冷凝器折流板的設計與豎向布置

(河南省中原大化集團有限責任公司，河南 濮陽 457004)

在化工生產中經常用到冷凝器，雖工作原理與普通換熱器大致相同，但是又有其特殊性，可是在工程設計中往往因為忽略了其特殊性，把它當作普通換熱器來對待，而產生設計失誤，致使其使用效果不佳。

1 冷凝器與普通換熱器的不同之處

普通換熱器內換熱管兩側的介質均無相變，冷凝器內換熱管兩側的介質有相變，大多數情況下，被冷凝的氣體中還含有不凝性氣體，冷凝側存在氣液兩相流動的問題。如果不能很好地解決這些問題，就會發生設計失誤。對冷凝器的工藝要求是傳熱效率要高、冷凝溫度要盡量低、放空氣體中的有用氣體含量要盡量少。冷凝溫度越低，其飽和壓力就越低，這樣可以節約壓縮功。

2 冷凝器的設計注意事項

所形成的冷凝液要及時、順利地排出來，否則冷凝液會浸沒換熱管，降低冷凝效果，還會引起設備的液擊和振動。不凝性氣體要及時排放出來，排放點應該放置在不凝性氣體濃度最高之處，否則會降低冷凝效果。被冷凝的氣體含有不凝性氣體時，氣體最好與冷卻介質逆流換熱，這樣可以最大限度降低有用氣體的損失，同時，也因為提高了傳熱溫差而增加冷凝效果。欲達上述目標，一般的做法是在折流板底部留有液體流動缺口(缺口面積要隨著液體形成量的增加而增大)，冷凝器前高后低，或將冷凝器立式布置，使液體能更順利地流動。氣體排放口的設計還要考慮不凝性氣體含量的多少和其分子量的大小等具體情況。

3 失誤的工程實例

(1)案例1。某氨汽提法尿素工廠中的中壓氨冷凝器，其作用是將氣態氨冷凝下來，形成液態氨后再循環利用。氣態氨中含有氮氣、氧氣、氫氣、甲烷等不凝性氣體(在尿素高壓系統加入了鈍化空氣，隨二氧化碳和液氨帶入了氫氣、氮氣、甲烷等)。該氨冷凝器的設計見圖1。循環冷卻水在管內走雙程，氣氨在管外走單程，氨冷凝器被水平放置，其折流板為側向1/4缺口，折流板下部沒有液氨流動缺口。氨冷凝器下部約1/3處的換熱管被液氨浸沒(液氨被過冷)，影響了氣氨的冷凝。同時還由于氣氨與循環冷卻水不是逆流換熱，進水溫度比出水溫度低的有利因素沒有被充分利用，不凝性氣體中的氨含量較高，加重了后面吸收器的負荷，夏季氨損失較大，生產能耗上升。

圖1 1#氨冷凝器注：a—氣氨進口；b—不凝性氣體出口；c—液氨出口；d—CW進口；e—CW出口

(2)案例2。某水溶液全循環法尿素工廠的中壓氨冷凝器，其作用是將氣態氨冷凝下來，形成液態氨后再循環利用。氣態氨中含有氮氣、氧氣、氫氣、甲烷等不凝性氣體。該氨冷凝器的設計見圖2。循環冷卻水在管內走單程，氣氨在管外走單程，逆流換熱，氨冷凝器被水平放置，其折流板為圓環與圓板交替布置，圓環形折流板的下部沒有液氨流動缺口。氨冷凝器內部的換熱管幾乎全部被液氨浸沒(液氨被過冷，只有上部的一少部分殼體是熱的)，影響了氣氨的冷凝，不凝性氣體中的氣氨沒有被充分冷凝下來，加重了后面吸收器的負荷，夏季氨損失較大，生產能耗上升。該氨冷凝器的設計應該在圓環形折流板的下部留出液氨流動缺口，并且將該氨冷凝器傾斜放置，前高后低，使冷凝下來的液氨順利流出來，使換熱管不被液氨浸沒。該氨冷凝器也可采取立式布置。

