5 000 kg/h丙烷水浴式气化器的优化设计

陆丽姣，王贝贝，余铁浩 (杭州杭氧低温容器有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

常态的丙烷是气态化学品，而在催化裂化装置生产出丙烷呈液态。经脱硫化氢、脱硫醇后丙烷由气分装置分离生成。在工业生产中丙烷主要用于金属零件淬火、渗碳的保护气、与丁烷混合作雾化剂，脱沥青溶剂及高热值燃料。丙烷作为易燃气体，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。其与氧化剂接触猛烈反应，气体比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。丙烷属无色无味有毒气体，易燃易爆，毒性程度为“轻度危害”，属于“爆炸危险介质”，能与空气形成爆炸性混合物。在设计和操作气化器时，应掌握其特性，才能更好地设置安全措施。

丙烷水浴式气化器是把液态丙烷通过气化器气化成气体的过程。气化器主要有空浴式气化器和水浴式气化器两种。空浴式气化器一般为铝合金或不锈钢材质型材管，利用周围大气作为热源，通过大气的自然对流与管内低温液体进行换热，换热效率低，且受环境温度影响，运行不稳定[1]。水浴式气化器是通过壳程热水与管程低温液体进行换热，再配备循环水泵，实现强制对流，强化换热效果，因此换热效率高。由于丙烷的热值高，温差区间小，若采用空浴式气化器所需的体积大，而采用水浴式气化器占地小，同时也节省成本。

1 5 000 kg/h丙烷水浴式气化器的设计

1.1 换热计算

丙烷水浴式气化器设计，首先根据物性参数对换热过程进行计算，计算出所需要的蒸汽耗量以及换热面积。

已知壳程的物性参数：热水标态下质量密度ρNo=1 000 kg/m3，热水进口温度Tio=60 ℃，热水出口温度Tio=60 ℃，蒸汽压力Pis=1.0～1.2 MPa(g)，蒸汽温度TS=250 ℃，查出蒸汽潜热r=2 620.3 kJ/kg。

已知管程的物性参数：丙烷标态下质量密度ρNi=1.83 kg/m3，质量流量Msi=50 000 kg/h，得出标态下体积流量Vi=Msi/ρNi=27 322.4 m3/h；液体丙烷压力Pi=1.0 MPa(g)，进口温度Tii=20/293 ℃/K，算出进口热流Hii=-32 759 850.0 kcal/h，出口温度Toi=40/313 ℃/K，算出出口热流Hoi=-118 211 858.9 kJ/h。

首先计算的是5 000 kg/h液体丙烷换热所需要的总的热负荷：Q=Hoi-Hii=18 916 015.1 kJ/h，再根据总热负荷，计算出所需蒸汽耗量QS=Q×1.1/r=7 953 kg/h。此处为了补偿运行中的热损耗，所需蒸汽耗量放了10%的余量。

最后根据温差计算出气化器所需要的换热面积，换热管数量。热端温差△t1=Too-Tii=40 K，冷端温差△t2=Tio-Toi=20 K，平均温度△tm=(△t1-△t2)/(ln△t1-ln△t2)=28.853 K，换热面积S=Q/(K×△tm)=284 m2，其中传热系数K取经验取值1 883.6～2 302 kJ/(m2·h·K)。此气化器换热管规格选用φ25×2 mm，每个绕管长度取l=22 m，计算出换热管总长度L=S/(πd0)=3 616 m，所需换热管数量为N=L/l=164根。

1.2 产品结构

丙烷气化器结构如图1所示。由圆柱形水箱、绕管式换热芯、进液和出气管道、蒸汽喷射管、水泵循环管路、溢流管、温度控制接点、液位控制接点以及安全泄放口等零件组成。设备主要零部件均以不锈钢制造，以保证气化器在低温下正工作。

图1 丙烷水浴式气化器设备简图

1.3 工作原理

首先圆柱形水箱中充满低氯离子水(＜5×10-6)，低氯离子水经蒸汽管喷射蒸汽而不断升温。水箱中的热水由水泵从水箱下方抽取，经水泵送到水箱上部返入水箱，形成闭路循环。同时，水箱中的热水以一定速度从绕管管束的间隙流过，并与绕管内的低温液体进行换热。然后丙烷液体由进液口进入，流经环形下环管，经数个盘管接头分流进入绕管式换热芯，换热管内丙烷液体与管外热水进行热交换。丙烷液体由此获得热量，不断蒸发，经绕管接头汇集进入环形上环管，并通过顶部出气管以气体状态输出。从热力学原理解释就是，热量由水蒸汽传递给流动水，再由流动水传递给换热管内的低温液体，这是个热传递过程。

1.4 优化设计

丙烷水浴式气化器在结构设计上充分考虑了如何使得实物流体流路为符合传热过程和传热模型。低温液体从上而下进入，壳体内热水从下而上，热水流动方向与换热管内低温液体流动方向为逆向，从而实现更好换热。采用上下环管均匀分配技术，保证管程内流体的不偏流。换热芯采用绕管式结构，即在中心筒与外筒之间的空间内将换热管按螺旋线形状交替缠绕而成，相邻两层螺旋状换热管的螺旋方向相反，并采用一定形状的定距件使之保持一定的间距。其优点是换热管结构紧凑，占地小；单位容积具有的传热面积大，传热效率高，换热管的热膨胀可自行补偿。另外蒸汽管，进液管和出气管都悬挂在顶盖上，整个管束可实现抽芯，方便以后检修和更换换热芯。

