低温热交换器的优化设计方案

1）低温热交换器的作用[19]

在空气分离装置或其他利用深冷进行气体液化与分离的装置（例如碳氢化合物气体的分离装置）中，没有热交换器就不可能有效地进行深冷过程。即使对生产量只有150m3/h的小型制氧装置而言，也有着好几只热交换器，如图2.65所示，其中有用排出的氮气和氧气将常温空气一直冷却到-155～-165℃的第一热交换器和第二热交换器，有液氮过冷器、液空过冷器和位于上、下精馏塔之间的冷凝蒸发器（俗称主冷）等。在大型空分装置中则具有更多的热交换器，在氢的分离装置中也如此。低温热交换器在低温装置中因装置容量的不同而履行不同的任务。现在以图2.65所示的150m3/h小型制氧装置的原理流程图为例来了解热交换器在这种小型制氧装置中所起的作用。

经过过滤和清除了二氧化碳和水分并经压缩机压缩过的高压空气进入主热交换器（简称主热）的上部（即第一热交换器）进行冷却，空气流出第一热交换器后分成两路：一路进入膨胀机，膨胀到下塔压力后进入下塔；另一路进入主热的下部（即第二热交换器）继续受到冷却，出来的空气经节流阀（即图中的节-1）节流至下塔压力后也进入下塔。

空气在下塔预精馏为富氧液空和液氮。富氧液空经液空过冷器和液空节流阀（即图中的节-2）节流后进入上塔中部，作为上塔的原料液，同时也是上塔回流液的一个组成部分。液氮经液氮过冷器过冷和液氮节流阀（即图中的节-3）节流后进入上塔顶部作为塔顶回流液。这样，使液空在上塔再次精馏后，在上塔下部得到高纯度的氧气，顶部得到高纯度的氮气。由于离开精馏塔的氧气温度很低，它具有冷量，人们让它通过主热，利用它的冷量来冷却进入装置的高压空气，使氧气本身的温度提高，最后灌瓶。离开精馏塔的氮气温度更低，因此利用它依次将液氮、液空过冷外，也送到主热冷却高压空气，回收冷量，最后送给用户或排放。

图2.65 150m3/h制氧装置原理流程图

在上塔中部适当部位抽出很大一部分纯度还不算高的氮馏分（含氮94%～95%），其目的在于让它带走大部分的氩成分，以提高氧气和氮气的纯度。如图2.65所示，为了利用氮馏分的冷量，也让它通过主热来冷却空气，回收冷量。

在精馏塔的上、下塔之间，设有冷凝蒸发器（俗称主冷），其作用在于：在它的一侧，使下塔顶部产生的氮气冷凝为液氮；在它的另一侧，使上塔底部的液氧蒸发成为气氧。为了使主冷中气氮的冷凝温度高于液氧的蒸发温度以造成传热温差，下塔的压力要比上塔高。所以，下塔的液空、液氮送往上塔时要分别通过一个节流阀（即图中的节-2和节-3）。

大型制氧装置的氧、氮生产过程与小型的基本相同，但仍有一些差别，其中与热交换器有关的方面，主要有：

（1）小型制氧装置中和新近开发的分子筛增压型大中型制氧装置中，一般是将已除去了水分和二氧化碳之后的净化空气送到主热，于是主热的作用只是使净化后的空气获得冷却。而对目前正在运行着的很多大中型制氧装置中，其热交换器进行这样的工作：在某一段时间里，让空气通过它的通道，使之得到冷却，同时，还要把空气中的二氧化碳和水分冻结在里面。而在另一段时间里，当污氮（即氮馏分）通过热交换器得到升温的同时，把冻结的二氧化碳和水分升华带走。也就是说，这时热交换器在利用各气流进行热交换的同时，还要实现空气中二氧化碳和水分的自清除的任务。

（2）在大型制氧装置中，由于流程组织的需要，还包括有其他一些热交换器，例如液化器、膨胀热交换器、液氧过冷器等，所以在整个流程中，热交换器的应用就更多了。

2）设计低温热交换器的特殊问题

设计低温领域的热交换器，基本原理和一般温度范围内的相同。但在极低温度情况下工作，有一些特殊的要求，需要设计者密切注意。

（1）高效率 低温热交换器中的冷量是需要消耗了功之后才得到的。就以理想卡诺循环为例，如果要从低温热源（温度为T0）中取出热量Q0至周围环境（温度为T）中去时，所需的理论功L为

