5 000 kg/h丙烷水浴式氣化器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(tài)的丙烷是氣態(tài)化學(xué)品，而在催化裂化裝置生產(chǎn)出丙烷呈液態(tài)。經(jīng)脫硫化氫、脫硫醇后丙烷由氣分裝置分離生成。在工業(yè)生產(chǎn)中丙烷主要用于金屬零件淬火、滲碳的保護(hù)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?xì)怏w，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(xiǎn)。其與氧化劑接觸猛烈反應(yīng)，氣體比空氣重，能在較低處擴(kuò)散到相當(dāng)遠(yuǎn)的地方，遇火源會(huì)著火回燃。丙烷屬無(wú)色無(wú)味有毒氣體，易燃易爆，毒性程度為“輕度危害”，屬于“爆炸危險(xiǎn)介質(zhì)”，能與空氣形成爆炸性混合物。在設(shè)計(jì)和操作氣化器時(shí)，應(yīng)掌握其特性，才能更好地設(shè)置安全措施。

丙烷水浴式氣化器是把液態(tài)丙烷通過(guò)氣化器氣化成氣體的過(guò)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(zhì)型材管，利用周?chē)髿庾鳛闊嵩矗ㄟ^(guò)大氣的自然對(duì)流與管內(nèi)低溫液體進(jìn)行換熱，換熱效率低，且受環(huán)境溫度影響，運(yùn)行不穩(wěn)定[1]。水浴式氣化器是通過(guò)殼程熱水與管程低溫液體進(jìn)行換熱，再配備循環(huán)水泵，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流，強(qiáng)化換熱效果，因此換熱效率高。由于丙烷的熱值高，溫差區(qū)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(shí)也節(jié)省成本。

1 5 000 kg/h丙烷水浴式氣化器的設(shè)計(jì)

1.1 換熱計(jì)算

丙烷水浴式氣化器設(shè)計(jì)，首先根據(jù)物性參數(shù)對(duì)換熱過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出所需要的蒸汽耗量以及換熱面積。

已知?dú)こ痰奈镄詤?shù)：熱水標(biāo)態(tài)下質(zhì)量密度ρNo=1 000 kg/m3，熱水進(jìn)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(shù)：丙烷標(biāo)態(tài)下質(zhì)量密度ρNi=1.83 kg/m3，質(zhì)量流量Msi=50 000 kg/h，得出標(biāo)態(tài)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(jìn)口溫度Tii=20/293 ℃/K，算出進(jìn)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(jì)算的是5 000 kg/h液體丙烷換熱所需要的總的熱負(fù)荷：Q=Hoi-Hii=18 916 015.1 kJ/h，再根據(jù)總熱負(fù)荷，計(jì)算出所需蒸汽耗量QS=Q×1.1/r=7 953 kg/h。此處為了補(bǔ)償運(yùn)行中的熱損耗，所需蒸汽耗量放了10%的余量。

最后根據(jù)溫差計(jì)算出氣化器所需要的換熱面積，換熱管數(shù)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(shù)K取經(jīng)驗(yàn)取值1 883.6～2 302 kJ/(m2·h·K)。此氣化器換熱管規(guī)格選用φ25×2 mm，每個(gè)繞管長(zhǎng)度取l=22 m，計(jì)算出換熱管總長(zhǎng)度L=S/(πd0)=3 616 m，所需換熱管數(shù)量為N=L/l=164根。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

丙烷氣化器結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圓柱形水箱、繞管式換熱芯、進(jìn)液和出氣管道、蒸汽噴射管、水泵循環(huán)管路、溢流管、溫度控制接點(diǎn)、液位控制接點(diǎn)以及安全泄放口等零件組成。設(shè)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(shè)備簡(jiǎn)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(jīng)蒸汽管?chē)娚湔羝粩嗌郎?。水箱中的熱水由水泵從水箱下方抽取，?jīng)水泵送到水箱上部返入水箱，形成閉路循環(huán)。同時(shí)，水箱中的熱水以一定速度從繞管管束的間隙流過(guò)，并與繞管內(nèi)的低溫液體進(jìn)行換熱。然后丙烷液體由進(jìn)液口進(jìn)入，流經(jīng)環(huán)形下環(huán)管，經(jīng)數(shù)個(gè)盤(pán)管接頭分流進(jìn)入繞管式換熱芯，換熱管內(nèi)丙烷液體與管外熱水進(jìn)行熱交換。丙烷液體由此獲得熱量，不斷蒸發(fā)，經(jīng)繞管接頭匯集進(jìn)入環(huán)形上環(huán)管，并通過(guò)頂部出氣管以氣體狀態(tài)輸出。從熱力學(xué)原理解釋就是，熱量由水蒸汽傳遞給流動(dòng)水，再由流動(dòng)水傳遞給換熱管內(nèi)的低溫液體，這是個(gè)熱傳遞過(guò)程。

