陸麗姣，王貝貝，余鐵浩 (杭州杭氧低溫容器有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

常態(tài)的丙烷是氣態(tài)化學品，而在催化裂化裝置生產(chǎn)出丙烷呈液態(tài)。經(jīng)脫硫化氫、脫硫醇后丙烷由氣分裝置分離生成。在工業(yè)生產(chǎn)中丙烷主要用于金屬零件淬火、滲碳的保護氣、與丁烷混合作霧化劑，脫瀝青溶劑及高熱值燃料。丙烷作為易燃氣體，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險。其與氧化劑接觸猛烈反應，氣體比空氣重，能在較低處擴散到相當遠的地方，遇火源會著火回燃。丙烷屬無色無味有毒氣體，易燃易爆，毒性程度為“輕度危害”，屬于“爆炸危險介質(zhì)”，能與空氣形成爆炸性混合物。在設(shè)計和操作氣化器時，應掌握其特性，才能更好地設(shè)置安全措施。

丙烷水浴式氣化器是把液態(tài)丙烷通過氣化器氣化成氣體的過程。氣化器主要有空浴式氣化器和水浴式氣化器兩種。空浴式氣化器一般為鋁合金或不銹鋼材質(zhì)型材管，利用周圍大氣作為熱源，通過大氣的自然對流與管內(nèi)低溫液體進行換熱，換熱效率低，且受環(huán)境溫度影響，運行不穩(wěn)定[1]。水浴式氣化器是通過殼程熱水與管程低溫液體進行換熱，再配備循環(huán)水泵，實現(xiàn)強制對流，強化換熱效果，因此換熱效率高。由于丙烷的熱值高，溫差區(qū)間小，若采用空浴式氣化器所需的體積大，而采用水浴式氣化器占地小，同時也節(jié)省成本。

1 5 000 kg/h丙烷水浴式氣化器的設(shè)計

1.1 換熱計算

丙烷水浴式氣化器設(shè)計，首先根據(jù)物性參數(shù)對換熱過程進行計算，計算出所需要的蒸汽耗量以及換熱面積。

已知殼程的物性參數(shù)：熱水標態(tài)下質(zhì)量密度ρNo=1 000 kg/m3，熱水進口溫度Tio=60 ℃，熱水出口溫度Tio=60 ℃，蒸汽壓力Pis=1.0～1.2 MPa(g)，蒸汽溫度TS=250 ℃，查出蒸汽潛熱r=2 620.3 kJ/kg。

已知管程的物性參數(shù)：丙烷標態(tài)下質(zhì)量密度ρNi=1.83 kg/m3，質(zhì)量流量Msi=50 000 kg/h，得出標態(tài)下體積流量Vi=Msi/ρNi=27 322.4 m3/h；液體丙烷壓力Pi=1.0 MPa(g)，進口溫度Tii=20/293 ℃/K，算出進口熱流Hii=-32 759 850.0 kcal/h，出口溫度Toi=40/313 ℃/K，算出出口熱流Hoi=-118 211 858.9 kJ/h。

首先計算的是5 000 kg/h液體丙烷換熱所需要的總的熱負荷：Q=Hoi-Hii=18 916 015.1 kJ/h，再根據(jù)總熱負荷，計算出所需蒸汽耗量QS=Q×1.1/r=7 953 kg/h。此處為了補償運行中的熱損耗，所需蒸汽耗量放了10%的余量。

最后根據(jù)溫差計算出氣化器所需要的換熱面積，換熱管數(shù)量。熱端溫差△t1=Too-Tii=40 K，冷端溫差△t2=Tio-Toi=20 K，平均溫度△tm=(△t1-△t2)/(ln△t1-ln△t2)=28.853 K，換熱面積S=Q/(K×△tm)=284 m2，其中傳熱系數(shù)K取經(jīng)驗取值1 883.6～2 302 kJ/(m2·h·K)。此氣化器換熱管規(guī)格選用φ25×2 mm，每個繞管長度取l=22 m，計算出換熱管總長度L=S/(πd0)=3 616 m，所需換熱管數(shù)量為N=L/l=164根。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

丙烷氣化器結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圓柱形水箱、繞管式換熱芯、進液和出氣管道、蒸汽噴射管、水泵循環(huán)管路、溢流管、溫度控制接點、液位控制接點以及安全泄放口等零件組成。設(shè)備主要零部件均以不銹鋼制造，以保證氣化器在低溫下正工作。

