内压缩流程空分设备高压主换热器的开发与设计

1、内压缩流程空分设备高压主换热器的开发与设计原作者：戴磊，李建伟出处：开封空分集团有限公司设计处，河南省开封市公园路28号，475002【关键词】【论文摘要】介绍了为国产首套10000m3/h内压缩型空分设备配套的高压主换热器的主要技术参数及结构设计特点，传热计算过程和结构尺寸的确定；通过整套空分开车运行后对高压主换热器各点温度及压力的实际测定，肯定了该套主换热器的设计及制造是成功的。中国气体分离设备商务网-技术论文交流内压缩流程空分设备高压主换热器的开发与设计戴磊，李建伟开封空分集团有限公司设计处，河南省开封市公园路28号，475002【摘要】介绍了为国产首套10000m3/h内压缩型空分设备

2、配套的高压主换热器的主要技术参数及结构设计特点，传热计算过程和结构尺寸的确定；通过整套空分开车运行后对高压主换热器各点温度及压力的实际测定，肯定了该套主换热器的设计及制造是成功的。关键词：空分设备；内压缩；高压换热器；技术参数；传热计算；温度；压力；设计；制造     2000年中期开封空分集团公司与鄂城钢铁集团有限责任公司签订了10000m3/h空分设备的供货合同，流程采用了当今世界较先进的内压缩流程，已于2002年3月27日顺利出氧。该套空分装置的投产，标志着开封空分集团有限公司继在国内率先成功采用全精馏无氢制氩工艺以来的又一次新技术、新工艺的成功应用，开创了

3、国产大型空分设备将氧气压力提升到3.0MPa等级的液氧内压缩工艺流程。    本次流程组织采用了较为典型的内压缩设计的基本流程：来自主冷凝蒸发器的液氧经液氧泵压缩至3.0MPa，然后在主换热器中被汽化并复热至12。为了使加压后液氧的高品位冷量转换成同一质量级别（或同一温度等级）的冷量，使得整个装置的不可逆损失降低到最小，实现能量的平衡，必须有一股逆向流动的被压缩至一定压力的空气在主换热系统中与液氧进行热量交换，使液氧被汽化和复热的同时，高压空气被冷却液化，然后经节流后送入塔内参与精馏，从而使用权加压后的液氧冷量在装置内部被回收。对该流程的组织，一个需要解决的关键问

4、题是：怎样合理的组织热交换系统，能够将产品的低温冷量尽可能转换成同等质量的加工空气的低温冷量，并尽可能的减少不可逆损失，使装置的能耗降低。经流程计算确定的主换热器系统的参数见表1。表1 鄂钢“10000”空分主换热器原始设计参数介质流量（m3/h）压力/MPa(G)进口温度/出口温度/高压空气180005.3915-166空气183000.4815-173膨胀空气165002.4815-115高压液氧100002.53-17812氮气220000.027-17712氩1503.03-17812压力氮气3000.452-17812污氮气188100.026-17712  &#

5、160; 从表1中可知，整个换热系统中高压空气、液氧、膨胀空气、氩等流体的压力较高。最初考虑的主换热器系统的组织有两种方案：一是无论流体压力高低，均放在一起进行热力计算；二是将高低压流体按热负荷负荷分开后放在不同压力等级的换热器中换热。经分析比较认为第一种方案设计难度较大、制造困难、经济性较差而被否定。最终决定将主换热器系统分成高压系统、低压系统分别进行计算，以降低制造难度，保证换热系统的可靠性和经济性。根据热平衡将原始设计参数进行二次分配，称为高压主换热器系统和低压主换热器系统，其中高压主换热器系统为两只，芯体尺寸为：5600mm×750mm×900mm；低压主换热器系统

6、为两，芯体尺寸为：5100mm×1000mm×1200mm。具体参数见表2、表3，物流模型见图1。表2 高压主换热器系统参数介质流量（m3/h）压力/MPa(G)进口温度/出口温度/高压空气180005.3915-166膨胀空气39002.4815-115高压液氧100002.53-17812氮气136000.027-17712氩气1503.03-17812表3 低压主换热器系统参数介质流量（m3/h）压力/MPa(G)进口温度/出口温度/空气183000.4815-173膨胀空气126002.4815-115氮气84000.027-17712压力氮气3000.452-17

