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        高精度微小型空分設(shè)備設(shè)計和裝配工藝研究

        2018-11-12 07:20:06何仙來楊延江吳婷婷
        中小企業(yè)管理與科技 2018年30期
        關(guān)鍵詞:塔板分餾塔篩板

        何仙來,楊延江,吳婷婷

        (杭州杭氧低溫液化設(shè)備有限公司,杭州 311000)

        1 引言

        氪氙氖氦等稀有氣體在空氣中含量較少,被稱為黃金氣體,隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學技術(shù)發(fā)展,它們的用途也越來越廣,在燈光行業(yè)、精細化工、核化學、放射化學等領(lǐng)域都有很大用途。在國防工業(yè)和石油化學工業(yè)的發(fā)展中,開發(fā)稀有氣體等微型或小型高精尖空分設(shè)備已成為空分市場未來發(fā)展的趨勢[1]。

        2 研究目的

        撬裝快結(jié)構(gòu)氪、氙、氖、氦提取設(shè)備具備結(jié)構(gòu)緊湊、靈活、安裝方便等特點。移動式的撬裝設(shè)備要求精餾塔內(nèi)部空間有限,運輸高度受到限制,所以篩板式結(jié)構(gòu)分流塔在移動式撬裝設(shè)備中得到首選。但是微型或小型篩板塔組裝空間狹小,結(jié)構(gòu)復雜,裝配難度大大提高,采用中大型空分分流塔安裝方法顯然達不到功能設(shè)計的要求。[2]急需探索一種高效、簡潔、實用的裝配方法為設(shè)備微型化設(shè)計做工藝保障。

        3 分餾塔分類和特點

        3.1 分餾塔結(jié)構(gòu)特點對比

        分餾塔按結(jié)構(gòu)可分為:填料式和篩板式兩類。對比優(yōu)缺點如下。

        優(yōu)點:填料式分餾塔:①節(jié)能、效率高、技術(shù)成熟;②在減壓和常壓蒸餾條件下,單位塔截面積通氣能力較好;③壓力降小。篩板式分餾塔:①氣或液每經(jīng)過一層塔板都可得到近乎完全混合,液體溝留不均或氣體分布不均都只會影響這一層的分餾效果,對整體影響較小;②持液量較大,易于操作;③內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單,靈活性高;④計算比較準確可靠且方便安裝冷卻管。

        缺點:填料式分餾塔:①在高液氣比的條件下傳輸率較低;②塔內(nèi)采用液體分布器,占比空間大,靈活性差,填料層容易堵塞;③操作范圍小,對液體負荷的變化敏感。當液體負荷較小時,其表面不能很好地潤濕,傳遞效果下降;當液體負荷過大時,容易產(chǎn)生液泛。篩板式分餾塔:①在減壓、常壓、低壓操作下,分離效率略低;②壓降相對高,耗能大。

        3.2 塔板制作方案分析

        圖1 錫焊連接的塔板復合件

        移動式分餾塔采用的是篩板塔,內(nèi)部塔板分別由接液板、孔板、擋板和溢流斗四部分連接組成,如圖1,由于篩板塔塔板厚度較薄,所以在選材和復合工藝上做了不同對比分析。

        3.2.1 裝復方法分析

        對于分餾塔塔板各部件的組裝連接主要有焊接和鉚接兩種,各自特點主要有以下方面,見表1。

        表1 塔板連接方法及特點

        塔板的質(zhì)量在分餾塔分餾工況具有重要作用,塔板平整度和塔板的孔徑,孔距精度直接影響精餾效果,所以大型空分設(shè)備塔板多采用鉚接結(jié)構(gòu),這樣就減少焊接變形,保證塔板的平整度公差在±0.5mm內(nèi),如圖2。而撬裝式稀有氣體分餾塔體積較小,內(nèi)部塔板間的連接空間有限,且分餾塔內(nèi)塔板各部件要求密封度高,不得漏液,堵塞孔徑。由表1可知,焊接連接強度高,密封性好,重量小,結(jié)構(gòu)簡單,而鉚接連接需要母材搭接,還需要大量的鉚釘固定,對于小型分餾塔塔板連接消耗的無效面積大,在有限空間,使得塔內(nèi)精餾功能和效果降低。

        3.2.2 焊接方法分析

        目前焊接方法主要有熔化焊和釬焊兩種。

        ①熔化焊:將填充材料和工件的連接區(qū)基本材料共同加熱至熔化狀態(tài),在連接處形成熔池,熔池中的液態(tài)金屬冷卻凝固后形成牢固的焊接接頭,使分離工件連接成一個整體。優(yōu)點:焊縫密封性好,強度能達到與母材一致。缺點:焊接過程中加熱,母材局部受熱致使變形,不易控制。②釬焊:采用比母材熔點低的金屬材料作為釬料,將釬料和釬劑加熱到高于釬料熔點,低于母材熔化溫度,利用液態(tài)釬料潤濕母材,填充接頭間隙并與母材相互擴散實現(xiàn)連接焊件的方法。根據(jù)塔板的特殊結(jié)構(gòu)和使用功能,錫釬焊具備以下優(yōu)勢:①穩(wěn)定性好,釬焊對母材的物理化學性能影響小,焊接應力和變形較小,焊件變形可降到最低程度,易保障焊件的尺寸精度,可連接性能差別較大的異種金屬。②應用范圍廣,對工件厚度無嚴格要求。③操作簡單,錫釬焊設(shè)備簡單,采用烙鐵加熱釬料,使接頭光滑平整。適合在小空間,連接各種復雜工件。

        表2 釬焊工藝評定

        小型塔板要求密封性好,且塔板平整度高,考慮塔板厚度較薄,極易焊接變形,塔體直徑小,空間有限,選用烙鐵錫釬焊更為合理。

        黃銅H62的最低抗拉強度為δH62=315MPa,表2中錫焊縫比較脆,略低于母材強度,和鋁合金5052(δ5052=195MPa)強度相當,具有足夠的連接強度,適用于塔內(nèi)件固定和連接。3.2.3材質(zhì)選擇

        分餾塔設(shè)計溫度為-196℃,為壓力容器。內(nèi)部清潔度很高。因此要求材料選擇和受壓焊縫具有一定的強度保證。將上述分析,錫釬焊工藝評定抗拉強度無法達到母材最低強度要求,從壓力容器安全角度出發(fā),建議受壓件筒節(jié)選用不銹鋼,采用氬弧焊對接,而內(nèi)件選用H62黃銅,采用錫釬焊裝配。如圖3。

        圖2 塔板裝配實物圖

        圖3 塔板裝配示意圖

        4 結(jié)論

        ①錫焊溫度低,密封性好,具有一定的連接強度,焊后母材不易變形,相比鉚接結(jié)構(gòu),錫焊裝配更簡單,且重量小,剛性、穩(wěn)定性更好。適用于結(jié)構(gòu)精巧、復雜的小型塔板等內(nèi)件的裝復連接。

        ②微小型壓力容器選用不銹鋼作為外殼受壓件首選材料,而黃銅更適合加工容器內(nèi)件。黃銅硬度低,冷變形加工性能佳,能滿足錫釬焊工藝特性,對于小型分餾塔塔板高精度,高平整度的質(zhì)量要求,成為設(shè)計首選材料。

        ③黃銅錫釬焊接頭抗拉強度率低于母材,在容器受壓焊縫中應用存在一定風險,因此黃銅材質(zhì)和錫釬焊工藝在小型空分設(shè)備內(nèi)件制作具有極大的優(yōu)勢,實踐證明該工藝方案可行性、安全性滿足生產(chǎn)和技術(shù)要求。

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