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在化工生產(chǎn)中經(jīng)常用到冷凝器，雖工作原理與普通換熱器大致相同，但是又有其特殊性，可是在工程設(shè)計中往往因為忽略了其特殊性，把它當(dāng)作普通換熱器來對待，而產(chǎn)生設(shè)計失誤，致使其使用效果不佳。

1 冷凝器與普通換熱器的不同之處

普通換熱器內(nèi)換熱管兩側(cè)的介質(zhì)均無相變，冷凝器內(nèi)換熱管兩側(cè)的介質(zhì)有相變，大多數(shù)情況下，被冷凝的氣體中還含有不凝性氣體，冷凝側(cè)存在氣液兩相流動的問題。如果不能很好地解決這些問題，就會發(fā)生設(shè)計失誤。對冷凝器的工藝要求是傳熱效率要高、冷凝溫度要盡量低、放空氣體中的有用氣體含量要盡量少。冷凝溫度越低，其飽和壓力就越低，這樣可以節(jié)約壓縮功。

2 冷凝器的設(shè)計注意事項

所形成的冷凝液要及時、順利地排出來，否則冷凝液會浸沒換熱管，降低冷凝效果，還會引起設(shè)備的液擊和振動。不凝性氣體要及時排放出來，排放點應(yīng)該放置在不凝性氣體濃度最高之處，否則會降低冷凝效果。被冷凝的氣體含有不凝性氣體時，氣體最好與冷卻介質(zhì)逆流換熱，這樣可以最大限度降低有用氣體的損失，同時，也因為提高了傳熱溫差而增加冷凝效果。欲達(dá)上述目標(biāo)，一般的做法是在折流板底部留有液體流動缺口(缺口面積要隨著液體形成量的增加而增大)，冷凝器前高后低，或?qū)⒗淠髁⑹讲贾茫挂后w能更順利地流動。氣體排放口的設(shè)計還要考慮不凝性氣體含量的多少和其分子量的大小等具體情況。

3 失誤的工程實例

(1)案例1。某氨汽提法尿素工廠中的中壓氨冷凝器，其作用是將氣態(tài)氨冷凝下來，形成液態(tài)氨后再循環(huán)利用。氣態(tài)氨中含有氮氣、氧氣、氫氣、甲烷等不凝性氣體(在尿素高壓系統(tǒng)加入了鈍化空氣，隨二氧化碳和液氨帶入了氫氣、氮氣、甲烷等)。該氨冷凝器的設(shè)計見圖1。循環(huán)冷卻水在管內(nèi)走雙程，氣氨在管外走單程，氨冷凝器被水平放置，其折流板為側(cè)向1/4缺口，折流板下部沒有液氨流動缺口。氨冷凝器下部約1/3處的換熱管被液氨浸沒(液氨被過冷)，影響了氣氨的冷凝。同時還由于氣氨與循環(huán)冷卻水不是逆流換熱，進(jìn)水溫度比出水溫度低的有利因素沒有被充分利用，不凝性氣體中的氨含量較高，加重了后面吸收器的負(fù)荷，夏季氨損失較大，生產(chǎn)能耗上升。

圖1 1#氨冷凝器注：a—氣氨進(jìn)口；b—不凝性氣體出口；c—液氨出口；d—CW進(jìn)口；e—CW出口

(2)案例2。某水溶液全循環(huán)法尿素工廠的中壓氨冷凝器，其作用是將氣態(tài)氨冷凝下來，形成液態(tài)氨后再循環(huán)利用。氣態(tài)氨中含有氮氣、氧氣、氫氣、甲烷等不凝性氣體。該氨冷凝器的設(shè)計見圖2。循環(huán)冷卻水在管內(nèi)走單程，氣氨在管外走單程，逆流換熱，氨冷凝器被水平放置，其折流板為圓環(huán)與圓板交替布置，圓環(huán)形折流板的下部沒有液氨流動缺口。氨冷凝器內(nèi)部的換熱管幾乎全部被液氨浸沒(液氨被過冷，只有上部的一少部分殼體是熱的)，影響了氣氨的冷凝，不凝性氣體中的氣氨沒有被充分冷凝下來，加重了后面吸收器的負(fù)荷，夏季氨損失較大，生產(chǎn)能耗上升。該氨冷凝器的設(shè)計應(yīng)該在圓環(huán)形折流板的下部留出液氨流動缺口，并且將該氨冷凝器傾斜放置，前高后低，使冷凝下來的液氨順利流出來，使換熱管不被液氨浸沒。該氨冷凝器也可采取立式布置。

