空分裝置主冷凝蒸發(fā)器氮側(cè)冷凝液化工況討論

李燕鵬，丁傳琪，王 波

(中國空分設(shè)備有限公司，浙江杭州 310051)

采用雙級精餾塔的大型空分裝置中，設(shè)置于上、下塔之間的主冷凝蒸發(fā)器(以下簡稱主冷凝器)因上、下塔操作壓力不同，主冷凝器氮側(cè)飽和氣氮冷凝液化放熱，同時氧側(cè)飽和液氧吸熱沸騰氣化，分別為下塔提供所需回流液，為上塔提供所需上升蒸氣，使上、下塔精餾工藝過程得以穩(wěn)定、連續(xù)運行。主冷凝器是空分裝置關(guān)鍵單元設(shè)備。

主冷凝器氧側(cè)液氧沸騰氣化機理以及兩相流動工況的理論研究、設(shè)計計算一直為研究者所關(guān)注，有大量分析研究文章發(fā)表。相對而言，氮側(cè)氣氮冷凝液化工況比較簡單，不太為人們關(guān)注，分析研究文章比較少見。

現(xiàn)代空分裝置規(guī)格品種不斷趨于大型化、多樣化。目前，已經(jīng)有“10萬”～“12萬”及以上超大型多泵內(nèi)壓縮流程在制造、研發(fā)中(“10萬”～“12萬”數(shù)值均指小時氧產(chǎn)品標立產(chǎn)量)。作為關(guān)鍵單元設(shè)備的主冷凝器規(guī)格型式也隨之大型化、多樣化。由此，主冷凝器氮側(cè)氣氮冷凝液化過程也出現(xiàn)了以往少見的工藝工況，需要加以分析研究。本文僅就此進行一些討論，以引起空分廠家設(shè)計者的關(guān)注。

1 主冷凝器結(jié)構(gòu)的幾種型式及其氣氮冷凝液化工況的主要特征

1.1 銅制列管、盤管式主冷凝器

上世紀60～70年代，以“150”空分裝置短管列管式主冷凝器為代表。其主冷凝器為采用規(guī)格Φ8×0.5 mm銅管，管長為600 mm，1783根短管同心圓排列的短管列管式主冷凝器結(jié)構(gòu)。管內(nèi)氣氮冷凝液化，管間空間液氧沸騰氣化。直至今日仍有中、小型空分裝置采用類似短管列管式主冷凝器結(jié)構(gòu)。

與上述同時期，大型空分裝置，以“6000”空分裝置長管列管式主冷凝器為例，采用 Φ10×0.5 mm，管長3000 mm，16212根長管同心圓排列的長管列管式主冷凝器結(jié)構(gòu)。管內(nèi)液氧沸騰氣化，管間空間氣氮冷凝液化。另外還有“3350”空分裝置盤管式主冷凝器結(jié)構(gòu)，管內(nèi)液氧沸騰氣化，盤管管間空間氣氮冷凝液化。當時，大型空分裝置主冷凝器多采用類似長管列管式或盤管式主冷凝器結(jié)構(gòu)。

以上實例看到，氣氮要么在L=600 mm，Φ8×0.5 mm短管列管管內(nèi)冷凝液化，要么在L=3000 mm，Φ10×0.5 mm長管列管管間空間或盤管管間空間冷凝液化。結(jié)構(gòu)上有一顯著特點，即氣氮流通截面積及冷凝空間顯得都比較“寬敞”(相對冷凝液化表面積而言)。工程設(shè)計上認為飽和氣氮沿程壓力降即流動阻力數(shù)值很小，可以忽略不計，即在以上主冷凝器結(jié)構(gòu)中，認為氣氮冷凝液化過程是一個飽和壓力不變，同時飽和溫度也不變的等壓、等溫冷凝液化過程。這一認識是當時冷凝放熱有關(guān)計算的理論基礎(chǔ)，也是可以滿足工程設(shè)計需要的，接近當時空分裝置的實際運行工況。

1.2 鋁制板翅式主冷凝器的出現(xiàn)及氣氮冷凝液化工況新的情況

上世紀80年代，以引進西德林德公司技術(shù)為契機，大型空分裝置技術(shù)有了長足進步。相繼出現(xiàn)第五代、第六代大型空分裝置，鋁制板翅式換熱器成功的使用在大型空分裝置中，主冷凝器也出現(xiàn)了板翅式主冷凝器結(jié)構(gòu)型式(簡稱板式主冷凝器)。

