空气分离制氧技术-第4章 换热器

第四章
换热器
4.1概述制氧机的换热器很多。

空气在压缩过程中，为了提高等温效率就需要机壳冷却、级间冷却器、空气液化循环中需设置主换热器。

空分装置的保冷箱中有液化器、过冷器以及精馏系统的主冷凝蒸发器等。

它们的性能直接影响制氧机的经济指标，其可靠性关系着制氧机的安全运行状况。

4.2换热器分类
4.2.1换热器原理可分为三大类：
1、混合式换热器。

冷、热流体通过直接接触进行热量交换，故亦称直接接触式换热器.如水冷塔、空冷塔。

2、蓄热式换热器。

冷、热流体交替通过传热表面。

当冷流体通过时将冷量（或热量）贮存起来，而后热流体（或冷流体）再将冷量取走。

如蓄冷器。

3、间壁式换热器（亦称间接式换热器）。

冷、热流体被固体传热表面隔开，而热量的传递通过固体传热面而进行。

此类换热器应用十分普遍,在空分装置中所应用的换热器多属于此种类型。

间壁式换热器按其传热面的结构又分为：管式换热器、板式换热器、板翅式换热器等。

4.2.2换热器根据流体状态变化可分为三种：
1、传热双方都没有相变。

例如蓄冷器（或可逆式换热器）中是气体与气体之间的传热。

过冷器是气体与液体间的传热。

2、仅有一侧发生相变。

例如液化器是气体与冷凝气体之间的传热。

饱和空气在液化器中放出热量后部分变成液体。

3、传热双方都有相变。

如主冷凝器和辅助冷凝器中气氮放出热量冷凝成液氮、液氧吸收热量蒸发为气氧。

4.3换热器的结构形式及工作原理
4.3.1空冷塔的作用及工作原理
为了使冷却水与空气充分接触，充分混合，以增大传热面积，强化传热通常采用的是“填料塔”或“筛板塔”。

也有用空心喷淋塔的。

目前我国大型空分设备的空气冷却塔主要采用上段为填料塔，装新型塑料环，下段为筛板塔取得了较好的效果。

顶部的传热温差只有0.5℃，并彻底解决了结垢问题。

其次，在空气冷却塔中，空气和水直接接触，既换热又受到了洗涤，能够清除空气中的灰尘，溶解一些有腐蚀性的杂质气体如H 2S、SO 2、SO 3等，避免板翅式换热器铝合金材质的腐蚀，延长使用
寿命。

