氣液直接接觸式大型氣體冷凝冷卻塔的工藝優化設計

齊大偉，李澤龍，吳斌

（中國空氣動力研究與發展中心超高聲速研究所，四川綿陽 621000）

某大型真空系統試驗過程中會產生大量的含有過飽水蒸氣的氣體，為降低建設成本、節約能耗，需要在短時間內對這些氣體進行急冷降溫，將氣流中含的水蒸氣大部分冷凝析出，并以液態水形式排出系統。經過反復論證和試驗分析，確定采用氣液直接接觸式冷凝冷卻塔方案，以達到理想的降溫、冷凝的目的。

由于沒有傳熱間壁，換熱面就是兩個介質之間的接觸面積，氣液兩相通過氣泡、液滴分散的形式，使傳熱大為強化，填料型直接接觸換熱，傳熱傳質同時進行，對傳熱更為有利。

1 設計要求

1.1 進氣氣體主要參數(見表1)

表1 試驗氣體參數表

1.2 主要技術指標

冷卻水溫度：≤25℃；冷卻水總量：最大供水量2500m3/h；進出口壓力損失：≤1kPa；排出氣體溫度：≤30℃。

2 方案設計

本設備既是氣體冷卻過程也是水蒸氣冷凝過程，氣液之間同時發生熱量與質量交換，傳熱與傳質都是從氣相傳至液相（見圖1），單純用傳統的傳熱計算方法，目前還缺乏準確的求取傳熱系數的理論方法。通常是采用成熟的流程模擬軟件計算出傳質的理論級數，傳質的同時實現換熱，鑒于空塔換熱最大只有兩個理論級數，因此增設填料段能實現理論級數的提高，保證換熱效果，而高效規整填料具有效率高壓降低的優點，因此本設計方案采用高效規整填料塔型設備。

圖1 塔內氣體與水之間的傳熱、傳質關系

2.1 主要參數的確定

選擇最大工況條件（工況5）進行計算，氣體進口數據（見表2）考慮操作彈性為60%～110%。

表2 工況5 的氣體進口數據

2.2 傳熱理論級數與最小用水量

采用流程模擬軟件PRO/II 進行計算模擬，得出結果如表3 所示：可以看出水量2500m3/h 情況下，需要3 個理論級數。

表3 傳熱理論級數與最小用水量

2.3 不同塔徑泛點率與壓降的關系

對不同直徑與填料組合進行水力學計算，由表4 的結果可以看出：在操作條件下，塔徑7400mm 各項指標相對合理。

表4 不同塔徑泛點率與壓降的關系

2.4 填料的優化選擇

實際操作中，在填料層內，由于傳質傳熱的作用，使得氣體負荷沿塔高向上逐漸減小，液體負荷向下逐漸增加，按照各點泛點率等效原則，沿塔高方向填料的比表面積也應逐漸變化，考慮到實際加工選擇了兩種不同的比表面積的規整填料，表5、表6 為最終的填料層水力學計算結果。

3 設備運行后的計算結果

3.1 換熱理論計算結果

按照實際進水量的計算得出的各種工況下的進出口溫度如下表7 可以看出：滿足設計要求。

表5 下層填料水力學結果

表6 上層填料水力學結果

表7 換熱理論計算結果

表8 全塔壓降表

表9 最小冷卻水量

3.2 全塔壓降計算結果（見表8）

位最大工況下全塔壓降，可以看出滿足實際要求。

3.3 最小冷卻水量

因為實際設計是以最大工況條件進行的，在其他工況條件下，運行參數會發生變化（見表9），給出了不同工況下的最小用水量。

4 結論

采用流程模擬軟件PRO/II 并通過中試試驗驗證確定了本次氣體冷凝器的主要結構形式及尺寸，確定塔徑7400mm,采用組合型填料，具有壓降低、通量大、傳熱效率高的特點，理論計算結果滿足實際運行需要。