节能型喷射蒸发器的研发

蒋旭

（中空能源设备有限公司）

0 前言

喷射蒸发器是空分装置中的重要设备之一。空分装置在试运行时，需要进行初次含杂质物料排放以及大量不合格液态产品排放；空分装置在正常运行时，当产品纯度不合格或者受到污染时，需要将不合格气液态产品排放掉；当空分装置停车时，需要将装置的上塔、主冷、下塔及管道内的低温液体排放掉，以使装置处于安全状态。

这些低温液体皆处于深冷状态，一般均在-180℃左右，如果直接外排，会对装置基础及人员造成危害。水泥基础遇低温深冷液体，强度会急剧降低，性能将变差；人员若是接触低温液体，会造成低温损伤，表面脱皮，甚至更为严重的后果。因此对于一套空分装置来说，低温液体的安全排放至关重要，必须配置各种残液蒸发器。

1 常用的四种残液蒸发器

目前，常用的残液蒸发器主要有四种形式，即蒸汽喷射蒸发器、空气 （压缩机后，机组停车后无法用，大修时可以用）喷射蒸发器、残液贮槽和配套鼓风机式残液蒸发器等。

蒸汽喷射蒸发器一般是以压力500 kPa左右的过热或者饱和蒸汽作为热源，蒸汽在喷射时会引流少量空气，但是热源仍以蒸汽为主。低温液体以一定流速喷洒入蒸汽流后，迅速吸热蒸发，体积膨胀，流速增大，以较高速度流出。为了防止低温液体将蒸汽冷却至固态结冰，通常蒸汽的流量较大。由于蒸汽流速较大，其噪音一般在120 dB左右，对工作人员的健康影响较大。蒸汽喷射蒸发器一般要具备较为稳定的蒸汽源。

空气喷射蒸发器一般以原料空气压缩机末级出口的空气为热源，进入喷嘴的热空气压力为500 kPa左右、温度为100℃左右。由于空气的饱和度低，所以出现液态水低温冻结的可能性要小很多，同时允许运行的最低温度要低一些。由于空气非相变换热的热值低，汽化时需要大量空气。在上述压力和温度条件下，热空气的焓值为489.4 kJ/kg，相同压力和温度下的蒸汽的焓值为2674.5 kJ/kg，蒸汽与空气比焓值要高达5倍多。若以蒸发1 Nm3/h的低温液空为例，所需原料压缩机末级空气量为3.5 Nm3/h。因此，对于一般的装置排放的液体，需要成倍的空气量，成本较大，同时噪音也比蒸汽喷射蒸发器要大很多。

残液贮槽是利用低温液体容器与自然环境的温差进行缓慢蒸发。采用这种自然蒸发的方式其优点是节省能耗，缺点是时间较长，且所需要的贮槽容积很大，设备占地面积也大，一般1万等级空分装置至少需要500 m3的平底贮槽。平底贮槽在使用的时间间隔上受到一定的限制，通常只能等贮槽内液体量减少到一定程度后才能继续增加液体。

配套鼓风机式残液蒸发器其本质是与空气喷射蒸发器相同的。空气喷射蒸发器以压缩机后原料空气作热源，当机组发生故障时就会导致热源中断。而配套鼓风机式残液蒸发器恰好弥补了这一缺点，其机组不受启停限制，同时热源不需要太高压力，这样可以节省部分能耗。配套鼓风机式残液蒸发器其气量可以在一定范围内调节，解决了来自空压机后的原料空气不太稳定、气量受限制 （需要满足入塔空气量的要求）的难题，但是其对鼓风机的质量要求较高。配套鼓风机不仅应当满足各项性能参数的要求，还要注意鼓风机的低温运行情况、电机的保护等级及绝缘等级、润滑油脂性能 （适用于富氧环境）、静电的产生环境 （三角皮带传动时引起）和风机叶轮叶片的强度、振动等问题。因此，配套鼓风机式残液蒸发器在投资上相对较大。

上述四种类型的残液蒸发器中，残液贮槽的投资较大，其余三种都需要比正常蒸发所需的气量多50%甚至1倍的气体去蒸发，才能保证低温液体不会喷洒在底部的水泥基础上。如果气量较小，就会对水泥基础产生损坏，严重影响其强度和性能，一般选择气量时均有70%左右的余量。所以这三种喷射式蒸发器均存在能耗较大的问题，且还存在低温液体滴落在基础地面上的危险，具有不安全的隐患。