同时由于空气冷却塔的容积较大，对加工空气还能起到缓冲的作用，吸附器倒换时空压机不易超压。

4.3.2水冷塔的形式及工作原理
1、水冷却的结构大致有三种形式
①填料塔。

目前在6000～30000m3/h的空分设备上使用一种新型的填料塔，采用阿尔法鲍尔环或共轭环及阶梯环。

它是有流通量大、阻力小、传热效果好、强度好的优点。

②筛扳塔。

塔板采用孔径和孔间距较大的淋降塔板，氮气及水都从筛孔通过，由于阻力大，换热不如填料塔，基本淘汰。

2、工作原理
水冷却塔是一种混合式换热器。

在水冷却塔中水与污氮逆向直接接触，由于污氮是不饱和的，所以一部分水蒸发变成蒸汽进入污氮。

水蒸发时吸收大量潜能而使水得到冷却，必须指出：污氮吸湿是使水降温的主要因素。

因此污氮的温度是影响冷却效果的关键。

在分子筛净化流程普遍推广的今天，氮水预冷器的设置尤为重要，通常分子筛纯化器吸附要求加工空气入纯化器的温度为8～12℃，为此空冷塔要采用两级喷淋。

一级为常温水。

二级喷淋为泠冻水。

水冷塔冷却水温要保持在15～18℃。

再经过氟里昂制冷机冷却而形成冷冻水，其水温在5～8℃。

才有可能保证出空冷塔空气温度在控制范围内。

4.3.3间壁式换热器种类及形式（工作原理）
间壁式换热器又称为板翅式换热器或管式换热器（长管和短管）。

随着科技不断发展，管式换热器由于体积大、重量重、成本高已被板翅式换热器取代。

由于板翅式换热器结构紧凑、体积小、重量轻、传热效率高、热容量小、可缩短启动时间，成为当今空分设备的主流。

以下着重介绍板翅式换热器。

4.4板翅式换热器
4.4.1翅片的型式及适用场合
翅片是板翅式换热器最基本的元件。

它的作用是增大传热面积，实际上热流体通过隔板将热量传给冷流体时，因为翅片的面积比隔板大得多，大部分热量是隔板先传给翅片，再由翅片传给冷流体的。

仅有一小部分是直接通过隔板来完成的。

隔板同时还起到支撑和加固隔板的作用。

使板束形成有机的整体，增加其强度。

常用的翅片有三种型式：光直型、锯齿型和多孔型。

图4-1
光直型翅片是带光滑壁的长方形翅片。

这种翅片主要的作用是扩大传热面积,对于促进流体扰动的作用很小。

因此,它的传热性能稍差一些，但流动阻力小，宜用于高温流体和低温流体传热温差较大的情况。

也用在流体有相变(冷凝或蒸发)时传热系数很大的情况。

锯齿型翅片是翅片间隔一定距离,有切口,并使之向流体突出。

它对促进流体扰动和破坏层流边界层十分有效，所以传热性能很好。

与光直型翅片相比，在压力降相同的的情况下，传热系数可高出30%以上，所以常用于高、低温流体温差较小的切换式换热器中。

它一方面可以强化气体间的换热；一方面便于水分和二氧化碳的析出和清除。

多孔型翅片是在光直型翅片上冲出许多孔洞而成的。

由于翅片上这些孔洞，层流边界层不断发生破裂，以提高传热性能。

这种翅片常作为导流片和用在流体有相变（冷凝或蒸发）的场合。

例如
冷凝蒸发器多采用多孔型翅片，以避免乙炔等碳氢化合物杂质结晶的局部集结。

同时有利于汽化核心的生成。

在冷凝侧，孔洞可破坏冷凝膜边界层，以增强放热。

4.4.2板翅式换热器的基本组成构件
它是一种全铝结构的紧凑式高效换热器。

如图4-1所示。

它的每一个通道由隔板、翅片、导流片和封条等部分组成。

图4-1板翅式换热器的基本元件
1封条；2翅片；3隔板
在两块相邻的隔板之间放置翅片、导流片，两边用封条封住，构成一个夹层，称为“通道”，将多个夹层进行不同的叠置或适当的排列，构成许多平行的通道，要通道的两头再配上冷、热流体进、出口的导流板，用钎焊的方法将它们焊成一体，就构成一组板式（或称单元）。

再配上流体出入的封头管道接头，就构成完整的板翅式换热器。

隔板中间的瓦楞形的翅片一方面是对隔板起到支撑作用，增加强度；另一方面它又是扩展的传热面积，使单位体积内的传热面积大大增加，整个换热器可以做得紧凑，流体从翅片内的通道流过，由于在换热器内要实现冷、热流体间的换热，冷、热流体的通道要间隔布置。

冷、热流体同时流过不同的通道，通过隔板和翅片进行传热，故称之为板翅式换热器，也叫紧凑式换热器，它是当今空分装置中应用最广泛的换热器。

4.4.3板翅式换热器流体换热的实现
板翅式换热器适应性较大，可用于气——气、气——液、液——液各种不同流体之间的换热，而且通过各种流道的布置和组合，能够适应逆流、错流、多股流、多程流等不同的换热工况。

如图4-2
图4-2板翅式换热器通路形式
a错流形；b多向流路形；c对流形；d多流体形
可逆式换热器的冷段一般是氧、纯氮、污氮环流四股冷流体和一股热流体（空气）之间的换热。

