氬冷凝器管路設計與空分氬系統(tǒng)的穩(wěn)定

高 云

［四川空分設備(集團)有限責任公司，四川簡陽建設中路239號 641400］

制取氬氣的空分裝置有粗氬塔和純氬塔，粗氬塔與純氬塔塔頂有冷凝器，本文探討了粗氬、純氬冷凝器液體管路設計對氬系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響。

1 氣相出氬系統(tǒng)冷凝器的方式與氬系統(tǒng)流程簡介

氬系統(tǒng)的冷凝器(粗氬冷凝器、純氬冷凝器)為板翅式換熱器(以下簡稱板式)，粗氬氣從粗氬冷凝器的板式的頂部側面進入，粗氬液體從板式的底部側面流出，純氬塔的上升氣從純氬冷凝器的頂部側面進入，純氬冷凝器的冷凝液從底部側面流出。粗氬、純氬冷凝器冷凝側的氣相以不凝氣方式排出，對板式來說，連續(xù)的不凝氣排放有利于傳熱，同時也是氬系統(tǒng)穩(wěn)定運行的先決條件。

冷凝器不凝氣從板式中排出有兩種方式，一是從底部側面排出，見圖1(a)，二是從頂部側面排出，見圖1(b)，兩種氣相排出方式各有利弊。

圖1 氬冷凝器氣相出方式Fig.1 The way of pure condenser gas phase discharge

不凝氣從底部排出方式，原料氣經過換熱冷凝后，不凝結的氣相排出，但在下封頭處為氣液共存，如果氬冷凝器回流不暢會造成不凝氣排放不暢;不凝氣從頂部排出方式，能保證取出不凝氣為純氣相，但由于進氣口也在上部，未經換熱冷凝的原料氣會混在不凝氣中排出。本文討論的氬冷凝器氣相排出方式為圖1(a)對氬系統(tǒng)的影響，即冷凝液與不凝氣從板式底部側面排出，位于板式的下封頭的氣相出口高于液相出口。

采用粗氬冷凝器與純氬冷凝器下部封頭引出氣相的氬系統(tǒng)流程簡圖見圖2。來自上塔的氬餾分經粗氬塔(Ⅰ)、粗氬塔(Ⅱ)，進入粗氬冷凝器的板式頂部，冷凝液與粗氬氣從板式底部側面封頭出，粗氬氣進入純氬塔中上部，純氬塔頂部的上升氣進入純氬冷凝器的板式頂部，純氬冷凝液與不凝氣從板式的底部側面封頭出。

圖2 氬系統(tǒng)流程簡圖Fig.2 Argon system flow chart

2 氬冷凝器對氬系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響

影響氬系統(tǒng)穩(wěn)定運行的因素較多，如進出物料、冷熱源穩(wěn)定:氬餾分、冷凝器的冷源、蒸發(fā)器的熱源、氬產品。下面討論氬冷凝器對氬系統(tǒng)的影響。

由于粗氬冷凝器、純氬冷凝器采用了在板式的下部封頭引出冷凝液與不凝的氣相，在板式封頭處為氣液兩相，氣相出口的位置應高于液相出口，見圖3。圖3(a)為板式封頭處的正常狀態(tài)，冷凝器的冷凝液低于不凝氣口，圖3(b)為非正常狀態(tài)，在板式封頭中冷凝液已超過不凝氣引出口。當出現圖3(b)狀態(tài)時，會造成不凝氣管內有液體，不凝氣管一般為向上引出，不凝氣無法排出，液氬擠入向上段的不凝氣管，隨著不凝氣管中液位增高，板式中的液位也不斷升高，液體也會占用換熱面積，不凝氣也不斷在板束體內聚集，因克服不凝氣向上段中液柱壓力，板束體中的壓力升高。當壓力升高到一定程度，將不凝氣管路中液體短時間頂出，不凝氣才得以排放。隨著時間的推移，板式封頭液位逐漸增高，再次形成圖3(b)中狀態(tài)，重復上述過程，造成氬冷凝器壓力周期性波動，不凝氣周期性排出，會引起氬系統(tǒng)壓力波動，甚至上塔的壓力波動。

圖3 氬冷凝器運行狀態(tài)示意圖Fig.3 Schematic diagram of argon condenser operation status

對粗氬冷凝器出現圖3(b)狀態(tài)，會出現粗氬塔(Ⅰ)、粗氬塔(Ⅱ)壓力周期性波動，當粗氬氣被粗氬冷凝器液體阻擋時，純氬塔無粗氬氣進入，純氬冷凝器無粗氬氣補充，將純氬塔內上升氣冷凝，會造成純氬塔壓力降低，嚴重時甚至可能引起純氬塔為負壓。