7、812污氮气188100.026-17712        低压主换热器系统与常规空分的主换热器系统相差不大，这里不再作详细分析，下面只讨论高压主换热器系统的有关问题。    由以上参数可知，因高压液氧的冷量有限，而高压空气的流量较大，热量较多，故将从上塔抽出的产品氮气分出一部分送人高压主换热器系统回收冷量，以维持高压主换热器系统的冷热量平衡。从我们的热力计算过程看，如何解决好高压主换热器系统中液氧汽化段的流体分配问题，是整个主换热器系统成功与否的关键。外压流程与内压流程比较而言，外压流程主换热

8、器系统内的传热温差比较平均，一般为4K左右，但在内压流程中因液氧汽化段较长，在此段内液氧汽化时温度不变，而相应的正流高压空气的温度却在不断降低，这就使液氧开始汽化与汽化结束时汽化段的传热温差由小变大很不均衡，从实际计算的结果来看，汽化段内从液氧汽化开始至汽化结束的传热温差由3K逐渐上升为15K，相差近12K。这就说明如果正流气与反流气搭配不合适，就会使换热系统的不可逆损失增大从而导致换热系统的热段温差扩大，而我们又不可能靠一味的增加液化段长度来解决。    为了解决这个难题，我们考虑从低压主换热器系统中抽出一股高于液氧汽化温度的低温空气,参与液氧汽化段的换热，以扩

9、大传热温差减少不可逆损失，但其具体的楔人点的确定是一个难题，经大量的反复计算，并经校核验算，最终确定了抽出的低温空气的温度及进人液氧汽化段的位置，从目前现场运行的情况来看，低温空气的楔人取得了一定的效果，但位置还不是十分精确，如位置再精确一些应该能够达到更好的效果。在解决上述问题的同时,还应尽量避免冷流体之间的横向传热。这是因为液氧在汽化时温度保持不变，而返流的氮气却因和高压空气换热而温度升高，使得氮气和液氧之间存在温差，造成冷流体之间的横向传热，但这一问题可以通过通道的排列来有效的避免。见图2和图3。    在确定各高压流体在换热器内的的流速的流速时，参考了国外

10、某公司同类产品的流速，综合考虑了开空公司翅片的冲制情况，确定了各流速的流速。因我国现阶段翅片的加工制质量及性能与国外的相比还有一定差距，所以选取的各流体的流速相对国外产品都略有降低，以保证各流体的阻力，与流程计算保持一致。另外就是高压侧流体翅片的选用，既要保证足够的换热面积又要保证足够的安全性，经过对公司现有翅片的对比和强度计算，最终确定高压空气侧及高压氧侧的翅片。就我们设计而言，在充分考虑阻力、流动状态的情况下，应该尽量选取单位体积内传热面积大的翅型，使选取的流体质量流速升高，从而使换热器的传热系数增大，换热面积减小，板束尺寸减小，板束吨位降低，这样既降低了成本，又提高了产品的竞争力。其实这

11、正是在相同参数条件下我们国内板翅式换热器生产厂家生产的板翅式换热器在体积及吨位上总比国外产品要大的一个根本原因。随着内压缩流程的运用，高压板式的需求会越来越多，耐高压且单位体积内传热面积较大的翅片是我们生产厂家亟待解决的问题。    2002年3月底整套空分开车成功后，高压换热器系统各点的出口参数基本达到了设计要求，其现场运行参数见表4。表4 高压主换热器系统实际运行参数介质流量（m3/h）压力/MPa(G)进口温度/出口温度/高压空气180005.3915-166膨胀空气39002.4815-115高压液氧100002.53-17812氮气136000.027-17712    注：因空分生产的氧气与钢厂氧气管网相连，故障着钢厂用氧量的变化，空分送出的氧气量和压力也在随之波动。表中参数为现场运行时的一组。    从以上实际运行的数据结果可以看出，该套空分高压板式换热器的设计是成功的，制造是合格的。同进，也应看到不足之分，空分工况调整过程及达设计工