各股流体的冷量密度不同，它们的通道数也不相同，在换热组装时，按不同流体的通道数分配。

把冷、热流体的通道相间布置。

要通道的两头利用导流片改变流体的流动方向，把同一股流体的出口和入口分别集中到某一侧，例如空气与污氮设在上、下侧，氧、纯氮、环流设在左、右两侧。

通常冷、热流体采用逆流或错流布置。

然后再接上接头，把同一种流体的各个通道集中起来，再焊接上相应的管道，即可实现几股气流之间的换热。

图4-3
图4-3翅片的形式
a光直形；b锯齿形；c多孔形
4.4.4主换热器（非切换式板翅换热器）与切换式换热器的比较
非切换式板翅换热器就是指该换热器的所有通道，包括空气、氧、氮、污氮的通道都是不随时间改变，且稳定流动的多股流的换热设备。

一般用在分子筛的低压流程上，也有用在中压流程上。

它是空分设备中最主要的换热器，也通称为主热交换器。

通道内的气体不切换，因此在设计上可以取较高的流速，使传热系数提高，而且截面的传热温差也不受自清除条件下的限制，为了减少热端冷量不完全回收损失，因此热端温差仍取得较小值（2～3℃）。

而冷端温差因不受自清除限制，可取得比切换式换热器的冷端温差大得多。

所以在这种流程中可不设置液化器，液化器的任务由该换热器的冷段来完成。

入塔空气的含湿量由精馏系统根据塔的热平衡来确定的。

由于主交换器的传热温差比切换式换热器大，传递的热量所需的传热面积可以减小，所以非切换式板翅换热器的长度一般要比切换式换热器短。

板式单元的长度约为5.4m，而切换式换热器长
度需要6m。

由于装置内设备简单，冷损较小。

换热器的中抽温度一般可以取得较高，或与长板式切换式换热器的环流温度差不多。

板翅式换热器单元的截面积因流速提高而可以比切换式换热器小。

所以同样的设备，非切换式板翅换热器的质量要轻，而且它的配管简单，操作方便，设备启动快，获得越来越广泛地应用。

4.4.5主换热器的热端温差及中抽温度的控制
对分子筛净化增压流程的非切换式板翅换热器的控制，在稳定工况不象自清除流程对切换式换热器的温差控制那样要求严格。

由于没有自清除问题，热交换器只需控制热端温差和中部抽气温度即可。

它的热端温差的控制也比较简单。

若采用多组并联的大型板翅式交换器组，只需控制大组（由若干个小组并联而成）分配给氧、氮和污氮的空气量即可，各小组内不设置调节阀门。

对小型的非切换式板翅换热器，一般空气侧不设置氧、氮及馏分（或污氮）的气量分配阀。

氧、氮产品量抽的多少对冷端相邻的空气出口温度的影响不加考虑，让其自平衡。

在稳定工况下，空气出冷端汇合后的温度几乎是不变的。

中抽温度与装置的冷量平衡有关。

若需要增加制冷量，即增加膨胀量，中抽温度就会下降。

当几组并联的板翅式换热器工作时，中抽温度可以通过大组中抽量的调节阀来保持，温度高的一组，开大一些，反之则关小一点。

至于膨胀机的温度还可以用旁通空气（热交换器出口的低温空气）来调节。