圖2 2#氨冷凝器注：a—氣氨進口；b—不凝性氣體出口；c—液氨出口；d—CW進口；e—CW出口

(3)案例3。某水溶液全循環法尿素工廠的高壓甲胺溶液加熱器，其設計見圖3。高壓甲胺溶液在U形管內走雙程，中壓過熱蒸汽在管外走單程，該加熱器被水平放置，其折流板為側向1/4缺口，折流板下部沒有蒸汽冷凝液流動缺口。換熱管因局部溫差過大而產生熱應力、氧氣、電化學的綜合作用，使換熱管發生嚴重的局部腐蝕，經常發生爆管，使用壽命很短(3年左右)。該加熱器的設計改進措施是采用飽和蒸汽進汽，以減少溫差熱應力；換熱管兩側的溫差不能過大(在有較強腐蝕性的介質中，兩側溫差最大之處不宜超過40℃)，以減輕熱應力腐蝕，如果1臺加熱器不能滿足，可采取2個換熱器串聯；折流板的下部應留出蒸汽冷凝液的流動缺口；將該加熱器傾斜放置，前高后低，使產生的蒸汽冷凝液能順利流出來，使換熱管不被蒸汽冷凝液所浸沒。

圖3 高壓甲胺溶液加熱器注：a—蒸汽進口；b—不凝性氣體出口；c—蒸汽冷凝液出口；d—高壓甲胺溶液進口；e—高壓甲胺溶液出口

4 最佳的工程實例

某大型合成氨廠的氨壓縮機(俗稱冰機)出口氨冷凝器的設計見圖4。循環冷卻水在管內，氣氨在管外都走雙程(冷凝器內部有一個縱向隔板，使氣氨走雙程)，循環冷卻水與氣氨逆流換熱，使排出的不凝性氣體的溫度達到最低，使氣氨得到了最大限度的冷凝回收。折流板為側向1/4缺口，其底部留有液氨流動缺口，冷凝器為臥式布置，前高后低，傾斜度約5%，使形成的液氨能順利地排放到下邊的液氨受槽。這是一個近乎完美的設計方案，值得學習和借鑒。

圖4 3#氨冷凝器注：a—氣氨進口；b—不凝性氣體出口；c—液氨出口；d—CW進口；e—CW出口

冷凝器傾斜放置，a口高，c口低，隔板上下兩側均有折流板，其缺口在左右兩側，隔板下側的折流板底部都留有液氨流動缺口。

5 其他

5.1 蒸汽再沸器

蒸汽再沸器與蒸汽加熱器其實就是蒸汽冷凝器，工作原理與其他冷凝器是一樣的，設計注意事項也是一樣的。可以立式布置，也可以臥式布置，要注意的是蒸汽冷凝液的順利排出和不凝性氣體的排放。蒸汽加熱器的進汽最好是飽和蒸汽，這樣可以避免換熱管局部溫度過高而引起的腐蝕和物料過熱等問題。

5.2 表面冷凝器

蒸汽透平表面冷凝器，在發電廠有悠久的應用歷史，積累了很多成功的經驗，設計很完善，基本形成了定型設計，在設計其他冷凝器時，可以參考其結構。其特點是殼程壓力很低(一般是真空狀態)，殼體較薄，下部的積液槽可以被設計成各種形狀。表面冷凝器的結構見圖5。

圖5 表面冷凝器注：a—透平泛汽進口；b1/b2—不凝性氣體出口；c—透平冷凝液出口；d—CW進口；e—CW出口

6 結語

冷凝器在化工生產中應用廣泛，其與普通換熱器既有相似之處，又有其特殊性，冷凝器內有相變，有兩相流，有時還有不凝性氣體，在工程設計中既要處理好兩相流動問題，還要處理好不凝性氣體的排出問題。文中指出了設計中應注意的事項，給出了幾個存在嚴重缺陷的工程設計和兩個最佳工程實例，可供設計人員參考。恰到好處的冷凝器設計，即可節能降耗，又可降低設備投資。