以最早開發(fā)也最具代表意義的“6000”空分裝置為例，其板式主冷凝器設(shè)計、結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 “6000”空分裝置主冷凝器設(shè)計、結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 The design and structure parameters of main condenser in 6000 ASU

由表1知道，與氣氮在銅管短管列管管內(nèi)、長管列管管間空間冷凝液化不同，板翅式主冷凝器氣氮在特殊細長狹窄翅片通道內(nèi)冷凝液化。其當量直徑de=2.02 mm很小，長度L=1800 mm很長，L/de=891長徑比很大，屬于微小直徑、長通道、換熱面積高度密集的氣氮冷凝液化。其容積表面積值為1500～2500 m2/m3，是列管式換熱器的8～20倍之多。單位容積換熱面積大是其最主要的特點之一，與之相應(yīng)的飽和氣氮在高度緊湊狹窄翅片通道內(nèi)冷凝液化的沿程壓力降即流動阻力值是不能忽視的。

氣氮在板式冷凝器冷凝液化及返回下塔頂部原理示意圖見圖1。

圖1中，由下塔頂部引出飽和氣氮在板式主冷凝器氮側(cè)翅片通道自上而下不斷冷凝液化，沿程液膜下流不斷加厚，液膜流速不斷加快，飽和氣氮量沿程不斷減少，飽和壓力亦隨之降低。板式主冷凝器下端液氮(氣氮)出口壓力P2相對上端氣氮進口壓力P1而言形成一定差壓，該差壓值可認為是氣氮在翅片通道沿程流動壓力降即阻力值。林德公司推薦，表1中板式主冷凝器單元尺寸(L=1800～2100 mm)，飽和氣氮壓力降即阻力值為 900 mmH2O［1］。國內(nèi)還從未有人進行這方面理論計算或測試。林德公司推薦的這一數(shù)據(jù)是理論計算還是實測未見提及。900 mmH2O這一數(shù)據(jù)被國內(nèi)空分制造廠采用并一直沿用至今。筆者根據(jù)大型空分裝置(板式主冷凝器一般都在L=1800～2100 mm)操作經(jīng)驗，這一氣氮側(cè)冷凝液化過程壓力降(阻力值)確實是存在的，數(shù)據(jù)大體上吻合。

圖1中，正是由于氮側(cè)氣氮在翅片通道冷凝液化沿程壓力降(阻力值)的存在，即P1－P2=ΔP，在大型空分裝置冷箱管道配管設(shè)計時，林德公司給出了較低壓力P2液氮返回較高壓力P1(下塔頂部壓力)必須滿足的有效回流液氮柱壓頭H·rLN2的計算方法以及防止下塔頂部飽和氣氮倒流入液氮回流管的有效液封液氮柱高度Hs·rLN2的計算方法，詳見資料［1］，此處不再討論。

圖1 氣氮冷凝液化返回下塔原理示意圖Fig.1 The principle schematic diagram of gas nitrogen condenses，liquefies and returns to lower column

由熱力學(xué)原理知道，板式主冷凝器氮側(cè)飽和氣氮不斷冷凝液化沿程飽和壓力不斷降低，相應(yīng)飽和溫度亦隨之降低。表1中僅列出氮側(cè)翅片通道L=1800～2100 mm壓力降(阻力值)為900 mmH2O柱。當?shù)獋?cè)翅片通道加長至3000 mm、4000 mm甚至更長，定會使氮側(cè)飽和壓力、飽和溫度降至更低。理論上講會使總傳熱溫度差趨于更小(甚至為零)，以至于整個板式主冷凝器都不能按原設(shè)計參數(shù)正常工作(偏離原設(shè)計工況，采用人為開大空透導(dǎo)葉升高下塔壓力等操作不在討論范圍)。

以下舉一例加以討論。

2 舉例“氮側(cè)一程、氧側(cè)多層加長板式主冷凝器”結(jié)構(gòu)的采用

目前，國內(nèi)有空分廠家采用“氮側(cè)一程，氧側(cè)二層加長主冷凝器”結(jié)構(gòu)，已投入使用，未見詳細測試報告。

圖2為“氮側(cè)一程、氧側(cè)三層加長板式主冷凝器”結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。