总之，对非切换式板翅换热器只要控制了热端温差，不让其扩大，中抽温度在一定的范围，换热器的工况基本稳定了。

即使有些变化，只要冷量能平衡也不需要多作调节了。

4.5冷凝蒸发器
4.5.1冷凝蒸发器在空分设备中的作用
氧、氮的分离是通过精馏来实现的。

精馏过程必须有上升蒸汽和下流液体，为了得到氧、氮产品，精馏过程是在上、下两个塔内实现双级精馏过程。

冷凝蒸发器是联系上塔和下塔的纽带。

它用于上塔底部的回流下来的液氧和下塔顶部上升的气氮之间热交换。

液氧在冷凝蒸发器中吸收热量而蒸发为气氧。

其中一部分作为产品氧送出，而大部分（70%～80%）供给上塔，作为精馏用的上升蒸气。

气氮在冷凝蒸发器内放出热量而冷凝成液氮，一部分直接作为下塔的回流液。

一部分经节流降压后供至上塔顶部，作为上塔的回流液参与精馏过程。

由于下塔压力高于上塔压力，所以下塔气氮的饱和温度反而高于上塔液氧的饱和温度。

液氧吸收温度较高的气氮放出的冷凝潜热而蒸发。

因此而得名叫“冷凝蒸发器”。

冷凝蒸发器是精馏系统中必不可少的重要换热设备。

它工作的好坏关系到整个空分装置的动力消耗和正常生产。

所以要正确操作和维护好冷凝蒸发器。

4.5.2影响冷凝蒸发器温差的原因分析
冷凝蒸发器一般是指气氮和液氧的平均温差。

它是基于氧和氮在不同的压力及纯度下的沸点
（即饱和温度）不同而建立起来的。

因此，冷凝蒸发器温差的大小受氧、氮的纯度和上、下塔压力变化的影响。

对于液氧的蒸发过程，当压力一定时，液氧的纯度提高，蒸发温度（沸点）就提高。

例如，当绝对压力为0.14MPa时，如果氧纯度从98%提高到99.5%，则蒸发温度从93.1K提高到93.5K。

当液氧纯度一定时，压力提高，蒸发温度也提高。

例如当液氧纯度为99.5%时，如果绝对压力从0.14MPa 提高到0.15MPa，则蒸发温度会从93.5K提高到94.25K。

对于气氮的冷凝过程，当压力一定时，气氮的纯度提高，则冷凝温度下降。

例如当绝对压力0.57MPa时，氮纯度从98%提高到99.9%，则冷凝温度从96.1K下降到95.9K。

当气氮纯度一定时，压力提高，冷凝温度也提高。

例如当氮纯度为99.9%时，绝对压力从0.57MPa提高到0.6MPa，则冷凝温度会从95.9K提高到96.6K。

由此可见，当上、下塔压力一定时，提高液氧的纯度会缩小主冷温差，提高气氮纯度也会缩小主冷温差。

若气氮的纯度和压力不变，在液氧纯度一定的情况下，提高上塔压力可使冷凝蒸发器的温差缩小。

在开车的积液阶段，通常用适当提高上塔压力，缩小冷凝蒸发器温差的方法，来降低冷凝蒸发器的热负荷，以加快液体的积聚。

4.5.3冷凝蒸发器主冷液面高低的原因分析
在正常运行中，冷凝蒸发器的操作主要是保持氧液面在规定的高度上，引起主冷液面波动的原因较多，但归结起来是不外乎冷量不平衡或液体量分配不当造成的。

