高 云

［四川空分設(shè)備(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川簡(jiǎn)陽(yáng)建設(shè)中路239號(hào) 641400］

制取氬氣的空分裝置有粗氬塔和純氬塔，粗氬塔與純氬塔塔頂有冷凝器，本文探討了粗氬、純氬冷凝器液體管路設(shè)計(jì)對(duì)氬系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

1 氣相出氬系統(tǒng)冷凝器的方式與氬系統(tǒng)流程簡(jiǎn)介

氬系統(tǒng)的冷凝器(粗氬冷凝器、純氬冷凝器)為板翅式換熱器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)板式)，粗氬氣從粗氬冷凝器的板式的頂部側(cè)面進(jìn)入，粗氬液體從板式的底部側(cè)面流出，純氬塔的上升氣從純氬冷凝器的頂部側(cè)面進(jìn)入，純氬冷凝器的冷凝液從底部側(cè)面流出。粗氬、純氬冷凝器冷凝側(cè)的氣相以不凝氣方式排出，對(duì)板式來(lái)說(shuō)，連續(xù)的不凝氣排放有利于傳熱，同時(shí)也是氬系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的先決條件。

冷凝器不凝氣從板式中排出有兩種方式，一是從底部側(cè)面排出，見(jiàn)圖1(a)，二是從頂部側(cè)面排出，見(jiàn)圖1(b)，兩種氣相排出方式各有利弊。

圖1 氬冷凝器氣相出方式Fig.1 The way of pure condenser gas phase discharge

不凝氣從底部排出方式，原料氣經(jīng)過(guò)換熱冷凝后，不凝結(jié)的氣相排出，但在下封頭處為氣液共存，如果氬冷凝器回流不暢會(huì)造成不凝氣排放不暢;不凝氣從頂部排出方式，能保證取出不凝氣為純氣相，但由于進(jìn)氣口也在上部，未經(jīng)換熱冷凝的原料氣會(huì)混在不凝氣中排出。本文討論的氬冷凝器氣相排出方式為圖1(a)對(duì)氬系統(tǒng)的影響，即冷凝液與不凝氣從板式底部側(cè)面排出，位于板式的下封頭的氣相出口高于液相出口。

采用粗氬冷凝器與純氬冷凝器下部封頭引出氣相的氬系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。來(lái)自上塔的氬餾分經(jīng)粗氬塔(Ⅰ)、粗氬塔(Ⅱ)，進(jìn)入粗氬冷凝器的板式頂部，冷凝液與粗氬氣從板式底部側(cè)面封頭出，粗氬氣進(jìn)入純氬塔中上部，純氬塔頂部的上升氣進(jìn)入純氬冷凝器的板式頂部，純氬冷凝液與不凝氣從板式的底部側(cè)面封頭出。

圖2 氬系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖Fig.2 Argon system flow chart

2 氬冷凝器對(duì)氬系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響

影響氬系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的因素較多，如進(jìn)出物料、冷熱源穩(wěn)定:氬餾分、冷凝器的冷源、蒸發(fā)器的熱源、氬產(chǎn)品。下面討論氬冷凝器對(duì)氬系統(tǒng)的影響。

由于粗氬冷凝器、純氬冷凝器采用了在板式的下部封頭引出冷凝液與不凝的氣相，在板式封頭處為氣液兩相，氣相出口的位置應(yīng)高于液相出口，見(jiàn)圖3。圖3(a)為板式封頭處的正常狀態(tài)，冷凝器的冷凝液低于不凝氣口，圖3(b)為非正常狀態(tài)，在板式封頭中冷凝液已超過(guò)不凝氣引出口。當(dāng)出現(xiàn)圖3(b)狀態(tài)時(shí)，會(huì)造成不凝氣管內(nèi)有液體，不凝氣管一般為向上引出，不凝氣無(wú)法排出，液氬擠入向上段的不凝氣管，隨著不凝氣管中液位增高，板式中的液位也不斷升高，液體也會(huì)占用換熱面積，不凝氣也不斷在板束體內(nèi)聚集，因克服不凝氣向上段中液柱壓力，板束體中的壓力升高。當(dāng)壓力升高到一定程度，將不凝氣管路中液體短時(shí)間頂出，不凝氣才得以排放。隨著時(shí)間的推移，板式封頭液位逐漸增高，再次形成圖3(b)中狀態(tài)，重復(fù)上述過(guò)程，造成氬冷凝器壓力周期性波動(dòng)，不凝氣周期性排出，會(huì)引起氬系統(tǒng)壓力波動(dòng)，甚至上塔的壓力波動(dòng)。

圖3 氬冷凝器運(yùn)行狀態(tài)示意圖Fig.3 Schematic diagram of argon condenser operation status

對(duì)粗氬冷凝器出現(xiàn)圖3(b)狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)粗氬塔(Ⅰ)、粗氬塔(Ⅱ)壓力周期性波動(dòng)，當(dāng)粗氬氣被粗氬冷凝器液體阻擋時(shí)，純氬塔無(wú)粗氬氣進(jìn)入，純氬冷凝器無(wú)粗氬氣補(bǔ)充，將純氬塔內(nèi)上升氣冷凝，會(huì)造成純氬塔壓力降低，嚴(yán)重時(shí)甚至可能引起純氬塔為負(fù)壓。

對(duì)純氬冷凝器出現(xiàn)圖3(b)狀態(tài)，首先引起純氬塔壓力波動(dòng)，純氬塔的壓力波動(dòng)進(jìn)而引起粗氬冷凝器、粗氬塔壓力波動(dòng)。波動(dòng)過(guò)程中由于不凝氣中有液相擠出，還會(huì)造成液氬產(chǎn)品損失。

