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)壓力比和擴壓器與噴嘴的喉部面積比值而定。當(dāng)壓力比喉部面積比值較大時，噴嘴安裝時可以伸進混合段，有利于提高克服背壓的能力。當(dāng)上述兩值較小時，噴嘴可裝在進口截面上。

5 強度計算與材料選用

5.1 強度計算

該設(shè)備的筒體、法蘭及相關(guān)接管均根據(jù)NB/T 47003.1—2009《鋼制焊接常壓容器》要求進行強度計算。由于設(shè)備的殼程部分有10 m之高，需要進行風(fēng)載荷、地震載荷及其強度和穩(wěn)定性校核，以確保設(shè)備的安全使用。支座的設(shè)計包括地腳螺栓的規(guī)格、數(shù)量、材料進行計算校核。在設(shè)備的高位處裝上吊板，拉上鋼絲以增加強度。

5.2 材料選用

由于設(shè)備排放的是低溫液體，熱源又是高溫蒸汽，則對設(shè)備材料有一定的要求，所選材料必須滿足介質(zhì)的要求。為達到最好的效果，殼程材料選用06Cr19Ni10;管程材料選用銅管，因銅材對溫度的敏感性高，有利于熱脹冷縮。對高合金鋼制容器進行局部射線或超聲波無損檢測，射線檢測長度不得少于各條焊接接頭長度的10%。

設(shè)備介質(zhì)是低溫液體，溫度達到－196℃以下，所以，在設(shè)備與地基連接處選用3025酚醛層壓布板作為隔層材料，起到了對地基的保護作用，以防地基被凍壞。

6 結(jié)束語

大型蒸汽射流式排液蒸發(fā)器，由于蒸汽壓力高、熱量大，低溫液體的蒸發(fā)空間大，使得整個排液過程阻力小，排液通暢，使用效果很好，達到安全生產(chǎn)，提高效率，保護環(huán)境。該系列產(chǎn)品現(xiàn)已大量投入使用，主要應(yīng)用于“一萬”～“八萬”系列的大型空分設(shè)備項目上。

［1］NB/T 47003.1 ～47003.2—2009.鋼制焊接常壓容器:全訂本［S］.

［2］陳敏恒，叢德滋，方圖南，齊鳴齋.化工原理［M］.3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［3］機械工程手冊，電機工程手冊編輯委員會.機械工程手冊:第14卷.機械產(chǎn)品(四).北京:機械工業(yè)出版社，1982.

［4］JB/T 8540—2004水蒸氣噴射真空泵［S］.

［5］JB/T 4710—2005鋼制塔式容器［S］.