制冷量的多少是整个空分设备冷量不平衡所要求的。

制冷量大于要求时，冷凝蒸发器的液面会升高。

就应相应的减少制冷量。

在液面降到合适的高度时，还需要稍增加一点制冷量才能使其平衡、稳定。

如果装置的冷损增加或由于其它原因制冷量小于需要量时，则冷凝蒸发器的液面会下降，就会增加制冷量。

当液面长到合适的位置时，还要稍微减少一定制冷量，才能使液面稳定。

对全低压空分设备来说，增加或减少制冷量主要是增加或减少膨胀机的膨胀量（或改变机前压力和转速）。

冷凝蒸发器液面过高或过低，还要看看其它液面是否合适。

如果冷凝蒸发器液氧面过高而下塔液空面过低。

可能是由于打入上塔的液空量过大，此时应关小液空节流阀。

反之，若冷凝蒸发器液氧面过低，而下塔液空面过高，则要开大液空节流阀，以保持冷凝蒸发器的液面稳定。

当冷凝蒸发器液面过高时，可以排放一部分液氧。

这不仅能使液面迅速下降，还可以清除一部分杂质，有利于安全运行。

如果是带氩塔的设备，应事先提高液氧液面，积聚冷量，然后再启动氩塔。

4.5.4冷凝蒸发器的传热面不足对氧产量的影响
冷凝蒸发器的传热不足，它的热负荷就要降低，即传热量减少。

因此，液氧的蒸发量就会减少，气氮的冷凝量相应减少。

这会直接影响上、下塔的精馏工况。

同时，下塔进气量就会减少，空气吃不进，氧产量随之要降低。

此外，当冷凝蒸发器的传热面不足时，要保证一定的热负荷，势必要提高下塔的压力来增大传热温差。

根据空压机的特性曲线,随着排气压力的升高,气量也会减少,从而也会使氧产量降低。

4.5.5在冷凝蒸发器及液化器中装设氖、氦吹除管的作用。

氖、氦、氮和空气几个物理参数如表4-1所示：
氖、氦、氮的基本物理参数表4-1
)空气
气体种类氖（Ne）氦(He)氮(N
2
标准沸点/℃-245.91-268.79-195.65-191.2
标准密度/kg.m-30.87130.1769 1.251 1.293
由上表可以看出，虽然氖、氦在空气中所占的比例很少，氖在空气中的体积分数为15×10-6～18×10-6；氦在空气中占的体积分数为4.6×10-6～5.3×10-6。

由于它们的液化温度都比氮低，所以在下塔氖、氦气上升至主冷凝蒸发器冷凝侧的上部（即主冷顶盖处）时冷凝不下来。

这样，它们就占据了冷凝器的部分位置，使其换热面积不能充分利用，氖、氦越聚越多。

例如6000m3/h制氧机在主冷顶部8小时聚集的氖、氦气有6m3左右。

这么多的不凝结气体将严重影响冷凝蒸发器的正常工作。

为了将所需冷凝的氮气量冷凝下来，只能靠提高下塔压力，以增大传热温差，这样就会增大空分设备的能耗。

因此在冷凝蒸发器顶部都装有氖、氦吹除管，运行中需定期打开氖、氦吹除阀，将它们排放掉。

同理，在液化器中的空气液化时也会有氖、氦不凝性气体积聚，所以在液化器上部也装有氖、氦吹除管，定期进行排放。

4.5.6冷凝蒸发器全浸的优点
板翅式冷凝蒸发器的板翅式单元是否采用全浸操作，这个问题也有一个认识和实践过程。

刚从国外引进板翅式冷凝蒸发器时，规定液氧面浸渍率约为70%。

当然这样已能满足传热的要求，不影响精馏工况。

随着板翅式冷凝蒸发器发生过多次氧通道局部爆炸事故，从安全的角度考虑，国外提出了板翅式冷凝蒸发器的板式单元要全浸操作。

随后我国也作了相同的规定。

采用全浸的优点：
1、从氧通道流动的角度来看，板式单元外是液氧面，氧通道内是密度较小的气液两相混合物，实际上构成了一个液氧自循环回路。

当热负荷一定时，液氧面越高，氧通道内液氧循环倍率越大。

即液氧对通道壁面冲刷的能力越好，使得乙炔等碳氢化合物不容易在壁面析出，二氧化碳颗粒也不容易堵塞通道截面。

2、从传热角度，由于板翅式冷凝蒸发器的液氧侧的沸腾传热系数与流体的流动有关。

流动越好，传热系数越大。

当液面提高后，氧通道内的流速加快，不断冲刷壁面的气泡。

将使蒸发侧的传热系数提高。

对于冷凝侧的传热，由于它的传热系数大于蒸发侧，并且，当板式单元的高度确定时，
冷凝传热系数几乎不变。

所以，冷凝蒸发器的总传热系数主要取决于蒸发侧的传热情况。

液面高对提高传热系数有利，板翅式冷凝蒸发器采用全浸操作既安全、又合理。