立式三层冷凝蒸发器的研发

蒋旭

（中空能源设备有限公司，浙江杭州310051）

立式三层冷凝蒸发器的研发

蒋旭

（中空能源设备有限公司，浙江杭州310051）

介绍了空分设备的冷凝蒸发器的工作原理及当前应用的三种形式，详尽阐述了立式三层冷凝蒸发器的结构及工作原理，研发技术的关键所在，同时与其他形式对比，说明其优势及研发的意义。随着空分设备的大型化发展，冷凝蒸发器的换热面积已经成为制约因素之一，开发立式三层冷凝蒸发器将助力我国气体分离行业向6万m3/h等级以上特大型空分设备进军。

立式三层；冷凝蒸发器；研发；设计

1 前言

冷凝蒸发器是空气分离成套装置的核心设备，它主要是将来自下塔的压力氮气冷凝，上塔的液氧蒸发，载体为铝制板翅式换热单元。

冷凝蒸发器内的铝制板式单元为连接上下塔的重要装置，其换热面积的大小，直接关系到换热温差的大小，当主冷凝蒸发器的换热面积小时，主冷凝蒸发器的运行温差大，下塔的工作压力较高，致使空压机排压升高，运行能耗增大；当主冷凝蒸发器的换热面积大时，下塔的工作压力较低，致使空压机排压降低，运行能耗减小。所以空分装置中的冷凝蒸发器不仅影响到系统的正常运行，还与装置的氧、氮、氩等产品的能耗相关。

2 国内外研究现状和发展趋势

随着空分设备规模的不断增大，冷凝蒸发器的大型化也不可避免，冷凝蒸发器规格的大型化后，其技术难度也相应增加。目前，国内外的大型公司均投入大量的人力、物力来解决冷凝蒸发器的大型化设计问题，并取得了不同的效果，但是，由于技术问题过于复杂，冷凝蒸发器工作的可靠性难以得到满意的解决。

由于空分装置正常运行时冷凝蒸发器位于上塔下部，下塔上部，其壳体要与上塔和下塔相连接，所以要求直径上不能相差太大。

而冷凝蒸发器的壳体直径决定所能容纳板式单元的个数，由于受到换热温差的限制，板式单元的高度一般不能太高，否则会出现无效换热面积，所以冷凝蒸发器换热面积的增大只能通过增大壳体直径或者增加个数及层数来解决。

从结构形式上区分，冷凝蒸发器主要有立式单

层、立式双层、卧式多列、降膜主冷等四种类型。其中立式单层结构简单、数只板式排布壳体内，星型布置或者并列布置；立式双层采用上下两层，通过溢流管与升气管连接上下两层；卧式多列结构工作容量大、但是其结构复杂，在冷箱内占据空间较大，配管难度较大，同时支撑只能设置在冷箱壁面，会使得运行时其受到应力较大。降膜主冷运行温差小，一般0.6～0.8 K，节省能耗不小，国内尚未开发应用，其在液体分配器及循环倍率的控制上难度较大，需要通过实验数据解决。

在立式单层冷蒸发器内，铝制板式单元个数一般为1只、2只、4只或6只布置，星型主冷凝蒸发器的铝制板式板式单元个数有3只和5只。多只板式单元的冷凝蒸发器其氮气一般先由总管分流至支管，进入板式单元液化后由支管汇集进入总管，回流下塔。液氧自上塔进入釜内后，在板式单元内汽化，受到重度差作用，不断由下而上进入板式单元，如此形成循环。单层主冷凝蒸发器受到其直径的限制，一般只能满足1.5万等级空分装置的换热面积要求。

立式双层冷凝蒸发器采用上下两层结构，板式单元采用8只或12只布置，换热面积较立式单层扩大一倍，上下层之间设置液氧溢流管与氧气升气管，下塔的氮气与液氮通过汇集管与支管分流到各板式单元，同时设置下部测满管，顶部设置支撑架同上塔相连。

