氬冷凝器管路設計與空分氬系統的穩定

低溫與特氣第33卷·工藝與設備·氯冷凝器管路設計與空分氬系統的穩定高云[四川空分設備(集團)有限責任公司,四川簡(jiǎn)陽(yáng)建設中路239號641400摘要:分析了空分氬系統的板翅式換熱器的下封頭排不凝氣引起氬系統波動(dòng)的原因,給出了校核氬冷凝器回流管路的計算公式關(guān)鍵詞:空分氬系統;氬冷凝器;管路設計;板翅式換熱器中圖分類(lèi)號:TQ115.43文獻標志碼:A文章編號:1007-7804(2015)06-0012-04doi:10.3969/ F. Issn..1007-7804.2015.0.004Pipeline Design of Argon Condenser andStability of Air Separation Argon SystemGAO YunBusiness Unit of Air Separation, Sichuan Air Separation Plant( Croup)Co., Ltd, Jianyang 641400, China]Abstract: This paper analyzed the causes of argon system fluctuation by non-condensable gas discharge on the lower headerof air separation argon system plate-fin heat exchanger. The formula was given for checking the retum pipeline of argon con-Key words: air separation argon system; argon condenser; pipeline design; plate-fin heat exchanger制取氬氣的空分裝置有粗氬塔和純氬塔,粗氬見(jiàn)圖1(b),兩種氣相排出方式各有利弊。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計對氬系統穩定運行的影響。粗氫冷凝器粗氫冷凝器(純氨冷凝器(純氫冷凝器)1氣相出氬系統冷凝器的方式與氬系統流程簡(jiǎn)介氬系統的冷凝器(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面進(jìn)入,粗氬液體從板式的底部側面流出,純氬塔的上升氣從純氬冷凝器的頂部側1.粗氬氣進(jìn)(純氬塔上升氣);2.粗氬液(純氬冷凝器回面進(jìn)入,純氬冷凝器的冷凝液從底部側面流出。粗流液)3粗氬氣出(純氯冷凝器不凝氣出)缸、純氬冷凝器冷凝側的氣相以不凝氣方式排出,對I crude argon gas inlet(ascending gas of pure argon col-umn); 2. crude argon liquidargon con板式來(lái)說(shuō)連續的不凝氣排放有利于傳熱,同時(shí)也是氬系統穩定運行的先決條件。denser); 3. crude argon gas outlet( pure condenser outlet ofnon-condensable gas discharge)冷凝器不凝氣從板式中排出有兩種方式,一是圖1氳冷凝器氣相出方式從底部側面排出,見(jiàn)圖1(a),二是從頂部側面排出,Fg1 The way of pure condenser gas phase discharge收稿日期:2015-10-0第6期高云:氳氬冷凝器管路設計與空分氬系統的穩定13不凝氣從底部排出方式,原料氣經(jīng)過(guò)換熱冷凝口高于液相出口。后,不凝結的氣相排出,但在下封頭處為氣液共存,采用粗氬冷凝器與純氬冷凝器下部封頭引出氣如果氬冷凝器回流不暢會(huì )造成不凝氣排放不暢;不相的氬系統流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。來(lái)自上塔的氬餾分經(jīng)凝氣從頂部排出方式,能保證取出不凝氣為純氣相,粗氬塔(I)、粗氬塔(Ⅱ),進(jìn)人粗氬冷凝器的板式但由于進(jìn)氣口也在上部,未經(jīng)換熱冷凝的原料氣會(huì )頂部,冷凝液與粗氬氣從板式底部側面封頭出,粗氬混在不凝氣中排出。