高精度微小型空分設(shè)備設(shè)計(jì)和裝配工藝研究

何仙來(lái)，楊延江，吳婷婷

（杭州杭氧低溫液化設(shè)備有限公司，杭州 311000）

1 引言

氪氙氖氦等稀有氣體在空氣中含量較少，被稱為黃金氣體，隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展，它們的用途也越來(lái)越廣，在燈光行業(yè)、精細(xì)化工、核化學(xué)、放射化學(xué)等領(lǐng)域都有很大用途。在國(guó)防工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展中，開(kāi)發(fā)稀有氣體等微型或小型高精尖空分設(shè)備已成為空分市場(chǎng)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)[1]。

2 研究目的

撬裝快結(jié)構(gòu)氪、氙、氖、氦提取設(shè)備具備結(jié)構(gòu)緊湊、靈活、安裝方便等特點(diǎn)。移動(dòng)式的撬裝設(shè)備要求精餾塔內(nèi)部空間有限，運(yùn)輸高度受到限制，所以篩板式結(jié)構(gòu)分流塔在移動(dòng)式撬裝設(shè)備中得到首選。但是微型或小型篩板塔組裝空間狹小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配難度大大提高，采用中大型空分分流塔安裝方法顯然達(dá)不到功能設(shè)計(jì)的要求。[2]急需探索一種高效、簡(jiǎn)潔、實(shí)用的裝配方法為設(shè)備微型化設(shè)計(jì)做工藝保障。

3 分餾塔分類和特點(diǎn)

3.1 分餾塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)比

分餾塔按結(jié)構(gòu)可分為：填料式和篩板式兩類。對(duì)比優(yōu)缺點(diǎn)如下。

優(yōu)點(diǎn)：填料式分餾塔：①節(jié)能、效率高、技術(shù)成熟；②在減壓和常壓蒸餾條件下，單位塔截面積通氣能力較好；③壓力降小。篩板式分餾塔：①氣或液每經(jīng)過(guò)一層塔板都可得到近乎完全混合，液體溝留不均或氣體分布不均都只會(huì)影響這一層的分餾效果，對(duì)整體影響較??；②持液量較大，易于操作；③內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈活性高；④計(jì)算比較準(zhǔn)確可靠且方便安裝冷卻管。

缺點(diǎn)：填料式分餾塔：①在高液氣比的條件下傳輸率較低；②塔內(nèi)采用液體分布器，占比空間大，靈活性差，填料層容易堵塞；③操作范圍小，對(duì)液體負(fù)荷的變化敏感。當(dāng)液體負(fù)荷較小時(shí)，其表面不能很好地潤(rùn)濕，傳遞效果下降；當(dāng)液體負(fù)荷過(guò)大時(shí)，容易產(chǎn)生液泛。篩板式分餾塔：①在減壓、常壓、低壓操作下，分離效率略低；②壓降相對(duì)高，耗能大。

3.2 塔板制作方案分析

圖1 錫焊連接的塔板復(fù)合件

移動(dòng)式分餾塔采用的是篩板塔，內(nèi)部塔板分別由接液板、孔板、擋板和溢流斗四部分連接組成，如圖1，由于篩板塔塔板厚度較薄，所以在選材和復(fù)合工藝上做了不同對(duì)比分析。

3.2.1 裝復(fù)方法分析

對(duì)于分餾塔塔板各部件的組裝連接主要有焊接和鉚接兩種，各自特點(diǎn)主要有以下方面，見(jiàn)表1。

表1 塔板連接方法及特點(diǎn)

塔板的質(zhì)量在分餾塔分餾工況具有重要作用，塔板平整度和塔板的孔徑，孔距精度直接影響精餾效果，所以大型空分設(shè)備塔板多采用鉚接結(jié)構(gòu)，這樣就減少焊接變形，保證塔板的平整度公差在±0.5mm內(nèi)，如圖2。而撬裝式稀有氣體分餾塔體積較小，內(nèi)部塔板間的連接空間有限，且分餾塔內(nèi)塔板各部件要求密封度高，不得漏液，堵塞孔徑。由表1可知，焊接連接強(qiáng)度高，密封性好，重量小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而鉚接連接需要母材搭接，還需要大量的鉚釘固定，對(duì)于小型分餾塔塔板連接消耗的無(wú)效面積大，在有限空間，使得塔內(nèi)精餾功能和效果降低。