卧式多列为横置多列的板式单元结构，其优点是解决了大型空分大换热面积的要求，但是与上下塔相连接时管路较为复杂，且所占冷箱空间大，不紧凑。

我公司开发的立式多层冷凝蒸发器采用多层化集成的理念，成倍扩大了冷凝蒸发器的换热面积，不仅满足了空分装置大型化后对板式单元换热面积的需求，而且结构紧凑，强化了塔的稳定性，又解决了其工作容量的限制问题，同时避免了卧式多列的复杂结构及其缺点，因此具有很强的竞争力和市场潜力。

3 主要研发内容、技术关键

通过将冷凝蒸发器多层化，利用立式三层冷凝蒸发器大换热面积的优势以代替立式双层冷凝蒸发器及卧式多列冷凝蒸发器。

3.1 立式三层冷凝蒸发器研制项目的主要研发内容

（1）研究立式三层冷凝蒸发器多层结构，使其紧凑合理。

（2）计算气相及液相的汇集管，使之分配均匀，流速控制在合理范围。

（3）计算每层之间气相空间的高度，使得间隔有足够的可靠性。

（4）对多层冷凝蒸发器的内部制造厂内安装及检验做出合理的工艺设计。

3.2 该类项目的技术关键点

（1）应用成熟软件对设备进出口的流场进行计算，最终确定准确的分配管及汇集管直径。

（2）应用成熟软件对内部管路进行合理安排，使得管路走向及应力值在合理范围。

（3）确保各层制造安装逐层、逐步合格，使得多层化后制造工艺能实现。

4 创新结构研发设计

研发的目的是在冷凝蒸发器直径一定的情况下，扩大冷凝蒸发器的换热面积，使得空分装置的大型化乃至特大型化得以实现。

立式三层冷凝蒸发器的工作原理（见图1）为：

（1）氮气冷凝工作回路：氮气来自下塔，由于氮气的工作压力高，冷凝饱和点高，液氧工作压力低，蒸发饱和点低，得以使氮气冷凝，液氧蒸发。氮气自氮气进气管分流至各氮气支管，进入1～3层板式冷凝为液氮，由各个支管汇集至液氮回流汇集管后进入下塔。

（2）液氧蒸发工作回路：液氧来自上塔，由循环液氧泵将上塔（位于地面）底部的液氧加压送入冷凝蒸发器上部，经过闪蒸槽气液分离后，液氧进入第一层冷凝蒸发器，当第一层冷凝蒸发器液氧液位高于板式顶部时，通过液氧溢流管溢流至第二层冷凝蒸发器，氧气自板式空间上部抽出至氧气汇集管；第二层液氧液位至板式高度后，溢流至第三层冷凝蒸发器，氧气顶部抽出至氧气汇集管；氧气自气相顶部抽出至氧气汇集管；在第三层主冷凝蒸发器，内压缩空分设备流程液氧自底部抽出，氧气顶部抽出至氧气汇集管；外压缩流程氧气部分抽出，其余进入上塔，内压缩空分设备流程氧气全部进入上塔。

第三层冷凝蒸发器的液位与内压缩液氧泵系统进行联锁，使得冷凝蒸发器安全运行。

釜式多层主冷凝蒸发器结构为组合板式结构，对于6万～10万等级可采用立式三层结构，满足了空分设备特大型化冷凝蒸发器换热面积的要求。同时降低了空压机排压，节省了能耗。如果换热面积不足，可以扩展到更多层。

图1立式三层冷凝蒸发器

图2立式三层整体板式结构冷凝蒸发器

该冷凝蒸发器是立式整体板式结构，液氧自液氧汇集管首先流入第一层的液氧釜，第一层的液氧釜满后溢流入第二层，第二层满后溢流入底部，其优点是管路少，配管及结构简单，缺点是每层直径均需要有溢流间距（可以设置收集器），否则液氧不能全部溢流至下一层，同时要兼顾气相上升空间，还需要有一定的液氧持液量，这样致使整体板式的截面不能做太大，一般层数不能做到超过4层，否则部分层液氧不足会发生干蒸现象。