若以空分装置中的温度范围代入，即T=290K，T0=80K，则

亦即所需的功量为制冷量的2.63倍，而这些功是消耗了电能之后得到的。若粗略地假设由热变电的效率为25%，则可看出低温热交换器中任何冷量的损失将比一般热交换器中散失同样热量时大10倍以上。根据有关资料介绍，热端温差增加1℃，将导致能耗增加2%左右。因而应该使冷气体的冷量尽量多地传给热气体，保证小的传热温差，使之具有很高的效率，一般要求在98%以上。

由热交换器效率公式可知，对于正、返流流量相同的同种流体来说，热交换器的效率取决于端部温差。若冷端温差已由工艺条件决定，则热交换器效率实际上就取决于热端温差。热端温差越小，效率越高。

但是，这样一来，参与热交换的流体的温度变化范围很大（例如要使加工空气从常温冷却到接近饱和温度-172℃，温度变化范围要达到200℃左右）。因而要使流动方式尽量地接近理想的逆流，于是它的长度和直径之比常是一个很大的数值。

（2）设备紧凑 低温热交换器的传热面积本已很大，加之为了减少低温设备的冷量损失，所需的绝热层往往很厚。由于这两方面的原因，要求设备要做得十分紧凑，使每单位容积内具有很大的传热面积，例如板翅式热交换器一般要比管壳式热交换器大五倍以上，这对于减小投资，降低绝热材料的费用都有重要意义。另外，为了尽可能减少低温系统中热交换器的台数，热交换器应力求具有多通道的性能，让多种流体在其中热交换。

（3）阻力小 在低温热交换器中，要求气体通过时的阻力很小以减小压缩功的消耗。阻力增加将使精馏塔内和低压气体的输送压力提高。据计算，对低压制氧装置，压降每增大0.01MPa，将使能耗增加3%左右。此外，低压气体压力的增高将使主热交换器中凝固的杂质（如CO2、H2O）重新升华时增加排除的困难，同时还减小了膨胀机所产生的制冷量。

（4）气密性高 高度的气密性对制氧装置的热交换器十分重要。例如在一台3350m3/h的制氧机中，氧的纯度要求是99.5%，若空气压力为7MPa，则在热交换器的传热面上即使只有0.15mm的一个小孔，就足以使氧纯度下降到99%，这样的氧气就不能用于气焊、切割。又如在许多场合需要极高纯度的氮气，其中的氧含量总共不过0.001%，此时若有微量空气漏入，就使氧含量增加到不能容许的程度。

（5）应保证清除被冷却气体中的水分和二氧化碳等杂质 在制氧装置中，被冷却气体中所夹带的杂质都将在低温下凝成固体附着在热交换器的传热面上，随后在低压的冷气体流过时又重新蒸发而被带走。为了保证能使这些杂质升华，要求热交换器的冷端温差要小。温差愈小，则不能带走的量愈少。通常冷端温差只有5～8℃。

（6）注意换热系数和平均温差计算方法的不同 在计算低温热交换器时，前面所述的换热公式一般都能应用。但在低温工程中，流体与固体间经常同时有辐射和对流换热，在不同条件下，辐射换热所占比例不同，因而必须考虑辐射换热的影响，用式（2.49）和式（2.50）计算换热系数。在计算平均温差时，也应特别慎重。因为在极低温度时，特别是在接近工质临界压力时，气体的比热变化很大，在这种情况下的平均温差，就应该用积分平均温差法来计算。

（7）采用适合于低温的材料 因低温对不同材料的机械性质有着不同的影响，因而低温材料的选用是一个重要的问题。一般而言，常用的碳钢、不锈钢、有色金属以及它们的合金等，低温时的屈服点、强度极限和硬度等都将增加，但低温时，常用碳钢的韧性急剧下降到常温时的几十分之一，在-180℃时还不到10N/cm2，这样就造成了严重的低温脆化现象，降低了抗冲击性能，因而对低温热交换器的用钢、结构、制造等方面在GB151—1999及钢制压力容器国家标准（GB150—1998）中均提出了具体要求。

有色金属的韧性在低温下变化不大，其中如铜反而随温度的降低有所增加。多数有色金属的合金也没有低温脆化现象，因而都可以在低温下应用。(www.xing528.com)

3）低温热交换器的主要类型及结构特点

在低温领域中，光滑管及带有翅片的管壳式热交换器仍有广泛的应用，例如用作制冷装置的冷凝器、蒸发器、空分装置的冷凝蒸发器等。除此之外，低温领域的热交换器还有以下几种：