1.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

丙烷水浴式氣化器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考慮了如何使得實(shí)物流體流路為符合傳熱過(guò)程和傳熱模型。低溫液體從上而下進(jìn)入，殼體內(nèi)熱水從下而上，熱水流動(dòng)方向與換熱管內(nèi)低溫液體流動(dòng)方向?yàn)槟嫦颍瑥亩鴮?shí)現(xiàn)更好換熱。采用上下環(huán)管均勻分配技術(shù)，保證管程內(nèi)流體的不偏流。換熱芯采用繞管式結(jié)構(gòu)，即在中心筒與外筒之間的空間內(nèi)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(yōu)點(diǎn)是換熱管結(jié)構(gòu)緊湊，占地??；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(bǔ)償。另外蒸汽管，進(jìn)液管和出氣管都懸掛在頂蓋上，整個(gè)管束可實(shí)現(xiàn)抽芯，方便以后檢修和更換換熱芯。

常見(jiàn)蒸汽加熱水浴式氣化器，運(yùn)行時(shí)振動(dòng)大，對(duì)內(nèi)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(jié)構(gòu)，即在蒸汽管底部布置適當(dāng)孔徑及數(shù)量的小孔，小孔每排錯(cuò)開(kāi)分布，噴射時(shí)可以互相抵消反沖力，并及時(shí)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(nèi)部的接觸，減小了氣化器的振動(dòng)。

普通水浴式氣化器內(nèi)部換熱管，一般采用有縫不銹鋼管或者無(wú)縫拼接管，存在泄漏可能。此丙烷水浴式氣化器，設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)部換熱管采用GB/T 151—2014規(guī)定的I級(jí)管束，選用無(wú)縫不銹鋼管，洛氏硬度≤86，不拼接，在制造前逐根進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，保證整個(gè)換熱芯子不泄漏。普通水浴式氣化器的環(huán)管與進(jìn)液管之間是采用插入焊結(jié)構(gòu)，焊縫內(nèi)表面不能保證齊平，對(duì)于丙烷介質(zhì)存在安全風(fēng)險(xiǎn)，且焊縫容易有裂紋，計(jì)算時(shí)需要開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，所需管壁較厚，此丙烷水浴式氣化器對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將原來(lái)插入焊改為等徑三通對(duì)焊連接形式，能保證焊縫內(nèi)表面齊平，光滑過(guò)渡，提高了氣化器運(yùn)行的安全性，同時(shí)降低了管子厚度，降低了成本。整個(gè)管程全部對(duì)接焊縫都要求100%滲透檢測(cè)加100%射線檢測(cè)，以保證焊縫質(zhì)量。

普通水浴式氣化器都設(shè)有下抱圈，部分現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)下抱圈在氣化器運(yùn)行后由于震動(dòng)容易掉下，導(dǎo)致?lián)Q熱管被刮傷現(xiàn)象，此丙烷水浴式氣化器對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，取消下抱圈，采用在下部環(huán)管上做三角支撐形式。此三角支撐相對(duì)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(yùn)行時(shí)可根據(jù)溫度變送器的信號(hào)調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，更好得控制水箱水溫，使氣化器運(yùn)行保持正常。普通水浴式氣化器只設(shè)置2個(gè)溫度變送器，上部下部各1個(gè)；此丙烷水浴式氣化器設(shè)計(jì)時(shí)配了4個(gè)溫度變送器，上部3個(gè)下部1個(gè)，上部3個(gè)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(nèi)水溫不均導(dǎo)致控制錯(cuò)誤。

丙烷水浴式氣化器相對(duì)于普通水浴式氣化器，增加了液位變送器，用于檢測(cè)外筒液位；當(dāng)液位低于設(shè)定值時(shí)，中控室會(huì)自動(dòng)聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)液口處的進(jìn)液閥，防止低溫液體進(jìn)入凍裂換熱管。并且在溢流口處設(shè)置了丙烷可燃?xì)怏w分析儀，當(dāng)換熱管泄漏時(shí)，丙烷氣體從溢流口處排出，在地溝處可燃?xì)怏w濃度增加，當(dāng)丙烷氣體濃度達(dá)到40% LEL時(shí)引起報(bào)警。

