化工设计中常用冷凝器的设计选用

浅谈化工设计中常用冷凝器的设计选用
摘要：分析了目前设计选用的冷凝器所存在的达不到冷凝器负荷和浪费能源的其他问题以及设计人员容易忽视的问题，对在设计中如何合理的选择冷凝器进行了分析，阐述了冷凝器的平均温差的计算方法以及在实际工况中的冷凝段、过冷段和过热段的传热系数的计算方法。

关键词：冷凝器；传热系数；冷凝段；过热段；过冷段
冷凝是气体或液体遇冷而凝结，如水蒸气遇冷变成水，水遇冷变成冰。

温度越低，冷凝速度越快，效果越好。

化工生产中一般以比较容易得到，所以成本低的水或空气作冷凝的介质，经过冷凝操作后，水或空气温度会升高，如果直接排放会造成热污染。

冷凝过程在炼油、化工和石油化工等装置中的应用极其广泛，但是，冷凝过程是复杂的，实际工况是多样的，对于纯组分冷凝工况，会因气相分率的显著变化，引起冷凝器内沿长度方向上气液两相流况的改变，并导致局部传热性能和压力降梯度的变化，对于多组分混合物的冷凝过程，伴随着热量传递、质量传递和动量传递。

对此，一些设计人员在设计中对多种因素的综合分析不够，使选用的冷凝器在实际运行中达不到设计的负荷值。

本文对选用冷凝器时经常遇到和值得注意的几个问题进行了分析和阐述。

一、问题剖析及处理方案
对于单组分的冷凝，虽然不存在化学变化，但是会因气相分率的显著变化，致使介质在冷凝器内的气液两相流况发生很大的变化，
所以，简单的按进出口温度值直接计算传热平均温差的计算方法是很不准确的；对于多组分的冷凝，由于不同介质的物化性质不同，随着冷凝过程的不断进行，气相分率会出现不等的变化情况，而且气液两相的组成与温度的关系曲线和温度与汽化率的关系曲线往
往呈现强烈的非现性，所以更不能简单的按进出口的温度值直接计算传热平均温差。

为了考虑上述变化的影响，对于冷凝段、过热段、过冷段应分别采取不同的计算方法。

1.冷凝段
对于冷凝段，应把整个冷凝过程分割成若干小段，先计算出每一小段的热量及对应的温度分段点和气相分率，再由热平衡关系推算出冷流体的各点对应温度，并由这些分段点温度数据计算出各小段的传热平均温差△ti，然后按各小段热量所占总热负荷的比例进行加权平均，计算出全过程的传热平均温差。

2.过热段
当几股气相物流混合后在进行冷凝，由于系统压力的降低，冷凝器进口状态可能为过热态，当过热段热量所占的比例很小时，则不需要详细计算，而把过热段的热量直接并入冷凝段，在计算传热温差时，进口温度取露点温度，当过热段热量所占比例较大时，则应单独计算过热段的传热计算，可先分别按湿壁和干壁两种机理考虑所谓湿壁机理是基于管壁温度低于冷凝介质的露点温度这一假设，而干壁机理则是基于管壁温度高于冷凝介质的露点温度这一假设，将过热段当作气体的热传递过程来处理，计算传热温差时，湿壁机
理冷凝介质温度取露点温度，而干壁机理则取实际过热段的气相温度，即：
qw=kw△tw（湿壁）
qd=kd△td（干壁）
一般情况下，kw>kd，△tw<△td，这里qw、qd分别为湿壁和干壁机理计算的热量，kw、△tw、kd、△td分别为按湿壁和干壁机理计算的过热段传热系数和传热温差，ts和ts分别为冷凝介质的露点温度和被加热介质的温度，t1为热流体的进口温度，t2为热流体的出口温度，t1为冷流体的进口温度，t2为冷流体的出口温度。

在kw项中，热流体侧的传热系数按冷凝过程计算，而kd项中，热流体侧的传热系数按气体显热过程计算。

3.过冷段
过冷段的传热计算一般只限于管程。

对于壳程过冷，通常是由操作控制来调节的，当设计选用的传热面积留有较大的余量时，操作中可利用冷凝液掩埋管子的多少来控制冷凝液的出口温度。

若在同一设备内既有冷凝段又有过冷段是，往往难以保证较高的过冷段传热系数，因此，当过冷段热量所占比例较大时，通常单独设计一台后冷器。

对于管内全凝过程，过冷段可按单纯液体显热传热过程计算，对于含不凝气的冷凝过程，若有过冷段，则应视为非冷凝两相流动传热过程，尽管不凝气的重量所占的比例可能较小，但体积分率则可能很大，因此，这时应按两相流体传热过程计算。

对于同时存在冷凝段和过冷段的情况，过冷段应单独作为一段处
理，膜传热系数、压力降及平均温差均应与冷凝段分开计算。

4.不互溶混合物的冷凝传热问题不互溶混合物的冷凝传热问题在实际工况中是很常见的
最典型的离子是含蒸汽的烃类混合物的冷凝过程，这类混合物冷凝时，在某一温度范围内（通常为60～90℃），蒸汽和油气同时冷凝，形成不互溶的两个液相，对此，在进行气液平衡计算和分段计算时应多分几段进行计算，否则所选的分段点数据不准，则传热平均温差就算不准确。

由于单位重量蒸气的冷凝潜热约为油气的8倍多，即使蒸气含量较少，但其冷凝热还是很可观的，所以在计算传热系数时，应把气液两相传热系数按照两相所占冷凝液的体积分率进行加权平均。

二、结语
本文对设计选用冷凝器的若干问题进行了分析和阐述，如果按照文中所述的计算方法进行冷凝器的设计选用，既能使冷凝器在实际运行中达到设计的负荷值，又能减少热能的浪费。

参考文献：
[1]王玉珏，黎立新，季建刚，倪海.管壳式冷凝器设计程序研究[j].制冷与空调，2008，（03）.
[2]胡骏.管壳式冷凝器工艺设计浅析[j].硫磷设计与粉体工程，2003，（06）.
[3]晏刚，马贞俊，周晋，吴亚卫，白晓丹.蒸发式冷凝器的设计与应用[j].制冷与空调，2003，（03）.
[4]黄勇超，侯泽飞.冷凝器的流路设计浅析[j].家电科技，2008，（23）.
[5]刘岭梅.管壳式冷凝器工艺设计要点分析[j].中国氯碱，2002，（03）.
[6]杨红波，鲁洪波，冯昊艳.蒸发式冷凝器配管设计的注意事项[j].制冷，2005，（01）.。