常见蒸汽加热水浴式气化器，运行时振动大，对内部换热管容易造成冲击，引起换热管破损失效。此丙烷水浴式气化器蒸汽管采用多孔笼式结构，即在蒸汽管底部布置适当孔径及数量的小孔，小孔每排错开分布，喷射时可以互相抵消反冲力，并及时将蒸汽管道底部所形成的冷凝水直接排至管道外部。避免了蒸汽与冷凝水在管道内部的接触，减小了气化器的振动。

普通水浴式气化器内部换热管，一般采用有缝不锈钢管或者无缝拼接管，存在泄漏可能。此丙烷水浴式气化器，设计时内部换热管采用GB/T 151—2014规定的I级管束，选用无缝不锈钢管，洛氏硬度≤86，不拼接，在制造前逐根进行气压试验，保证整个换热芯子不泄漏。普通水浴式气化器的环管与进液管之间是采用插入焊结构，焊缝内表面不能保证齐平，对于丙烷介质存在安全风险，且焊缝容易有裂纹，计算时需要开孔补强计算，所需管壁较厚，此丙烷水浴式气化器对该结构进行优化设计，将原来插入焊改为等径三通对焊连接形式，能保证焊缝内表面齐平，光滑过渡，提高了气化器运行的安全性，同时降低了管子厚度，降低了成本。整个管程全部对接焊缝都要求100%渗透检测加100%射线检测，以保证焊缝质量。

普通水浴式气化器都设有下抱圈，部分现场发现下抱圈在气化器运行后由于震动容易掉下，导致换热管被刮伤现象，此丙烷水浴式气化器对该结构进行了优化设计，取消下抱圈，采用在下部环管上做三角支撑形式。此三角支撑相对于之前的抱圈，不仅避免了下抱圈掉落，还减少了材料，降低了成本。

水浴式气化器运行时可根据温度变送器的信号调节蒸汽调节阀开度，更好得控制水箱水温，使气化器运行保持正常。普通水浴式气化器只设置2个温度变送器，上部下部各1个；此丙烷水浴式气化器设计时配了4个温度变送器，上部3个下部1个，上部3个均匀分布在气化器外筒体一周，采用三取二控制形式，避免了壳体内水温不均导致控制错误。

丙烷水浴式气化器相对于普通水浴式气化器，增加了液位变送器，用于检测外筒液位；当液位低于设定值时，中控室会自动联锁关闭进液口处的进液阀，防止低温液体进入冻裂换热管。并且在溢流口处设置了丙烷可燃气体分析仪，当换热管泄漏时，丙烷气体从溢流口处排出，在地沟处可燃气体浓度增加，当丙烷气体浓度达到40% LEL时引起报警。

循环水泵可以将水浴式气化器底部热水打入上部，进行强制循环，从而形成强制对流，使气化器更好换热。此丙烷水浴式气化器设计时设置了两台循环水泵，采用一备一用，当一台泵出现故障时，另一台泵自动启动，更好地保证了丙烷气化器的正常运行。

2 5 000 kg/h丙烷水浴式气化器的先进性

与当前国内其他水浴式气化器设备相比，本产品的先进性主要有：

(1)采用蒸汽加热方式，能根据用户使用量自动控制蒸汽量，从而控制水温。

(2)采用壳体常压，可抽芯结构，可更换芯子，提高壳体利用率。

(3)采用温控和液位控制相结合，双水泵结构(一用一备)，气化效率高，运行稳定。

(4)丙烷为易燃、易爆介质，本产品设计时，换热管采用不拼接的无缝不锈钢管，管程全部焊缝进行100% 射线检测及100% 渗透检测，保证焊缝质量，杜绝管程内丙烷泄漏的隐患，本产品还设置了可燃气体分析仪，提高了设备的安全性和可靠性。

(5)产品下部设有检修人孔，可以监视壳程内蒸汽喷头堵塞情况，换热管的结垢、腐蚀情况。

3 5 000 kg/h丙烷水浴式气化器操作注意事项

丙烷水浴式气化器试车前应吹扫干净整个系统，禁止把碳钢管路上的铁锈、焊渣等带入蒸汽喷管中，以免堵住喷管小孔。第一次灌装的水，严格控制壳程中水的氯离子含量不超过5 mg/L，因为水中的氯离子会引起不锈钢的点腐蚀[2]。

丙烷水浴式气化器在停运时，应检查气化器液体进液阀是否关闭，若气化器外壳水温是出现低于0 ℃，说明进液阀有长时间泄漏，会引起气化器壳程热水结冰，严重时导致换热管冻裂。应关闭进液阀、缓慢复温。开车、停车或切换操作过程中应缓慢升温或降温，严格控制升温速度，避免造成冷、热冲击。

应监视气化器壳程中水的温度，水温最小为30 ℃，最高为70 ℃。同时监视气化器的振动和噪声，防止流体诱发振动引起失效。

4 结语

丙烷水浴式气化器在设计上采用蒸汽加热方式，能根据用户使用量的需要自动控制水温，从而节约能源、外观美观、占地小、操作方便。结构上采用壳体常压，可抽芯结构，可更换芯子，提高壳体利用率。控制上采用温控和液位控制相结合，双水泵结构(一用一备)，气化效率高，运行稳定。国内专门从事水浴式气化器的企业不多，特别是液体丙烷水浴式气化器的单位更少。此设计针对液体丙烷的水浴式气化器，其技术水平先进，功能齐全，安全性高，性价比合理，在市场经济全球一体化激烈竞争中占有优势。