粗氩冷凝器工作原理分析

李杰春 · 发表于 2012-10-17 14:07:37

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粗氩冷凝器是氩提取设备的关键部件之一，对它的操作是否恰当，将直接影响到粗氩的产量和质量。严重时，甚至会影响到整个空分装置精馏工况的稳定性。
　　在实际操作中，经常会发生这样的现象，为了提高粗氩冷凝器的热负荷，也即提高粗氩塔的阻力，采用提高液空液位的方法。这种方法在粗氩冷凝器液空液位较低时是有效的，但一旦升高到一定的高度后，再继续提高液液位，不但不会使粗氩塔阻力提高，反面会使其下降。为什么会发生这种现象？其实，只要我们分析一下粗氩冷凝器的工作原理和结构特点，就不难理解这种现象的发生。
　　一、粗氩冷凝器工作原理
　　粗氩冷凝器与主冷凝蒸发器比较，在结构上有相似之处。只是粗氩冷凝器侧的介质是液空，冷凝侧的介质是粗氩气。粗氩获得冷量被冷凝，同时液空被蒸发。在蒸发侧的液空，是以一定的循环倍率在其通道内流动，即在通道内有大量液空在循环流动，加热汽化的只占小部分。如图所示。一般情况下，液空循环量与汽化量在7～10倍。循环倍率越大，传热强度就越大，粗氩冷凝器的热负荷就越大，反映在粗氩塔上，就会使粗氩塔阻力升高。在冷凝器结构一定的情况下，循环倍率主要受粗氩冷凝器的温差和液空液位两个因素的影响。
　　二、粗氩冷凝器温差对循环倍率的影响
　　液空在蒸发通道内受冷凝侧粗氩气的加热，液空得到热量，温度升高并部分汽化，使其比重变小。这样，通道内压力小于通道进口处的压力，使液空在通道内向上流动。所以粗氩冷凝器的温差是产生循环倍率的前提，没有温差，液空就不会自动循环。而粗氩冷凝器的温差，主要由液空的组分、蒸发测的压力决定的，当然还液空液位的影响，这将在后面讨论。
　　粗氩冷凝器蒸发侧的液空组分在60～70%O2的范围内，在一定的压力下，不同的含氧量就会有不同的蒸发温度。影响液空的含氧量主要有两个因素：一个是下塔液空的含氧量，下塔液空含氧量越高，蒸发侧的液空含氧量也就越高，使冷凝器的蒸发温度升高，平均温差减小；另一个是液空回流量的大小，在产品设计时一般已考虑了取液空的总量的2～10%作为回流液空量。一般情况下，这个百分比每增加一个百分点，会使液空中的含氧量减小0.3～0.4%个百分点，相应地使蒸发侧的温度降低，从而达到扩大冷凝器温差的目的。
　　液空蒸发侧压力对冷凝器蒸发温度的影响，一般情况下，蒸发侧的压力越低，越利于提高冷凝器的温差。但蒸发侧的压力不是随意可以降低的，它是受到粗氩冷凝器液空蒸汽回到上塔相应截面的压力所约束，也即是一一对应的。然而在有限范围内适当调高蒸发侧压力倒是可以的，那就是有的用户要求粗氩塔设计时应考虑较大幅度减负荷运行时才适当提高液空蒸发侧的压力，以减小冷凝器的温差，达到减负荷的目的。在这种情况下，就必须在液空蒸汽返回上塔的管线上加只控制阀，才得以实现。
　　三、液空液位对循环倍率的影响
　　为了使液空在板翅式换热器液空测通道内以一定的倍率循环流动，在保证与冷凝器冷凝侧有一定温差的前提下，还必须保持有一定的液空液位。由于这个液位的存在，使蒸发侧底部有一定的压力P2，以克服液空在板式翅片内流动时的阻力。一般情况下，随着液空液位的提高，液位底部的压力P2也会逐渐提高，液空流动加快使循环倍率提高，达到强化冷凝器传热的目的，有利于粗氩冷凝器热负荷的提高。但当液位提高一定高度以后，由于P2压力的提高，液空底部的饱和温度升高，使蒸发侧的平均温度升高，缩小了粗氩冷凝器的平均温差。这样，不但没有使粗氩冷凝器的热负荷提高，反面使其下降，严重时还会使粗氩塔的工况受到破坏。
　　在了解了粗氩冷凝器的工作原理和液空液位、回流液空量、下塔液空含氧量等因素的影响后，在我们的实际操作中，就比较容易灵活掌握调整粗氩冷凝器和粗氩塔的工况。
　　首先必须保证粗氩冷凝器蒸发侧与冷凝侧有一定的温差。可采取以下措施：
　　1.使上塔有相对稳定的工况，尽可能使粗氩气中存在较少量的氮气，一般控制在1.5%N2以下。
　　2.调整下塔工况，下塔液空中的含氧量控制在35.5～37.5%O2范围内。
　　3.通过开大或关小粗氩冷凝器的液空恒流阀，来调节液空蒸发侧液空的含氧量。
　　其次，在调试时，可进行调整液空液位高度的试验。即在保证其它工况正常的情况下，使液空液位从低位到高位缓慢提高，开始时随着液位的提高粗氩塔阻力也会同步提高，但到一定的高度以后，若继续提高液位时会使粗氩塔阻力下降，说明在这种情况下，你若想继续抽调粗氩塔的阻力，那么只能采用前面提到的第1～3种方法来调节。了解了这个转折点以后，就可以使我们避免错误的操作。