大型蒸汽射流式排液蒸发器的研究与开发

赵 丽，任 璞，赵 建

(杭州杭氧换热设备有限公司，杭州临安青山湖街道东环路99号 311305)

排液蒸发器主要是用来排放空分设备的低温液体，主要是液氧、液氮、液氩的混合物。随着国民经济的迅猛发展和空分技术的不断创新，以及大型煤化工项目的需求，空分设备也日趋向大型化发展。鉴于这种情况，在激烈的市场竞争中，迫切需要开发一种效率高，能适应大型空分设备需要的新一代排液蒸发器，以提高企业的市场竞争力。

本文研究的大型蒸汽射流式排液蒸发器，就是我们参照了国外同行业的先进技术，通过引进、改造，而开发的新一代产品。

1 原理及工艺流程

大型蒸汽射流式排液蒸发器的工作原理，是以蒸汽作为热源，用蒸汽喷射器进行喷射，与来自空分设备的雾状低温液体进行直接接触，进行热交换并使其蒸发，然后排放到大气中。

工艺流程:低温液体(液氧、液氮、液氩)由管口水平方向进入管程，通过管程末端开的小孔喷射。在蒸汽管口由高温高压的饱和蒸汽(或过热蒸汽)射流状态下吸进空气并与其混合，作为动力源，以加热及推动从管程小孔喷出的液氧、液氮、液氩的低温液体混合物。在管道中通过混合接触，进行热量交换来蒸发这些低温液体。使得低温液体汽化之后能在10 m以上的高空管口排放到大气中。设备的目的是要安全排放空分设备中的低温液体，使其不影响环境、周边设备及土建基础，保证空分设备正常运行。其工艺流程见图1。

图1 工艺流程简图Fig.1 Process Sketch

2 结构特点

本文研究的大型蒸汽射流式排液蒸发器，结构主要由两部分组成，一是低温液体管程进口及壳程部分，二是蒸汽喷射器部分。总体采用卧式结构，低温液体管水平布置，蒸发的空间较大。

采用这样的结构型式，其特点是:1.保证了蒸发后的气体有一定的温度，不会造成大气结露现象;2.低温液体能得到充分汽化，排放之后对人类、周围环境及生物无影响、无污染，安全可靠。

3 设计计算

3.1 蒸汽耗量计算

每种液体蒸发所需的热量:

式中，C1i分别是氧气、氮气、氩气比热;m液i为液体质量;Δt1i为混合气温升;γi为液体汽化潜热。

空气吸收热量:

式中，C2为空气比热;m气为空气质量;Δt为空气温升;Q吸为各种液体需要蒸发时所需热量Q吸i和空气吸收的热量Q吸j总和。

蒸汽放热:

式中，m蒸汽为蒸汽质量。

利用Q吸=Q放求出蒸汽所需的耗量。

计算示例:以下为某一项目配套的蒸汽射流式排液蒸发器的计算结果。

表1 参数表Table1 Data Sheet

项目要求蒸汽排液蒸发器蒸发液体液氧、液氮、液氩混合物，流量32.85 m3/h，进口温度为－184.7℃，出口温度为32.3℃，具体参数见表1。根据上述的条件进行设计。蒸汽耗量(指在额定工况下，单位时间通过喷嘴的工作蒸汽质量流量):根据单位时间蒸发器的蒸发液体量决定，处理液体蒸汽能力需12000 kg/h。

4 蒸汽喷射器

蒸汽喷射器的工作效率决定着机组的效率。它由喷嘴、吸入室，扩压段组成。结构见图2所示。

图2 蒸气进口喷射结构Fig.2 Steam injection structure

喷射器的三个主要过程:

膨胀过程，工作蒸汽通过喷嘴绝热膨胀，位能转化为动能，压力下降，比容和速度都剧增，焓值下降。

混合过程:压力下降至负压，速度增加，由工作蒸汽引射进入扩压器混合。两股气流的速度相差很大，来不及完成能量和质量的交换，通常要在扩压器喉部才能完成混合过程。

压缩过程:混合蒸汽在扩压器后段中，动能又转化为压力能，使压力上升，速度下降。内部压力、速度状态变化见图3所示。

图3 喷射器中工作蒸汽、吸入空气状态变化Fig.3 The status of steam and injected air change during process

喷嘴采用拉伐尔型，喷嘴喉部截面积决定于蒸汽流量，在饱和蒸汽时，喷嘴喉部直径:d0=1.57。式中，G为工作蒸汽量;P为绝对压力;喉部直线长度:l0=3～5 mm;喷嘴出口直径d1=C’d0;C’为决定膨胀比E的常数，膨胀比E=P/P0。

喷嘴出口截面对效率影响很大。过大则气流过度膨胀，产生冲击波，降为亚声速，效率显著地降低，过小，则膨胀不足，气流离开喷嘴后还继续膨胀，也引起能量损失，但比过度膨胀时要小。试验表明，出口截面积应小于理论计算值，以免产生过度膨胀，一般为理论计算值的70%～80%。

扩压器计算时先决定喉部直径D，它直接影响到喷射器的工作特性。偏大则抽气能力大，但克服背压的能力差。扩压器的喉部面积与喷嘴喉部面积的比值D2/d02，是一个很重要的参数。一般可取180～250。当工作蒸汽压力较高，蒸发温度也较高时，可按上限选取。

喷嘴与混合段入口截面的距离对喷射器的工作特性有影响，设计时应根据压力比和扩压器与喷嘴的喉部面积比值而定。当压力比喉部面积比值较大时，喷嘴安装时可以伸进混合段，有利于提高克服背压的能力。当上述两值较小时，喷嘴可装在进口截面上。

5 强度计算与材料选用

5.1 强度计算

该设备的筒体、法兰及相关接管均根据NB/T 47003.1—2009《钢制焊接常压容器》要求进行强度计算。由于设备的壳程部分有10 m之高，需要进行风载荷、地震载荷及其强度和稳定性校核，以确保设备的安全使用。支座的设计包括地脚螺栓的规格、数量、材料进行计算校核。在设备的高位处装上吊板，拉上钢丝以增加强度。

5.2 材料选用

由于设备排放的是低温液体，热源又是高温蒸汽，则对设备材料有一定的要求，所选材料必须满足介质的要求。为达到最好的效果，壳程材料选用06Cr19Ni10;管程材料选用铜管，因铜材对温度的敏感性高，有利于热胀冷缩。对高合金钢制容器进行局部射线或超声波无损检测，射线检测长度不得少于各条焊接接头长度的10%。

设备介质是低温液体，温度达到－196℃以下，所以，在设备与地基连接处选用3025酚醛层压布板作为隔层材料，起到了对地基的保护作用，以防地基被冻坏。

6 结束语

大型蒸汽射流式排液蒸发器，由于蒸汽压力高、热量大，低温液体的蒸发空间大，使得整个排液过程阻力小，排液通畅，使用效果很好，达到安全生产，提高效率，保护环境。该系列产品现已大量投入使用，主要应用于“一万”～“八万”系列的大型空分设备项目上。

［1］NB/T 47003.1 ～47003.2—2009.钢制焊接常压容器:全订本［S］.

［2］陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋.化工原理［M］.3版.北京:化学工业出版社，2008.

［3］机械工程手册，电机工程手册编辑委员会.机械工程手册:第14卷.机械产品(四).北京:机械工业出版社，1982.

［4］JB/T 8540—2004水蒸气喷射真空泵［S］.

［5］JB/T 4710—2005钢制塔式容器［S］.