圖3為“氮側(cè)一程，氧側(cè)三層加長板式主冷凝器”原理流程計算示意圖。

表2為圖3所示“氮側(cè)一程，氧側(cè)三層加長板式主冷凝器”原理流程計算中各點參數(shù)值。

圖2 氮側(cè)一程、氧側(cè)三層加長板式主冷凝器結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖Fig.2 The structure and working principle schematic diagram of nitrogen-side-one-route and oxygen-side-three-layers extension plate-fin main condenser

圖3 氮側(cè)一程，氧側(cè)三層加長板式主冷凝器原理流程計算示意圖Fig.3 The principle of process calculation schematic diagram of nitrogen-side-one-route and oxygen-side-three-layers extension plate-fin main condenser

表2 圖3中板式主冷凝器氮側(cè)、氧側(cè)各點對應(yīng)參數(shù)表Table 2 The parameters table corresponds to nitrogen side and oxygen side of plate-fin main condenser shown in fig 3

對表2氮側(cè)、氧側(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)處理做如下幾點說明:

1.加長板式主冷凝器的總長～6600 mm，氮側(cè)一程～6600 mm，氧側(cè)共三層，每層2200 mm，均全浸操作，氣氧側(cè)出口含氣量31%(循環(huán)倍率3.226)。

2.氮側(cè)一程 ～6600 mm(參照表1氮側(cè)通道1800 mm，阻力為900 mmH2O柱)，取總阻力值為2800 mmH2O柱。氮側(cè)對應(yīng)氧側(cè)各層阻力分配依氮氣量多少(氣量平方關(guān)系)進行分配，即氮側(cè)阻力(對應(yīng)氧一層):氮側(cè)阻力(對應(yīng)氧二層):氮側(cè)阻力(對應(yīng)氧三層)=32:22:12=1800 mmH2O柱:800 mmH2O柱:200 mmH2O柱。

3.其余氮側(cè)、氧側(cè)操作壓力、溫度均按常規(guī)(參照表1)確定。物料、能量平衡由ASPEN HYSYS軟件計算給定。

3 利用 ASPEN HYSYSVERSION7.2計算機軟件計算結(jié)果

由于篇幅原因計算機軟件計算結(jié)果表格及圖表略去。氮側(cè)一程與氧側(cè)三層傳熱溫差曲線見圖4。

計算機軟件計算結(jié)果中部分數(shù)據(jù)見表3。

表3 氧側(cè)三層對應(yīng)的熱端溫差、冷端溫差、積分溫差、最小溫差值Table 3 The warm end temperature difference，cold end temperature difference，integration temperature difference and minimum temperature difference values correspond to oxygen-side-three-layers

圖4 氮一程、氧側(cè)三層溫度變化曲線Fig.4 The curve of temperature change in nitrogen-one-route and oxygen-side-three-layers

對表2、表3中數(shù)據(jù)及軟件計算數(shù)據(jù)的幾點討論:

1.如圖2、圖3所示，由于氮側(cè)一程連續(xù)與氧側(cè)共三層傳熱的結(jié)果，氮側(cè)不斷冷凝液化，飽和壓力不斷降低，飽和溫度亦隨之降低。軟件計算結(jié)果:飽和壓力由氣氮進口0.5780 MPa降至液氮出口0.5500 MPa，沿程飽和壓力降低0.028 MPa=2800 mmH2O柱;飽和溫度由氣氮進口95.923 K降至液氮出口95.264 K，沿程飽和溫度降低0.659 K(見表2)。對總傳熱溫差僅為1.3～1.5 K(見表1)的板式主冷凝器而言，是占一定比例的，其數(shù)值是不能忽略的。

2.氮側(cè)一程與氧側(cè)共三層的傳熱溫差:熱端溫差、冷端溫差、積分溫差、最小溫差，由一層至三層依次都出現(xiàn)遞減狀態(tài)。

1)氧二層相對氧一層積分傳熱溫差減少(1.452－1.147)/1.452=21%

最小傳熱溫差減少(0.6750－0.4764)/0.6750=29%

2)氧三層相對氧一層積分傳熱溫差減少(1.452－1.041)/1.452=28%

最小傳熱溫差減少(0.6750－0.4230)/0.6750=37%

3)氧三層相對氧二層積分傳熱溫差減少(1.147－1.041)/1.147=9%

最小傳熱溫差減少(0.4764－0.4230)/0.4764=11%

計算結(jié)果表明，氧二層、氧三層相對氧一層積分傳熱溫差分別減少了21%、28%。由氧一層至氧三層傳熱能力依次遞減，氧二層和氧三層都達不到氧一層的傳熱能力。特別是氧三層的積分傳熱溫差僅為1.041 K、最小傳熱溫差0.4230 K，在設(shè)計參數(shù)條件下能否連續(xù)穩(wěn)定工作是值得懷疑的。