對純氬冷凝器出現圖3(b)狀態(tài)，首先引起純氬塔壓力波動，純氬塔的壓力波動進而引起粗氬冷凝器、粗氬塔壓力波動。波動過程中由于不凝氣中有液相擠出，還會造成液氬產品損失。

由此可見，氬冷凝器要穩(wěn)定運行必須為圖3(a)狀況，不凝氣口應高于液體液面。

3 氬冷凝器的管路設計

3.1 不凝氣排放管

不凝氣排放管口要求高于液面，應盡量布置于板式下封頭上較高的位置，理論上管口允許內伸，只要高于液面即可，實際設計應采用與封頭內平齊的方式，板式裝配過程中應作為重點控制項。

3.2 液體回流管路

氬冷凝器管路示意圖見圖4，氬氣在冷凝器中的流動是由液氬回流虹吸推動，故液氬液面高度由氬冷凝器流路的阻力、位能、動能決定。

圖4 氬冷凝器管路示意Fig.4 Schematic diagram of argon condenser pipeline

板式封頭內氣相壓力:

式中，P1為A-A截面氬氣壓力，Pa;P2為氬冷凝器板式封頭氬液面(B-B截面)壓力，Pa;ΔP1為氬塔至氬冷凝器板式管路阻力，按管路阻力計算，Pa;ΔP2為氬冷凝器板式氬側阻力，由板式換熱器熱力計算得，Pa。

取A-A、B-B截面分析，根據伯努利方程，液氬回流暢通需滿足:

式中，g為重力加速度，9.81 m/s2;Z1為A-A截面高度，取Z1=0 m;Z2為B-B截面高度，取Z2=h m;u1為回流管A-A截面液體流速，m/s;u2為回流管B-B截面液體流速，m/s，由于截面比回流管大得多，取u2=0 m/s，忽略B-B截面動能，偏于安全;P1’為回流管A-A截面液體壓力，Pa;P2為氬冷凝器板式封頭氬液面(B-B截面)壓力，Pa;ρ為液氬密度，kg/m3;∑hf為能量損失。

由式(1)、(2)得:

式中，λ為摩擦系數，無量綱;l為液氬回流管直管總長度，m;le為彎頭當量長度，90°彎頭為35d，m;d 為管道內直徑，m。

由式(3)、(4)得:

當選定氬冷凝器的前后管徑，相應的流速已經確定，配管設計完成，液面h按略高于液體出口管，可按式(5)進行回流管校核。

首先，進行整個回流管(氬液進口至出口)校核，防止管道布置過長或彎頭過多。從式(4)可知，90°彎頭的當量長度是直徑的35倍，對回流液阻力影響較大，配管設計時應盡量減少彎頭個數。由于回流管入口與氬塔液相入口一般有1 m以上的高差(由冷凝器、氬塔結構設計決定)，ΔP1為1～2 kPa，ΔP2為1～3 kPa，由于液體產生的推動力較大(1 m高差產生約14 kPa的推動力)，容易滿足校核要求。

其次，應單獨校核封頭出口處高差小的一段，圖4中B-B至C-C，此時C-C截面的壓力與氬塔壓力相同，液位高差為虹吸的推動力，高差小推動力則小，當該段發(fā)生流動不暢，板式封頭內液面就已經升高，C-C截面之后容易形成斷續(xù)流，無法形成整個回流管路液體充滿的狀態(tài)，無法形成虹吸過程。如果該段為水平管，進氣管道、板式本身的阻力都不容忽視，管道宜短，當氬塔進液管口與冷凝器液體出口管不在同一方位時，不應采用與冷凝器下封頭同高度的水平面布置管至氬塔進液管口方位，不宜采用與冷凝器封頭同水平面的水平安裝的彎頭，液體管出口管道走向應出冷凝器就近向下。當校核無法通過時，可采用從封頭起處管道即斜向下，以增加高度差，當然也可調整其它設計參數，如:液體管徑、氬氣進管徑、板式阻力。

3.3 粗氬氣進冷凝器管路

式(5)表明，氬氣進阻力對液體回流有一定影響，管道布置也應減小長度，減少彎頭個數。進行回流管路校核時不能忽視其阻力影響，特別是對B-B至C-C截面的阻力校核時。

4 結束語

氬系統(tǒng)的冷凝器采用下封頭排出不凝氣時，應保證不凝氣管口高于回流液液面，管路設計應使氬氣進冷凝器管道、回流管道盡量短，減少彎頭數量。管道布置完成后，還應對回流管液面高度進行校核，以確保設計合理，才能保證氬系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

［1］王曉紅，田文德，王英龍.化工原理［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2009:22-33.