卧式粗氩冷凝器在特大型空气分离设备中的应用

夏 军，兰小青，胡 炜

(杭州制氧机集团股份有限公司 设计院，浙江 杭州 310000)

1 前 言

近十年来，中国空分事业发展迅猛，已经成功实现了十万等级空分的国产化，并向十万以上等级空分的研发和生产迈出了坚定的步伐[1]。空分突破了十万等级这道门槛后，面对的不单单是空分单体设备的简单放大和数字上的提升，而是从流程计算、工艺设计和单元设计到设备制造、运输、安装以及空分运行、维护、安全等一系列的突破创新的挑战。并且，随着国内稀有气体市场的兴起，市场对空分提出了氪、氙、氖、氦、高纯氧氮以及超纯氧氮的需求，使特大型空分的研发进入了一个新的高度。随着空分等级的提升，粗氩冷凝器也需要越来越大的换热面积，这将会给设备制造、运输、安装带来一系列的问题。

2 应用现状

某公司基于以上市场的需求设计了一套特大型空分设备。该套空分的产品除了常规的氧、氮、氩外，还有氖、氦、氪、氙四种稀有气体，并且还要求将另外一套7万等级不带氩空分的粗氩气同时进行氩产品提取。因此，该套9万等级空分的氩系统氩提取能力需等同于15万等级空分的氩提取系统，粗氩冷凝器的热负荷远大于常规空分设备，液空侧最大换热面积巨大，所以粗氩冷凝器的设计、制造、运输、安装和安全运行面临诸多挑战。

3 应用情况

3.1 运输和现场制造问题

若粗氩冷凝器采用常规单层立式结构设计，则单元尺寸约为Φ5400 mm×6700 mm。该设计方案将面临两个工程问题：

1.运输尺寸限制问题：粗氩冷凝器采用常规公路运输，制造地与安装现场的公路运输条件中，容器运输直径尺寸上限为Φ4800 mm。常规结构设计的粗氩容器直径为Φ5400 mm，已超过公路运输尺寸上限，不满足公路运输条件，运输成本超出可承受范围。

2.现场制造质量控制问题：当容器运输超限时，工程上通常会考虑采用现场制造的方式来解决问题，但铝制粗氩冷凝器的现场制造需满足或具备以下条件：

1)现场制造需满足JB/T 4734《铝制焊接压力容器》第10.2.1.1条要求：制造铝容器的场地应保持清洁，并铺设橡胶或其他软材质材料，以免碰伤、擦伤铝表面。露天制作时应有防风、雨、雪及冬天防冻的设施。

2)铝制容器生产常用机具：滚轮架、足够吨位的吊机、常规焊机及半自动或全自动铝焊机等。

3)符合要求的制造及监管人员。铝制容器的生产制造对环境要求较高，一般现场均不具备独立、整洁的制造车间条件。另外现场制造对工装机具的调用成本较高，现场制造质量监管不及工厂内制造。

综上所述，考虑到制造质量和制造成本等综合因素，在有其他选择的情况下，不宜采用现场制造方案。

3.2 工艺流程和运行操作问题

在满足厂内制造和常规公路运输的前提下，粗氩冷凝器可采用立式双层和卧式两种形式。

1.立式双层粗氩冷凝器的特点：

1)粗氩冷凝器尺寸约为Φ4836 mm×8728 mm，上层液空入口较高。

2)粗氩冷凝器上下层液空采用单独进液和单独回流的形式，上下层设置单独液位计进行液位控制。导致运行时粗氩冷凝器的操作难度增加，并且上下层液空组分存在差异。

3)进出物料管口较少，配管相对简单。

4)粗氩冷凝器与粗氩塔通过焊接复合，结构简单，安装方便。

2.卧式粗氩冷凝器的特点：

1)粗氩冷凝器尺寸约为Φ4650 mm×7000 mm，液空入口较低。

2)粗氩冷凝器只有单层液位，运行时操作较为简单，液空组分均匀单一。

3)进出管口物料较多，配管相对复杂。

4)粗氩冷凝器与粗氩塔无法直接焊接复合。

同负荷条件下的卧式粗氩冷凝器与立式双层粗氩冷凝器相比较，卧式粗氩冷凝器的体积更小更紧凑，操作更简单更方便，液空入口更低，组分均匀单一，使其在冷箱布置和流程应用上更灵活，适用范围更广泛。

该空分的氪氙产品便是从粗氩冷凝器的液空中提取，因此，运行时需严格控制液空组分，以达到提高氪氙产品产量的目的。因此，卧式粗氩冷凝器更能符合工艺设计的要求。

3.3 卧式粗氩冷凝器的复合和支撑问题

立式粗氩冷凝器常采用焊接方式将粗氩冷凝器与粗氩塔复合在一起，不需要另外设置支撑。上述焊接复合形式不适用于卧式粗氩冷凝器与粗氩塔的复合，因此卧式粗氩冷凝器需考虑设置支撑。

根据以往经验，并参考卧式主冷的支撑模式，可考虑采用横梁支撑或立式支座支撑。粗氩冷凝器的布置标高一般在55～60 m，远高于卧式主冷的25～30 m。因此，粗氩冷凝器所处位置的管道存在较大的垂直冷缩变形，数值在220～240 mm。如果设置单独的固定支架，粗氩冷凝器不能与粗氩塔同步冷缩，则在管道设计时，需设置大量的冷缩补偿结构，导致配管复杂化，同时成本增加，管路沿程阻力损失增大，不利于安装和长期运行。

相对于卧式主冷而言，卧式粗氩冷凝器长度较短，重量较小，存在将粗氩冷凝器直接布置在粗氩塔顶端的可能性。通过结构强度计算和多方案对比，最后采用螺栓连接的方式，将粗氩冷凝器复合在粗氩塔顶端。图1是粗氩冷凝器与粗氩塔复合示意图。

图1 粗氩冷凝器与粗氩塔复合示意图

3.4 卧式粗氩冷凝器安装、运行过程中可能存

在的问题

1.卧式粗氩冷凝器的安装难度大于立式粗氩冷凝器，安装精度更高。卧式粗氩冷凝器在安装过程中，既要达到和塔复合后的整体垂直度要求，又要达到粗氩冷凝器本身的水平度要求。

2.卧式粗氩冷凝器进出管口较多，配管密度大，安装工作量大，安装要求更严格。

3.卧式粗氩冷凝器内板式数量较多，实际运行时

可能存在板式偏流的情况。

4 结束语

随着我国10万等级和12万等级的空分设备逐渐走向成熟，空分的等级将会不断的提升，空分产品也将不断多样化，常规立式粗氩冷凝器已经无法满足空分发展的需求，卧式粗氩冷凝器将因其体积小，热负荷大，便于运输，流程适应性强等特点，在10万等级以上空分的设计中受到关注，可获得广泛应用。