圖2 2#氨冷凝器注：a—氣氨進(jìn)口；b—不凝性氣體出口；c—液氨出口；d—CW進(jìn)口；e—CW出口

(3)案例3。某水溶液全循環(huán)法尿素工廠的高壓甲胺溶液加熱器，其設(shè)計見圖3。高壓甲胺溶液在U形管內(nèi)走雙程，中壓過熱蒸汽在管外走單程，該加熱器被水平放置，其折流板為側(cè)向1/4缺口，折流板下部沒有蒸汽冷凝液流動缺口。換熱管因局部溫差過大而產(chǎn)生熱應(yīng)力、氧氣、電化學(xué)的綜合作用，使換熱管發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕，經(jīng)常發(fā)生爆管，使用壽命很短(3年左右)。該加熱器的設(shè)計改進(jìn)措施是采用飽和蒸汽進(jìn)汽，以減少溫差熱應(yīng)力；換熱管兩側(cè)的溫差不能過大(在有較強腐蝕性的介質(zhì)中，兩側(cè)溫差最大之處不宜超過40℃)，以減輕熱應(yīng)力腐蝕，如果1臺加熱器不能滿足，可采取2個換熱器串聯(lián)；折流板的下部應(yīng)留出蒸汽冷凝液的流動缺口；將該加熱器傾斜放置，前高后低，使產(chǎn)生的蒸汽冷凝液能順利流出來，使換熱管不被蒸汽冷凝液所浸沒。

圖3 高壓甲胺溶液加熱器注：a—蒸汽進(jìn)口；b—不凝性氣體出口；c—蒸汽冷凝液出口；d—高壓甲胺溶液進(jìn)口；e—高壓甲胺溶液出口

4 最佳的工程實例

某大型合成氨廠的氨壓縮機(俗稱冰機)出口氨冷凝器的設(shè)計見圖4。循環(huán)冷卻水在管內(nèi)，氣氨在管外都走雙程(冷凝器內(nèi)部有一個縱向隔板，使氣氨走雙程)，循環(huán)冷卻水與氣氨逆流換熱，使排出的不凝性氣體的溫度達(dá)到最低，使氣氨得到了最大限度的冷凝回收。折流板為側(cè)向1/4缺口，其底部留有液氨流動缺口，冷凝器為臥式布置，前高后低，傾斜度約5%，使形成的液氨能順利地排放到下邊的液氨受槽。這是一個近乎完美的設(shè)計方案，值得學(xué)習(xí)和借鑒。

圖4 3#氨冷凝器注：a—氣氨進(jìn)口；b—不凝性氣體出口；c—液氨出口；d—CW進(jìn)口；e—CW出口

冷凝器傾斜放置，a口高，c口低，隔板上下兩側(cè)均有折流板，其缺口在左右兩側(cè)，隔板下側(cè)的折流板底部都留有液氨流動缺口。

5 其他

5.1 蒸汽再沸器

蒸汽再沸器與蒸汽加熱器其實就是蒸汽冷凝器，工作原理與其他冷凝器是一樣的，設(shè)計注意事項也是一樣的?？梢粤⑹讲贾茫部梢耘P式布置，要注意的是蒸汽冷凝液的順利排出和不凝性氣體的排放。蒸汽加熱器的進(jìn)汽最好是飽和蒸汽，這樣可以避免換熱管局部溫度過高而引起的腐蝕和物料過熱等問題。

5.2 表面冷凝器

蒸汽透平表面冷凝器，在發(fā)電廠有悠久的應(yīng)用歷史，積累了很多成功的經(jīng)驗，設(shè)計很完善，基本形成了定型設(shè)計，在設(shè)計其他冷凝器時，可以參考其結(jié)構(gòu)。其特點是殼程壓力很低(一般是真空狀態(tài))，殼體較薄，下部的積液槽可以被設(shè)計成各種形狀。表面冷凝器的結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 表面冷凝器注：a—透平泛汽進(jìn)口；b1/b2—不凝性氣體出口；c—透平冷凝液出口；d—CW進(jìn)口；e—CW出口

6 結(jié)語

冷凝器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，其與普通換熱器既有相似之處，又有其特殊性，冷凝器內(nèi)有相變，有兩相流，有時還有不凝性氣體，在工程設(shè)計中既要處理好兩相流動問題，還要處理好不凝性氣體的排出問題。文中指出了設(shè)計中應(yīng)注意的事項，給出了幾個存在嚴(yán)重缺陷的工程設(shè)計和兩個最佳工程實例，可供設(shè)計人員參考。恰到好處的冷凝器設(shè)計，即可節(jié)能降耗，又可降低設(shè)備投資。