由此可見(jiàn)，氬冷凝器要穩(wěn)定運(yùn)行必須為圖3(a)狀況，不凝氣口應(yīng)高于液體液面。

3 氬冷凝器的管路設(shè)計(jì)

3.1 不凝氣排放管

不凝氣排放管口要求高于液面，應(yīng)盡量布置于板式下封頭上較高的位置，理論上管口允許內(nèi)伸，只要高于液面即可，實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)采用與封頭內(nèi)平齊的方式，板式裝配過(guò)程中應(yīng)作為重點(diǎn)控制項(xiàng)。

3.2 液體回流管路

氬冷凝器管路示意圖見(jiàn)圖4，氬氣在冷凝器中的流動(dòng)是由液氬回流虹吸推動(dòng)，故液氬液面高度由氬冷凝器流路的阻力、位能、動(dòng)能決定。

圖4 氬冷凝器管路示意Fig.4 Schematic diagram of argon condenser pipeline

板式封頭內(nèi)氣相壓力:

式中，P1為A-A截面氬氣壓力，Pa;P2為氬冷凝器板式封頭氬液面(B-B截面)壓力，Pa;ΔP1為氬塔至氬冷凝器板式管路阻力，按管路阻力計(jì)算，Pa;ΔP2為氬冷凝器板式氬側(cè)阻力，由板式換熱器熱力計(jì)算得，Pa。

取A-A、B-B截面分析，根據(jù)伯努利方程，液氬回流暢通需滿(mǎn)足:

式中，g為重力加速度，9.81 m/s2;Z1為A-A截面高度，取Z1=0 m;Z2為B-B截面高度，取Z2=h m;u1為回流管A-A截面液體流速，m/s;u2為回流管B-B截面液體流速，m/s，由于截面比回流管大得多，取u2=0 m/s，忽略B-B截面動(dòng)能，偏于安全;P1’為回流管A-A截面液體壓力，Pa;P2為氬冷凝器板式封頭氬液面(B-B截面)壓力，Pa;ρ為液氬密度，kg/m3;∑hf為能量損失。

由式(1)、(2)得:

式中，λ為摩擦系數(shù)，無(wú)量綱;l為液氬回流管直管總長(zhǎng)度，m;le為彎頭當(dāng)量長(zhǎng)度，90°彎頭為35d，m;d 為管道內(nèi)直徑，m。

由式(3)、(4)得:

當(dāng)選定氬冷凝器的前后管徑，相應(yīng)的流速已經(jīng)確定，配管設(shè)計(jì)完成，液面h按略高于液體出口管，可按式(5)進(jìn)行回流管校核。

首先，進(jìn)行整個(gè)回流管(氬液進(jìn)口至出口)校核，防止管道布置過(guò)長(zhǎng)或彎頭過(guò)多。從式(4)可知，90°彎頭的當(dāng)量長(zhǎng)度是直徑的35倍，對(duì)回流液阻力影響較大，配管設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少?gòu)濐^個(gè)數(shù)。由于回流管入口與氬塔液相入口一般有1 m以上的高差(由冷凝器、氬塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定)，ΔP1為1～2 kPa，ΔP2為1～3 kPa，由于液體產(chǎn)生的推動(dòng)力較大(1 m高差產(chǎn)生約14 kPa的推動(dòng)力)，容易滿(mǎn)足校核要求。

其次，應(yīng)單獨(dú)校核封頭出口處高差小的一段，圖4中B-B至C-C，此時(shí)C-C截面的壓力與氬塔壓力相同，液位高差為虹吸的推動(dòng)力，高差小推動(dòng)力則小，當(dāng)該段發(fā)生流動(dòng)不暢，板式封頭內(nèi)液面就已經(jīng)升高，C-C截面之后容易形成斷續(xù)流，無(wú)法形成整個(gè)回流管路液體充滿(mǎn)的狀態(tài)，無(wú)法形成虹吸過(guò)程。如果該段為水平管，進(jìn)氣管道、板式本身的阻力都不容忽視，管道宜短，當(dāng)氬塔進(jìn)液管口與冷凝器液體出口管不在同一方位時(shí)，不應(yīng)采用與冷凝器下封頭同高度的水平面布置管至氬塔進(jìn)液管口方位，不宜采用與冷凝器封頭同水平面的水平安裝的彎頭，液體管出口管道走向應(yīng)出冷凝器就近向下。當(dāng)校核無(wú)法通過(guò)時(shí)，可采用從封頭起處管道即斜向下，以增加高度差，當(dāng)然也可調(diào)整其它設(shè)計(jì)參數(shù)，如:液體管徑、氬氣進(jìn)管徑、板式阻力。

3.3 粗氬氣進(jìn)冷凝器管路

式(5)表明，氬氣進(jìn)阻力對(duì)液體回流有一定影響，管道布置也應(yīng)減小長(zhǎng)度，減少?gòu)濐^個(gè)數(shù)。進(jìn)行回流管路校核時(shí)不能忽視其阻力影響，特別是對(duì)B-B至C-C截面的阻力校核時(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

氬系統(tǒng)的冷凝器采用下封頭排出不凝氣時(shí)，應(yīng)保證不凝氣管口高于回流液液面，管路設(shè)計(jì)應(yīng)使氬氣進(jìn)冷凝器管道、回流管道盡量短，減少?gòu)濐^數(shù)量。管道布置完成后，還應(yīng)對(duì)回流管液面高度進(jìn)行校核，以確保設(shè)計(jì)合理，才能保證氬系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］王曉紅，田文德，王英龍.化工原理［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009:22-33.