节能型喷射蒸发器是对传统的蒸汽 （或者空气）喷射蒸发器的改进。在传统的喷射蒸发器蒸汽喷嘴处设置密封底板 （材质为不锈钢），可避免低温液体滴洒直接落在水泥地面上。同时，在不锈钢底板上固定电加热盘管，用以加热低温液体和冰。当不锈钢底板上的测温点温度降低至某一值时，电加热器启动加热，将滴落在不锈钢底板上的低温液体及冰加热使之挥发；当温度高于某一值时，电加热器停止加热，处于不运行状态。这样既可节能，又可对低温液体进行安全处理。

2 节能型喷射蒸发器的研发

研发方案：对传统的蒸汽 （空气）喷射蒸发器进行改进，在其喷嘴处设置不锈钢密封底板，同时在底板下面固定电加热盘管用以进行加热；当温度低于一定值 （可以设置）时电加热盘管启动运行，当温度高于一定值时停止加热，这样既可防止低温液体洒漏对水泥基础造成损害，又可实现节能，使得少量蒸汽 （或者空气）即可满足正常运行，不需要消耗大量的富裕蒸汽 （防止低温液体或者冰洒落至地面，需要通过高速流将其带走），同时噪音可降至90 dB以下。

节能型喷射蒸发器研制项目的主要内容如下：研究节能型喷射蒸发器的结构，要求结构合理、性能良好；计算所需电加热盘管的总长度；完成不锈钢底板的结构设计，并确定其抱箍数量及其在不锈钢底板上的布置。

3 节能型喷射蒸发器的工作原理

节能型喷射蒸发器的结构由筒体、支座支腿、液体喷嘴、蒸汽喷嘴、扩速锥体、密封底板和电加热盘管组成，如图1所示。以下介绍各部件的功能及其工作原理。

筒体起控制流速的作用。流速太大则噪音太大；流速太小会导致未汽化的低温液体下落。

图1 节能型喷射蒸发器结构

支座及支腿起支撑的作用。

液体喷嘴起提高液体流速、控制流量的作用，也就是使液体以一定流量、一定流速进入并被汽化。液体流速太低或流量太大就不易被蒸汽冲散，会在局部形成低温区而导致其滴落。

蒸汽喷嘴起提高蒸汽流速的作用。高速蒸汽喷射出后冲击低温液体，既带动其上行，又传导热量使其汽化。

扩速锥体起降低噪音的作用。低温液体汽化后，其体积扩大800倍左右，流速激增，不扩速就会导致噪音过大。

密封底板起防止低温液体滴落在基础地面上的作用。电加热盘管的作用是对未汽化且洒落在密封底板上的低温液体进行加热。

（1）低温液体工作过程：低温液体自冷箱内排液管汇集至排放液体总管，通过V1阀 （见图1）控制其进入节能型喷射蒸发器的流量。在蒸汽量一定，且噪音达到限制值时，若所测筒体温度TE1低于40℃ （可调节），V1阀开度开始关小；若所测筒体温度TE1高于40℃ （可调节），V1阀开度开始开大。控制通过逻辑程序模块UC001实现。

（2）蒸汽工作过程：蒸汽来自蒸汽管网，通过V2阀 （见图1）控制其流量。在噪音较低的工况下，若所测筒体温度TE1低于40℃ （可调节），V2阀开度开始开大；若所测筒体温度TE1高于40℃ （可调节），V1阀开度开始关小。当不锈钢底板温度TE2低于-50℃ （可调节）时，V1阀全开。控制通过逻辑程序模块UC001实现。

（3）电加热盘管工作过程：当不锈钢底板温度TE2低于10℃ （可调节）时，电加热盘管启动加热；当不锈钢底板温度TE2高于10℃ （可调节）时，电加热盘管停止加热。控制通过逻辑程序模块UC002实现。

节能型喷射蒸发器与其他类型喷射蒸发器的比较如表1所示。

表1 几种类型蒸发器的比较

4 结束语

随着空分装置规模的不断增大，由各种工况所引起的液体排放量也越来越大。与之配套的不同类型的残液蒸发器，其热源消耗也各不相同。当前各空分厂家基本上均选用以上四种形式的蒸发器。对于6万等级以上的特大型空分装置，可以考虑选用低温贮槽来存放残液。当装置启动后有液体出现时，液体可以倒灌入塔内，减少装置开车积液时间，从而节省能耗。

节能型喷射蒸发器是一项创新产品。掌握节能型喷射蒸发器的核心技术，在国内外空分设备领域就具有技术领先的优势，有利于开拓新的市场。毫无疑问，该技术在大中型空气分离成套设备中有着广阔的市场前景，对于节能也具有较大的意义。