高精度微小型空分設備設計和裝配工藝研究

何仙來，楊延江，吳婷婷

（杭州杭氧低溫液化設備有限公司，杭州 311000）

1 引言

氪氙氖氦等稀有氣體在空氣中含量較少，被稱為黃金氣體，隨著工業生產和科學技術發展，它們的用途也越來越廣，在燈光行業、精細化工、核化學、放射化學等領域都有很大用途。在國防工業和石油化學工業的發展中，開發稀有氣體等微型或小型高精尖空分設備已成為空分市場未來發展的趨勢[1]。

2 研究目的

撬裝快結構氪、氙、氖、氦提取設備具備結構緊湊、靈活、安裝方便等特點。移動式的撬裝設備要求精餾塔內部空間有限，運輸高度受到限制，所以篩板式結構分流塔在移動式撬裝設備中得到首選。但是微型或小型篩板塔組裝空間狹小，結構復雜，裝配難度大大提高，采用中大型空分分流塔安裝方法顯然達不到功能設計的要求。[2]急需探索一種高效、簡潔、實用的裝配方法為設備微型化設計做工藝保障。

3 分餾塔分類和特點

3.1 分餾塔結構特點對比

分餾塔按結構可分為：填料式和篩板式兩類。對比優缺點如下。

優點：填料式分餾塔：①節能、效率高、技術成熟；②在減壓和常壓蒸餾條件下，單位塔截面積通氣能力較好；③壓力降小。篩板式分餾塔：①氣或液每經過一層塔板都可得到近乎完全混合，液體溝留不均或氣體分布不均都只會影響這一層的分餾效果，對整體影響較小；②持液量較大，易于操作；③內部結構簡單，靈活性高；④計算比較準確可靠且方便安裝冷卻管。

缺點：填料式分餾塔：①在高液氣比的條件下傳輸率較低；②塔內采用液體分布器，占比空間大，靈活性差，填料層容易堵塞；③操作范圍小，對液體負荷的變化敏感。當液體負荷較小時，其表面不能很好地潤濕，傳遞效果下降；當液體負荷過大時，容易產生液泛。篩板式分餾塔：①在減壓、常壓、低壓操作下，分離效率略低；②壓降相對高，耗能大。

3.2 塔板制作方案分析

圖1 錫焊連接的塔板復合件

移動式分餾塔采用的是篩板塔，內部塔板分別由接液板、孔板、擋板和溢流斗四部分連接組成，如圖1，由于篩板塔塔板厚度較薄，所以在選材和復合工藝上做了不同對比分析。

3.2.1 裝復方法分析

對于分餾塔塔板各部件的組裝連接主要有焊接和鉚接兩種，各自特點主要有以下方面，見表1。

表1 塔板連接方法及特點

塔板的質量在分餾塔分餾工況具有重要作用，塔板平整度和塔板的孔徑，孔距精度直接影響精餾效果，所以大型空分設備塔板多采用鉚接結構，這樣就減少焊接變形，保證塔板的平整度公差在±0.5mm內，如圖2。而撬裝式稀有氣體分餾塔體積較小，內部塔板間的連接空間有限，且分餾塔內塔板各部件要求密封度高，不得漏液，堵塞孔徑。由表1可知，焊接連接強度高，密封性好，重量小，結構簡單，而鉚接連接需要母材搭接，還需要大量的鉚釘固定，對于小型分餾塔塔板連接消耗的無效面積大，在有限空間，使得塔內精餾功能和效果降低。

3.2.2 焊接方法分析

目前焊接方法主要有熔化焊和釬焊兩種。

①熔化焊：將填充材料和工件的連接區基本材料共同加熱至熔化狀態，在連接處形成熔池，熔池中的液態金屬冷卻凝固后形成牢固的焊接接頭，使分離工件連接成一個整體。優點：焊縫密封性好，強度能達到與母材一致。缺點：焊接過程中加熱，母材局部受熱致使變形，不易控制。②釬焊：采用比母材熔點低的金屬材料作為釬料，將釬料和釬劑加熱到高于釬料熔點，低于母材熔化溫度，利用液態釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散實現連接焊件的方法。根據塔板的特殊結構和使用功能，錫釬焊具備以下優勢：①穩定性好，釬焊對母材的物理化學性能影響小，焊接應力和變形較小，焊件變形可降到最低程度，易保障焊件的尺寸精度，可連接性能差別較大的異種金屬。②應用范圍廣，對工件厚度無嚴格要求。③操作簡單，錫釬焊設備簡單，采用烙鐵加熱釬料，使接頭光滑平整。適合在小空間，連接各種復雜工件。

表2 釬焊工藝評定

小型塔板要求密封性好，且塔板平整度高，考慮塔板厚度較薄，極易焊接變形，塔體直徑小，空間有限，選用烙鐵錫釬焊更為合理。

黃銅H62的最低抗拉強度為δH62=315MPa，表2中錫焊縫比較脆，略低于母材強度，和鋁合金5052（δ5052=195MPa）強度相當，具有足夠的連接強度，適用于塔內件固定和連接。3.2.3材質選擇

分餾塔設計溫度為-196℃，為壓力容器。內部清潔度很高。因此要求材料選擇和受壓焊縫具有一定的強度保證。將上述分析，錫釬焊工藝評定抗拉強度無法達到母材最低強度要求，從壓力容器安全角度出發，建議受壓件筒節選用不銹鋼，采用氬弧焊對接，而內件選用H62黃銅，采用錫釬焊裝配。如圖3。

圖2 塔板裝配實物圖

圖3 塔板裝配示意圖

4 結論

①錫焊溫度低，密封性好，具有一定的連接強度，焊后母材不易變形，相比鉚接結構，錫焊裝配更簡單，且重量小，剛性、穩定性更好。適用于結構精巧、復雜的小型塔板等內件的裝復連接。

②微小型壓力容器選用不銹鋼作為外殼受壓件首選材料，而黃銅更適合加工容器內件。黃銅硬度低，冷變形加工性能佳，能滿足錫釬焊工藝特性，對于小型分餾塔塔板高精度，高平整度的質量要求，成為設計首選材料。

③黃銅錫釬焊接頭抗拉強度率低于母材，在容器受壓焊縫中應用存在一定風險，因此黃銅材質和錫釬焊工藝在小型空分設備內件制作具有極大的優勢，實踐證明該工藝方案可行性、安全性滿足生產和技術要求。