圖1 丙烷水浴式氣化器設(shè)備簡圖

1.3 工作原理

首先圓柱形水箱中充滿低氯離子水(＜5×10-6)，低氯離子水經(jīng)蒸汽管噴射蒸汽而不斷升溫。水箱中的熱水由水泵從水箱下方抽取，經(jīng)水泵送到水箱上部返入水箱，形成閉路循環(huán)。同時，水箱中的熱水以一定速度從繞管管束的間隙流過，并與繞管內(nèi)的低溫液體進行換熱。然后丙烷液體由進液口進入，流經(jīng)環(huán)形下環(huán)管，經(jīng)數(shù)個盤管接頭分流進入繞管式換熱芯，換熱管內(nèi)丙烷液體與管外熱水進行熱交換。丙烷液體由此獲得熱量，不斷蒸發(fā)，經(jīng)繞管接頭匯集進入環(huán)形上環(huán)管，并通過頂部出氣管以氣體狀態(tài)輸出。從熱力學原理解釋就是，熱量由水蒸汽傳遞給流動水，再由流動水傳遞給換熱管內(nèi)的低溫液體，這是個熱傳遞過程。

1.4 優(yōu)化設(shè)計

丙烷水浴式氣化器在結(jié)構(gòu)設(shè)計上充分考慮了如何使得實物流體流路為符合傳熱過程和傳熱模型。低溫液體從上而下進入，殼體內(nèi)熱水從下而上，熱水流動方向與換熱管內(nèi)低溫液體流動方向為逆向，從而實現(xiàn)更好換熱。采用上下環(huán)管均勻分配技術(shù)，保證管程內(nèi)流體的不偏流。換熱芯采用繞管式結(jié)構(gòu)，即在中心筒與外筒之間的空間內(nèi)將換熱管按螺旋線形狀交替纏繞而成，相鄰兩層螺旋狀換熱管的螺旋方向相反，并采用一定形狀的定距件使之保持一定的間距。其優(yōu)點是換熱管結(jié)構(gòu)緊湊，占地??；單位容積具有的傳熱面積大，傳熱效率高，換熱管的熱膨脹可自行補償。另外蒸汽管，進液管和出氣管都懸掛在頂蓋上，整個管束可實現(xiàn)抽芯，方便以后檢修和更換換熱芯。

常見蒸汽加熱水浴式氣化器，運行時振動大，對內(nèi)部換熱管容易造成沖擊，引起換熱管破損失效。此丙烷水浴式氣化器蒸汽管采用多孔籠式結(jié)構(gòu)，即在蒸汽管底部布置適當孔徑及數(shù)量的小孔，小孔每排錯開分布，噴射時可以互相抵消反沖力，并及時將蒸汽管道底部所形成的冷凝水直接排至管道外部。避免了蒸汽與冷凝水在管道內(nèi)部的接觸，減小了氣化器的振動。

普通水浴式氣化器內(nèi)部換熱管，一般采用有縫不銹鋼管或者無縫拼接管，存在泄漏可能。此丙烷水浴式氣化器，設(shè)計時內(nèi)部換熱管采用GB/T 151—2014規(guī)定的I級管束，選用無縫不銹鋼管，洛氏硬度≤86，不拼接，在制造前逐根進行氣壓試驗，保證整個換熱芯子不泄漏。普通水浴式氣化器的環(huán)管與進液管之間是采用插入焊結(jié)構(gòu)，焊縫內(nèi)表面不能保證齊平，對于丙烷介質(zhì)存在安全風險，且焊縫容易有裂紋，計算時需要開孔補強計算，所需管壁較厚，此丙烷水浴式氣化器對該結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，將原來插入焊改為等徑三通對焊連接形式，能保證焊縫內(nèi)表面齊平，光滑過渡，提高了氣化器運行的安全性，同時降低了管子厚度，降低了成本。整個管程全部對接焊縫都要求100%滲透檢測加100%射線檢測，以保證焊縫質(zhì)量。

普通水浴式氣化器都設(shè)有下抱圈，部分現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)下抱圈在氣化器運行后由于震動容易掉下，導致?lián)Q熱管被刮傷現(xiàn)象，此丙烷水浴式氣化器對該結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，取消下抱圈，采用在下部環(huán)管上做三角支撐形式。此三角支撐相對于之前的抱圈，不僅避免了下抱圈掉落，還減少了材料，降低了成本。

