冷凝器折流板的设计与竖向布置

(河南省中原大化集团有限责任公司，河南 濮阳 457004)

在化工生产中经常用到冷凝器，虽工作原理与普通换热器大致相同，但是又有其特殊性，可是在工程设计中往往因为忽略了其特殊性，把它当作普通换热器来对待，而产生设计失误，致使其使用效果不佳。

1 冷凝器与普通换热器的不同之处

普通换热器内换热管两侧的介质均无相变，冷凝器内换热管两侧的介质有相变，大多数情况下，被冷凝的气体中还含有不凝性气体，冷凝侧存在气液两相流动的问题。如果不能很好地解决这些问题，就会发生设计失误。对冷凝器的工艺要求是传热效率要高、冷凝温度要尽量低、放空气体中的有用气体含量要尽量少。冷凝温度越低，其饱和压力就越低，这样可以节约压缩功。

2 冷凝器的设计注意事项

所形成的冷凝液要及时、顺利地排出来，否则冷凝液会浸没换热管，降低冷凝效果，还会引起设备的液击和振动。不凝性气体要及时排放出来，排放点应该放置在不凝性气体浓度最高之处，否则会降低冷凝效果。被冷凝的气体含有不凝性气体时，气体最好与冷却介质逆流换热，这样可以最大限度降低有用气体的损失，同时，也因为提高了传热温差而增加冷凝效果。欲达上述目标，一般的做法是在折流板底部留有液体流动缺口(缺口面积要随着液体形成量的增加而增大)，冷凝器前高后低，或将冷凝器立式布置，使液体能更顺利地流动。气体排放口的设计还要考虑不凝性气体含量的多少和其分子量的大小等具体情况。

3 失误的工程实例

(1)案例1。某氨汽提法尿素工厂中的中压氨冷凝器，其作用是将气态氨冷凝下来，形成液态氨后再循环利用。气态氨中含有氮气、氧气、氢气、甲烷等不凝性气体(在尿素高压系统加入了钝化空气，随二氧化碳和液氨带入了氢气、氮气、甲烷等)。该氨冷凝器的设计见图1。循环冷却水在管内走双程，气氨在管外走单程，氨冷凝器被水平放置，其折流板为侧向1/4缺口，折流板下部没有液氨流动缺口。氨冷凝器下部约1/3处的换热管被液氨浸没(液氨被过冷)，影响了气氨的冷凝。同时还由于气氨与循环冷却水不是逆流换热，进水温度比出水温度低的有利因素没有被充分利用，不凝性气体中的氨含量较高，加重了后面吸收器的负荷，夏季氨损失较大，生产能耗上升。

图1 1#氨冷凝器注：a—气氨进口；b—不凝性气体出口；c—液氨出口；d—CW进口；e—CW出口

(2)案例2。某水溶液全循环法尿素工厂的中压氨冷凝器，其作用是将气态氨冷凝下来，形成液态氨后再循环利用。气态氨中含有氮气、氧气、氢气、甲烷等不凝性气体。该氨冷凝器的设计见图2。循环冷却水在管内走单程，气氨在管外走单程，逆流换热，氨冷凝器被水平放置，其折流板为圆环与圆板交替布置，圆环形折流板的下部没有液氨流动缺口。氨冷凝器内部的换热管几乎全部被液氨浸没(液氨被过冷，只有上部的一少部分壳体是热的)，影响了气氨的冷凝，不凝性气体中的气氨没有被充分冷凝下来，加重了后面吸收器的负荷，夏季氨损失较大，生产能耗上升。该氨冷凝器的设计应该在圆环形折流板的下部留出液氨流动缺口，并且将该氨冷凝器倾斜放置，前高后低，使冷凝下来的液氨顺利流出来，使换热管不被液氨浸没。该氨冷凝器也可采取立式布置。

图2 2#氨冷凝器注：a—气氨进口；b—不凝性气体出口；c—液氨出口；d—CW进口；e—CW出口

(3)案例3。某水溶液全循环法尿素工厂的高压甲胺溶液加热器，其设计见图3。高压甲胺溶液在U形管内走双程，中压过热蒸汽在管外走单程，该加热器被水平放置，其折流板为侧向1/4缺口，折流板下部没有蒸汽冷凝液流动缺口。换热管因局部温差过大而产生热应力、氧气、电化学的综合作用，使换热管发生严重的局部腐蚀，经常发生爆管，使用寿命很短(3年左右)。该加热器的设计改进措施是采用饱和蒸汽进汽，以减少温差热应力；换热管两侧的温差不能过大(在有较强腐蚀性的介质中，两侧温差最大之处不宜超过40℃)，以减轻热应力腐蚀，如果1台加热器不能满足，可采取2个换热器串联；折流板的下部应留出蒸汽冷凝液的流动缺口；将该加热器倾斜放置，前高后低，使产生的蒸汽冷凝液能顺利流出来，使换热管不被蒸汽冷凝液所浸没。

图3 高压甲胺溶液加热器注：a—蒸汽进口；b—不凝性气体出口；c—蒸汽冷凝液出口；d—高压甲胺溶液进口；e—高压甲胺溶液出口

4 最佳的工程实例

某大型合成氨厂的氨压缩机(俗称冰机)出口氨冷凝器的设计见图4。循环冷却水在管内，气氨在管外都走双程(冷凝器内部有一个纵向隔板，使气氨走双程)，循环冷却水与气氨逆流换热，使排出的不凝性气体的温度达到最低，使气氨得到了最大限度的冷凝回收。折流板为侧向1/4缺口，其底部留有液氨流动缺口，冷凝器为卧式布置，前高后低，倾斜度约5%，使形成的液氨能顺利地排放到下边的液氨受槽。这是一个近乎完美的设计方案，值得学习和借鉴。

图4 3#氨冷凝器注：a—气氨进口；b—不凝性气体出口；c—液氨出口；d—CW进口；e—CW出口

冷凝器倾斜放置，a口高，c口低，隔板上下两侧均有折流板，其缺口在左右两侧，隔板下侧的折流板底部都留有液氨流动缺口。

5 其他

5.1 蒸汽再沸器

蒸汽再沸器与蒸汽加热器其实就是蒸汽冷凝器，工作原理与其他冷凝器是一样的，设计注意事项也是一样的。可以立式布置，也可以卧式布置，要注意的是蒸汽冷凝液的顺利排出和不凝性气体的排放。蒸汽加热器的进汽最好是饱和蒸汽，这样可以避免换热管局部温度过高而引起的腐蚀和物料过热等问题。

5.2 表面冷凝器

蒸汽透平表面冷凝器，在发电厂有悠久的应用历史，积累了很多成功的经验，设计很完善，基本形成了定型设计，在设计其他冷凝器时，可以参考其结构。其特点是壳程压力很低(一般是真空状态)，壳体较薄，下部的积液槽可以被设计成各种形状。表面冷凝器的结构见图5。

图5 表面冷凝器注：a—透平泛汽进口；b1/b2—不凝性气体出口；c—透平冷凝液出口；d—CW进口；e—CW出口

6 结语

冷凝器在化工生产中应用广泛，其与普通换热器既有相似之处，又有其特殊性，冷凝器内有相变，有两相流，有时还有不凝性气体，在工程设计中既要处理好两相流动问题，还要处理好不凝性气体的排出问题。文中指出了设计中应注意的事项，给出了几个存在严重缺陷的工程设计和两个最佳工程实例，可供设计人员参考。恰到好处的冷凝器设计，即可节能降耗，又可降低设备投资。