3.2.2 焊接方法分析

目前焊接方法主要有熔化焊和釬焊兩種。

①熔化焊：將填充材料和工件的連接區(qū)基本材料共同加熱至熔化狀態(tài)，在連接處形成熔池，熔池中的液態(tài)金屬冷卻凝固后形成牢固的焊接接頭，使分離工件連接成一個(gè)整體。優(yōu)點(diǎn)：焊縫密封性好，強(qiáng)度能達(dá)到與母材一致。缺點(diǎn)：焊接過(guò)程中加熱，母材局部受熱致使變形，不易控制。②釬焊：采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作為釬料，將釬料和釬劑加熱到高于釬料熔點(diǎn)，低于母材熔化溫度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。根據(jù)塔板的特殊結(jié)構(gòu)和使用功能，錫釬焊具備以下優(yōu)勢(shì)：①穩(wěn)定性好，釬焊對(duì)母材的物理化學(xué)性能影響小，焊接應(yīng)力和變形較小，焊件變形可降到最低程度，易保障焊件的尺寸精度，可連接性能差別較大的異種金屬。②應(yīng)用范圍廣，對(duì)工件厚度無(wú)嚴(yán)格要求。③操作簡(jiǎn)單，錫釬焊設(shè)備簡(jiǎn)單，采用烙鐵加熱釬料，使接頭光滑平整。適合在小空間，連接各種復(fù)雜工件。

表2 釬焊工藝評(píng)定

小型塔板要求密封性好，且塔板平整度高，考慮塔板厚度較薄，極易焊接變形，塔體直徑小，空間有限，選用烙鐵錫釬焊更為合理。

黃銅H62的最低抗拉強(qiáng)度為δH62=315MPa，表2中錫焊縫比較脆，略低于母材強(qiáng)度，和鋁合金5052（δ5052=195MPa）強(qiáng)度相當(dāng)，具有足夠的連接強(qiáng)度，適用于塔內(nèi)件固定和連接。3.2.3材質(zhì)選擇

分餾塔設(shè)計(jì)溫度為-196℃，為壓力容器。內(nèi)部清潔度很高。因此要求材料選擇和受壓焊縫具有一定的強(qiáng)度保證。將上述分析，錫釬焊工藝評(píng)定抗拉強(qiáng)度無(wú)法達(dá)到母材最低強(qiáng)度要求，從壓力容器安全角度出發(fā)，建議受壓件筒節(jié)選用不銹鋼，采用氬弧焊對(duì)接，而內(nèi)件選用H62黃銅，采用錫釬焊裝配。如圖3。

圖2 塔板裝配實(shí)物圖

圖3 塔板裝配示意圖

4 結(jié)論

①錫焊溫度低，密封性好，具有一定的連接強(qiáng)度，焊后母材不易變形，相比鉚接結(jié)構(gòu)，錫焊裝配更簡(jiǎn)單，且重量小，剛性、穩(wěn)定性更好。適用于結(jié)構(gòu)精巧、復(fù)雜的小型塔板等內(nèi)件的裝復(fù)連接。

②微小型壓力容器選用不銹鋼作為外殼受壓件首選材料，而黃銅更適合加工容器內(nèi)件。黃銅硬度低，冷變形加工性能佳，能滿足錫釬焊工藝特性，對(duì)于小型分餾塔塔板高精度，高平整度的質(zhì)量要求，成為設(shè)計(jì)首選材料。

③黃銅錫釬焊接頭抗拉強(qiáng)度率低于母材，在容器受壓焊縫中應(yīng)用存在一定風(fēng)險(xiǎn)，因此黃銅材質(zhì)和錫釬焊工藝在小型空分設(shè)備內(nèi)件制作具有極大的優(yōu)勢(shì)，實(shí)踐證明該工藝方案可行性、安全性滿足生產(chǎn)和技術(shù)要求。