这种结构的氮气侧阻力会增大2～3倍，一定程度上致使空压机排压升高，增加了能耗，这也是其不可避免的缺点。

图3降膜主冷凝蒸发器结构

该冷凝蒸发器是板翅式结构，液氧自液氧槽首先流过液氧槽底部的小孔，然后流过水平横置于液氧通道的打孔翅片，这种翅片能促进液氧槽内的液氧均匀分布到液氧通道中，从而达到液氧均匀分布的效果。

5 产品实例对比

为了直观地了解实用新型产品的性能优势，现

列举一实例设计进行性能对比。图1是立式三层结构，通过的多层化后，使其对空气流量的处理流量增加数倍；当前一套15000制氧设备用的冷凝蒸发器，其设备的直径为4400 mm，6只板式；一套60000制氧设备用的双层冷凝蒸发器，其设备的直径为4400 mm，12只板式。

现将立式冷凝蒸发器的特性参数进行对比，详细结果见表1。

表1 空分设备冷凝蒸发器应用的三种结构的参数对比

从表1可知，立式三层可以满足配套的空分装置要远远大于立式单层和立式双层冷凝蒸发器，采用氧气管外伸结构，可以使得壳体内的结构更为简单，内部安装更为方便。独特的液氧溢流管结构，将会使得液氧自上而下流入下一层更为安全，同时第四层设置液氧液位与液氧泵系统联锁（内压缩空分设备流程同产品液氧泵系统联锁，外压缩流程同循环液氧泵联锁），从而使得液氧液位不低于板式高度的80%，使得装置安全稳定运行。

6 产品优势

随着空分装置的大型化及特大型化的进程不断推进，6～12万等级的空分设备不断问世，传统的单层冷凝蒸发器及立式双层冷凝蒸发器由于直径受限制使其换热面积不能满足要求，卧式多列主冷由于其配管及支撑问题缺点较多使其不能推广，由此开发三层乃至四层冷凝蒸发器以满足空分装置大型化后冷凝蒸发器换热面积无法满足（温差不能太大，否则能耗太高）的难题，研发多层主冷可解决6～12万等级的空分设备的冷凝蒸发器所需大换热面积问题。

7 研发意义

步入21世纪以来，我国浮法玻璃、集成电子、冶金行业、石油化工及煤化工等行业的强势崛起，使得我国气体分离行业的发展进入了一个新阶段。特别是煤化工项目的集中发力，促使与其所配套的空分等级越来越大，一般均在6万等级以上，8～12万等级特大型空分装置的市场需求频频出现，随着设备性能及规格要求的不断增加，主冷凝蒸发器已成为制约空分装置特大型化的因素之一，而空分装置的大型化发展已成必然趋势。中空能源设备有限公司的技术队伍是由行业内的骨干人员组成，熟悉行业设备的设计标准及行业的最新动态。这次立式多层冷凝蒸发器的研制，可以促进公司的技术创新，加速公司科技进步，确保公司在世界空分市场竞争中处于高起点的领先地位，增强企业核心竞争力。

中空能源设备有限公司积极响应国家建设节能环保型工业的号召，不断创新实践，积极自主研发，许多新技术都走在国内乃至世界前列，此次立式三层冷凝蒸发器的问世，将会解决6万等级以上空分设备主冷凝蒸发器换热面积不足的难题，为我国乃至世界气体分离行业的进步做出了贡献。

Research and Development of Vertical Three-layer Condensation Evaporator

JIANG Xu
(Zoko Energy Equipment CO.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 310051,China)

The working principle and current three application models of condensation evaporator for air separator are introduced.The structure,working principle and key points in research and development of the vertical three-layer condensation evaporator are described in detail,and at the same time the advantages and significance of research of the evaporator are presented through comparison with other models.With the large-scale development trend of air separation units,the heat exchange area of condensation evaporator has become a restraining factor,so the development of vertical three-layer condensation evaporator will upgrade domestic air separation sector to extra-large separators above 60 000 m3/h.

vertical three-layer;condensation evaporator;research and development; design

TB657.7

B

1006-6764(2014)05-0034-04

2013－11－25

蒋旭（1983－），男，2009年毕业于西安交通大学过程装备与控制工程专业，工程师，现从事大型空分设备的设计及研究工作。