循環(huán)水泵可以將水浴式氣化器底部熱水打入上部，進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)，從而形成強(qiáng)制對(duì)流，使氣化器更好換熱。此丙烷水浴式氣化器設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了兩臺(tái)循環(huán)水泵，采用一備一用，當(dāng)一臺(tái)泵出現(xiàn)故障時(shí)，另一臺(tái)泵自動(dòng)啟動(dòng)，更好地保證了丙烷氣化器的正常運(yùn)行。

2 5 000 kg/h丙烷水浴式氣化器的先進(jìn)性

與當(dāng)前國(guó)內(nèi)其他水浴式氣化器設(shè)備相比，本產(chǎn)品的先進(jìn)性主要有：

(1)采用蒸汽加熱方式，能根據(jù)用戶使用量自動(dòng)控制蒸汽量，從而控制水溫。

(2)采用殼體常壓，可抽芯結(jié)構(gòu)，可更換芯子，提高殼體利用率。

(3)采用溫控和液位控制相結(jié)合，雙水泵結(jié)構(gòu)(一用一備)，氣化效率高，運(yùn)行穩(wěn)定。

(4)丙烷為易燃、易爆介質(zhì)，本產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，換熱管采用不拼接的無(wú)縫不銹鋼管，管程全部焊縫進(jìn)行100% 射線檢測(cè)及100% 滲透檢測(cè)，保證焊縫質(zhì)量，杜絕管程內(nèi)丙烷泄漏的隱患，本產(chǎn)品還設(shè)置了可燃?xì)怏w分析儀，提高了設(shè)備的安全性和可靠性。

(5)產(chǎn)品下部設(shè)有檢修人孔，可以監(jiān)視殼程內(nèi)蒸汽噴頭堵塞情況，換熱管的結(jié)垢、腐蝕情況。

3 5 000 kg/h丙烷水浴式氣化器操作注意事項(xiàng)

丙烷水浴式氣化器試車(chē)前應(yīng)吹掃干凈整個(gè)系統(tǒng)，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(yán)格控制殼程中水的氯離子含量不超過(guò)5 mg/L，因?yàn)樗械穆入x子會(huì)引起不銹鋼的點(diǎn)腐蝕[2]。

丙烷水浴式氣化器在停運(yùn)時(shí)，應(yīng)檢查氣化器液體進(jìn)液閥是否關(guān)閉，若氣化器外殼水溫是出現(xiàn)低于0 ℃，說(shuō)明進(jìn)液閥有長(zhǎng)時(shí)間泄漏，會(huì)引起氣化器殼程熱水結(jié)冰，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致?lián)Q熱管凍裂。應(yīng)關(guān)閉進(jìn)液閥、緩慢復(fù)溫。開(kāi)車(chē)、停車(chē)或切換操作過(guò)程中應(yīng)緩慢升溫或降溫，嚴(yán)格控制升溫速度，避免造成冷、熱沖擊。

應(yīng)監(jiān)視氣化器殼程中水的溫度，水溫最小為30 ℃，最高為70 ℃。同時(shí)監(jiān)視氣化器的振動(dòng)和噪聲，防止流體誘發(fā)振動(dòng)引起失效。

4 結(jié)語(yǔ)

丙烷水浴式氣化器在設(shè)計(jì)上采用蒸汽加熱方式，能根據(jù)用戶使用量的需要自動(dòng)控制水溫，從而節(jié)約能源、外觀美觀、占地小、操作方便。結(jié)構(gòu)上采用殼體常壓，可抽芯結(jié)構(gòu)，可更換芯子，提高殼體利用率?？刂粕喜捎脺乜睾鸵何豢刂葡嘟Y(jié)合，雙水泵結(jié)構(gòu)(一用一備)，氣化效率高，運(yùn)行穩(wěn)定。國(guó)內(nèi)專門(mén)從事水浴式氣化器的企業(yè)不多，特別是液體丙烷水浴式氣化器的單位更少。此設(shè)計(jì)針對(duì)液體丙烷的水浴式氣化器，其技術(shù)水平先進(jìn)，功能齊全，安全性高，性價(jià)比合理，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)全球一體化激烈競(jìng)爭(zhēng)中占有優(yōu)勢(shì)。