水浴式氣化器運行時可根據(jù)溫度變送器的信號調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥開度，更好得控制水箱水溫，使氣化器運行保持正常。普通水浴式氣化器只設(shè)置2個溫度變送器，上部下部各1個；此丙烷水浴式氣化器設(shè)計時配了4個溫度變送器，上部3個下部1個，上部3個均勻分布在氣化器外筒體一周，采用三取二控制形式，避免了殼體內(nèi)水溫不均導致控制錯誤。

丙烷水浴式氣化器相對于普通水浴式氣化器，增加了液位變送器，用于檢測外筒液位；當液位低于設(shè)定值時，中控室會自動聯(lián)鎖關(guān)閉進液口處的進液閥，防止低溫液體進入凍裂換熱管。并且在溢流口處設(shè)置了丙烷可燃氣體分析儀，當換熱管泄漏時，丙烷氣體從溢流口處排出，在地溝處可燃氣體濃度增加，當丙烷氣體濃度達到40% LEL時引起報警。

循環(huán)水泵可以將水浴式氣化器底部熱水打入上部，進行強制循環(huán)，從而形成強制對流，使氣化器更好換熱。此丙烷水浴式氣化器設(shè)計時設(shè)置了兩臺循環(huán)水泵，采用一備一用，當一臺泵出現(xiàn)故障時，另一臺泵自動啟動，更好地保證了丙烷氣化器的正常運行。

2 5 000 kg/h丙烷水浴式氣化器的先進性

與當前國內(nèi)其他水浴式氣化器設(shè)備相比，本產(chǎn)品的先進性主要有：

(1)采用蒸汽加熱方式，能根據(jù)用戶使用量自動控制蒸汽量，從而控制水溫。

(2)采用殼體常壓，可抽芯結(jié)構(gòu)，可更換芯子，提高殼體利用率。

(3)采用溫控和液位控制相結(jié)合，雙水泵結(jié)構(gòu)(一用一備)，氣化效率高，運行穩(wěn)定。

(4)丙烷為易燃、易爆介質(zhì)，本產(chǎn)品設(shè)計時，換熱管采用不拼接的無縫不銹鋼管，管程全部焊縫進行100% 射線檢測及100% 滲透檢測，保證焊縫質(zhì)量，杜絕管程內(nèi)丙烷泄漏的隱患，本產(chǎn)品還設(shè)置了可燃氣體分析儀，提高了設(shè)備的安全性和可靠性。

(5)產(chǎn)品下部設(shè)有檢修人孔，可以監(jiān)視殼程內(nèi)蒸汽噴頭堵塞情況，換熱管的結(jié)垢、腐蝕情況。

3 5 000 kg/h丙烷水浴式氣化器操作注意事項

丙烷水浴式氣化器試車前應吹掃干凈整個系統(tǒng)，禁止把碳鋼管路上的鐵銹、焊渣等帶入蒸汽噴管中，以免堵住噴管小孔。第一次灌裝的水，嚴格控制殼程中水的氯離子含量不超過5 mg/L，因為水中的氯離子會引起不銹鋼的點腐蝕[2]。

丙烷水浴式氣化器在停運時，應檢查氣化器液體進液閥是否關(guān)閉，若氣化器外殼水溫是出現(xiàn)低于0 ℃，說明進液閥有長時間泄漏，會引起氣化器殼程熱水結(jié)冰，嚴重時導致?lián)Q熱管凍裂。應關(guān)閉進液閥、緩慢復溫。開車、停車或切換操作過程中應緩慢升溫或降溫，嚴格控制升溫速度，避免造成冷、熱沖擊。

應監(jiān)視氣化器殼程中水的溫度，水溫最小為30 ℃，最高為70 ℃。同時監(jiān)視氣化器的振動和噪聲，防止流體誘發(fā)振動引起失效。

4 結(jié)語

丙烷水浴式氣化器在設(shè)計上采用蒸汽加熱方式，能根據(jù)用戶使用量的需要自動控制水溫，從而節(jié)約能源、外觀美觀、占地小、操作方便。結(jié)構(gòu)上采用殼體常壓，可抽芯結(jié)構(gòu)，可更換芯子，提高殼體利用率?？刂粕喜捎脺乜睾鸵何豢刂葡嘟Y(jié)合，雙水泵結(jié)構(gòu)(一用一備)，氣化效率高，運行穩(wěn)定。國內(nèi)專門從事水浴式氣化器的企業(yè)不多，特別是液體丙烷水浴式氣化器的單位更少。此設(shè)計針對液體丙烷的水浴式氣化器，其技術(shù)水平先進，功能齊全，安全性高，性價比合理，在市場經(jīng)濟全球一體化激烈競爭中占有優(yōu)勢。