本文討論的氬冷凝器氣相排出氣進(jìn)入純氬塔中上部,純氬塔頂部的上升氣進(jìn)入純方式為圖1(a)對氬系統的影響即冷凝液與不凝氣氬冷凝器的板式頂部,純氬冷凝液與不凝氣從板式從板式底部側面排出,位于板式的下封頭的氣相出的底部側面封頭出。粗氣粗氫氣粗液純氨冷凝液氯餾分粗氫氣1粗氬塔(I);2粗氬塔(Ⅱ);3.粗氬冷凝器;4.泵;5純氬蒸發(fā)器;6.純氬塔;7純氬冷凝器1. crude argon column(I); 2. crude argon column(I) 3. crude argon condenser; 4. pump; 5. pure argon evaporator; 6. pureargon column; 7. pure argon condenser圖2氪系統流程簡(jiǎn)圖Fig 2 Argon system flow chart也不斷升高,液體也會(huì )占用換熱面積,不凝氣也不斷2氳冷凝器對氬系統穩定運行的影響在板束體內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。當壓力升高到一定程度,將影響氬系統穩定運行的因素較多,如進(jìn)出物料、不凝氣管路中液體短時(shí)間頂出,不凝氣才得以排放冷熱源穩定:氬餾分、冷凝器的冷源、蒸發(fā)器的熱源、隨著(zhù)時(shí)間的推移,板式封頭液位逐漸增高,再次形成氬產(chǎn)品。下面討論氬冷凝器對氬系統的影響。圖3(b)中狀態(tài),重復上述過(guò)程,造成氬冷凝器壓力由于粗氬冷凝器、純氬冷凝器采用了在板式的周期性波動(dòng),不凝氣周期性排出,會(huì )引起氬系統壓力下部封頭引出冷凝液與不凝的氣相,在板式封頭處波動(dòng)甚至上塔的壓力波動(dòng)。為氣液兩相,氣相出口的位置應高于液相出口,見(jiàn)圖/不凝氣3。圖3(a)為板式封頭處的正常狀態(tài),冷凝器的冷/不凝氣凝液低于不凝氣口,圖3(b)為非正常狀態(tài),在板式板束體寬冷凝液板束體氯冷凝液封頭中冷凝液已超過(guò)不凝氣引出口。當出現圖3(b)狀態(tài)時(shí),會(huì )造成不凝氣管內有液體,不凝氣管封頭封頭(a)般為向上引出,不凝氣無(wú)法排出,液氬擠入向上段的圖3氬冷凝器運行狀態(tài)示意圖不凝氣管,隨著(zhù)不凝氣管中液位增高板式中的液位Fig3 Schematic diagram of argon condenser operation status14低溫與特氣第33卷對粗氬冷凝器出現圖3(b)狀態(tài),會(huì )出現粗氬塔取A-A、B-B截面分析,根據伯努利方程,液氬(Ⅰ)、粗氬塔(Ⅱ)壓力周期性波動(dòng),當粗氬氣被粗回流暢通需滿(mǎn)足:氬冷凝器液體阻擋時(shí),純氬塔無(wú)粗氬氣進(jìn)入,純氬冷u2P2凝器無(wú)粗氬氣補充,將純氬塔內上升氣冷凝,會(huì )造成z1+n++∑h=gZ22純氬塔壓力降低,嚴重時(shí)甚至可能引起純氬塔為負P1>P1(2)壓。式中,g為重力加速度,9.81m/s2;z1為AA截面高對純氬冷凝器出現圖3(b)狀態(tài),首先引起純氬度,取Z1=0m;z2為BB截面高度,取Z2=hm;塔壓力波動(dòng)純氬塔的壓力波動(dòng)進(jìn)而引起粗氬冷凝1為回流管A-A截面液體流速,m/s;a2為回流管器粗氬塔壓力波動(dòng)。波動(dòng)過(guò)程中由于不凝氣中有B-B截面液體流速,m/s,由于截面比回流管大得多,液相擠出,還會(huì )造成液氬產(chǎn)品損失。取u2=0m/s,忽略B-B截面動(dòng)能,偏于安全;P1為由此可見(jiàn),氬冷凝器要穩定運行必須為圖3(a)回流管AA截面液體壓力,Pa;P2為氬冷凝器板式狀況,不凝氣口應高于液體液面。封頭氬液面(BB截面)壓力,Pa;p為液氬密度,kg3氬冷凝器的管路設計m3;Σh為能量損失。由式(1)、(2)得:3.1不凝氣排放管不凝氣排放管口要求高于液面,應盡量布置于1=pgh-2-2h+P2板式下封頭上較高的位置,理論上管口允許內伸,只2-Σh+P1-△P1-△P2→要高于液面即可,實(shí)際設計應采用與封頭內平齊的方式,板式裝配過(guò)程中應作為重點(diǎn)控制項。P1-P1=pgh-2-2hr-AP1-AP2>03.2液體回流管路氬冷凝器管路示意圖見(jiàn)圖4,氬氣在冷凝器中則:∑