（1）绕管式热交换器

此类热交换器的结构可以图2.66所示的50m3/h制氧装置上的主热交换器为例，它用于高压空气和氧、氮之间的热交换。整个设备分上、下两段（即第一热交换器和第二热交换器），全量空气经第一热交换器的盘管管内冷却后，一部分抽出送至膨胀机，另一部分继续进入第二热交换器的盘管内冷却到所需温度。空气和氧、氮呈逆流流动，使之具有较大的传热温差。

图2.66 50m3/h制氧机的主热交换器

1，5-补偿接头；2-上盖板；3-中心管；4-下盖板

图2.67 卵石蓄冷器结构示意图

图2.68 板翅单元

1-隔板；2-翅片；3-封条

它的管子是分层地以螺旋状盘绕在中心管上，每层有几根管子同时盘绕。由于随着层次的由里向外，盘绕的螺径不断增大，若圈数与内层相同，管长必然增加。为了使每根盘管的长度基本相同，气流流过的阻力相同，从而保证气流的均匀分配，在做法上采取每层同时盘绕的管子数目也由里向外增加的方法。亦即外层管子的螺径虽比内层管子大，但由于同时盘绕的管子数目增加，使每根盘管的圈数减小。当热交换器的直径大时，此点尤为重要。管子的这种盘绕方法，使每根管子的实际长度要比热交换器外形长度长得很多，这就解决了低温热交换器中要求通道很长的问题。

每层盘管之间以垫条隔开，借垫条厚度决定管层间隙。盘管时，相邻两层管子的盘绕方向相反，以使盘绕紧密并能增加气流的扰动。

这种热交换器的优点是紧凑，也不需另外的温度补偿装置，因而在低温液化装置中用得较多。

（2）蓄冷器

图2.67为3200m3/h制氧装置的卵石蓄冷器结构示意图。

蓄冷器由两个圆筒状容器组成一组，每个容器中装以填料。当压缩空气在一个容器内通过而被填料冷却时，在另一个容器内则逆向地有冷气体通过（如氧、氮等）将填料冷却，每隔一定时间转换一次气流。为了不使换向周期太短，要求填料有比较大的热容量，同时还要有很大的表面积。使用最多的是以卵石作为填料。

虽然在新型的流程中基本上已不用蓄冷器，但它在20世纪70～80年代投产和运行的制氧机上还应用得相当多，它的工作原理与本书第5章所述阀门切换型热交换器相同，在制氧装置中所起的作用相当于图2.65中的主热交换器，它除了用以冷却空气和复热氧、氮外，尚起着净化空气中的二氧化碳和水分的作用。其过程是：在加热周期中，空气被填料冷却，温度不断降低，空气中的二氧化碳和水分不断地析出而结晶在填料表面上，使空气得到净化；而在冷却周期中，氧、氮等被加热，使填料表面的二氧化碳和水分的结晶在低压下升华并被带出。

上述结构的蓄冷器，在切换前残留在蓄冷器中的空气会掺和到切换后所通过的产品气体（即氧、氮）中，使产品的纯度降低并把产品沾污。因而有些卵石蓄冷器均在器内安置蛇管，使产品在蛇管内部参与热交换，不与空气直接接触。

（3）板翅式热交换器

板翅式热交换器的板束单元如图2.68所示，包括翅片、隔板及封条三个元件。它是在平的金属板（称为隔板）上放一波纹状的金属翅片，然后再在其上放一金属板，两边以封条密封而构成的一个基本单元，这个单元就是某种流体的一个通道。将这样的单元以不同的方式叠置起来，加以钎焊，就成为板翅式热交换器的板束。由于组合方式比较灵活，不但可以按需要使流体在设备内串联、并联或串并联，同时也能允许三种以上的流体进行热交换。

由于板翅式热交换器几乎能够满足低温热交换器所有要求，且结构十分紧凑，因此目前几乎毫无例外地被大中型空分设备的传热环节所采用，它的设计、制造水平及采用的广泛程度已成为衡量空气分离水平的重要标志。对于它的具体结构和详细计算，将在本书第3章中作具体的介绍。

【注释】

[1]理想管束指管子与折流板上的管孔之间、壳体内壁与折流板的外缘之间、壳体内壁与管束外圆之间均无间隙的换热管束。

[2]落合安太郎，热交换器，第六版，日刊工业新闻社，1971年。