3.傳熱學(xué)基本理論有:積分傳熱溫差(即表1中“傳熱總溫差”)的減少是氮側(cè)傳熱溫差Δt冷凝及氧側(cè)傳熱溫差Δt沸騰分別不同程度減小的結(jié)果。而兩側(cè)傳熱溫差 Δt冷凝、Δt沸騰分別以實驗準則數(shù)方程式形式與兩側(cè)放熱系數(shù)α冷凝，α沸騰相關(guān)聯(lián)?？倐鳠嵯禂?shù)表達式 K ∝ 1/(1/α冷凝+1/α沸騰)，在空分裝置板式主冷凝器傳熱溫差設(shè)計范圍內(nèi)，Δt冷凝、Δt沸騰兩者減小的結(jié)果，最終使得總傳熱系數(shù)K趨于減小。以上參數(shù)互為依存、相互影響、互為因果關(guān)系。

4.結(jié)合傳熱方程式Q=K·F·Δt，由“2點”知氧一層至氧三層傳熱積分溫差依次減小，由“3點”知氧一層至氧三層傳熱系數(shù)K依次減小，Δt、K二者同時減少共同促使氧二層、氧三層傳熱量達不到氧一層傳熱量。最終三層總傳熱量達不到設(shè)計工況條件下額定的傳熱量。

4 結(jié)論

1.本文從理論計算數(shù)據(jù)分析及傳熱學(xué)原理角度說明，本案所示“氮側(cè)一程、氧側(cè)三層加長板式主冷凝器”結(jié)構(gòu)在實際運行中氧側(cè)三層都可能偏離表1中所列板式主冷凝器設(shè)計參數(shù)值。

2.本案中氧一層至氧三層不可避免傳熱工況依次遞減(惡化)，其中氧三層(最下層)積分平均溫差減小至1.041 K，最小傳熱溫差減小至0.4230 K。能否正常按設(shè)計工況連續(xù)穩(wěn)定工作值得商榷。

3.從經(jīng)典傳熱方程式Q=K·F·Δt分析，氧一層、二層、三層積分傳熱溫差Δt由氧一層至氧三層依次遞減，同樣傳熱系數(shù)K也依次遞減。在各層換熱面積F一樣的情況下，各層傳熱負荷Q也依次遞減。最終使得氧側(cè)三層總傳熱負荷達不到額定設(shè)計熱負荷(當然可以采取提高空透排壓以提高下塔氮側(cè)操作壓力的方法，來滿足總傳熱負荷要求。但這勢必偏離原設(shè)計工況參數(shù)，最終以增加裝置能耗為代價，這要另當別論)。

4.建議采用氮側(cè)多層配氧側(cè)多層嚴格意義上的多層主冷結(jié)構(gòu)［2］。這種結(jié)構(gòu)實際上是表1所示板式主冷凝器上、中、下多層疊加型式，各層氮側(cè)、氧側(cè)參數(shù)基本上與表1所列參數(shù)一致。嚴格意義上的多層主冷結(jié)構(gòu)及配管特別是氮側(cè)配管更復(fù)雜，但工程設(shè)計計算時理論依據(jù)更強。

實際裝置中，采用本案板式主冷凝器(氮一程，氧一、二、三層)結(jié)構(gòu)，對氮側(cè)在板式翅片通道壓力降(阻力值)需特別加以關(guān)注，這個壓力降(阻力值)是不能忽略的，必須加以考慮。

以上內(nèi)容僅為與各位同仁討論，不當之處多請批評指正。

［1］杭州制氧機廠.第一批西德林德公司10000 Nm3/h制氧機學(xué)習(xí)總結(jié)［Z］.1980.

［2］蔣旭.立式三層冷凝蒸發(fā)器的研發(fā)［J］.冶金動力，2014(5):34-37.