5.3. Определение основных конструктивных размеров конденсаторов-испарителей

Конденсаторы-испарители воздухоразделительных аппаратов предназначаются для конденсации азота за счет испарения жидкого кислорода. Конденсаторы-испарители подразделяют на основные и выносные.

В основных конденсаторах-испарителях происходит кипение жидкого кислорода, а образовавшиеся пары либо полностью, либо частично участвуют в процессе ректификации. В выносных испаряется только продукционный кислород. Конструктивно конденсаторы-испарители выполняются в виде трубчатых и пластинчато-ребристых аппаратов. Трубчатые конденсаторы-испарители изготовляются двух типов: с кипением кислорода в межтрубном и конденсацией азота в трубном пространстве; с кипением кислорода в трубках и конденсацией азота в межтрубном пространстве. Они могут быть как прямотрубными, так витыми.

В колоннах двукратной ректификации конденсаторы-испарители первого типа располагают между верхней и нижней колоннами и соединяют их непосредственно с обечайками колонн с помощью пайки или фланцевого соединения. Конденсаторы-испарители с кипением криогенной жидкости в трубках чаще выполняются в виде отдельных аппаратов и соединяются с колоннами с помощью трубопроводов.

У конденсаторов-испарителей с межтрубным кипением кислорода длина трубок обычно не превышает 1-1,2 м, так как при большей высоте оказывает заметное отрицательное влияние статический напор жидкости.

В аппаратах с кипением кислорода внутри трубок образуется парожидкостная смесь с меньшей плотностью по сравнению с жидкостью, и из-за этого заметно снижается влияние статического столба кипящей жидкости, что позволяет принять высоту трубок до 2,5-3 м и получить компактную конструкцию аппарата.

Азот - более летучий компонент, чем кислород. Поэтому положительный температурный напор при отводе теплоты от конденсирующегося азота к кипящему кислороду обеспечивается при превышении давления первого над давлением второго. Давление на стороне конденсации зависит от концентрации азота и кислорода, от давления на стороне кипения и от температурного напора между средами. Температурный напор для различных режимов и типов аппаратов принимается равным 1,45-4,2 К. Нижний предел принят из-за нецелесообразности перехода от пузырькового кипения к неэффективному конвективному теплообмену, верхний - по экономическим соображениям. Так, в установках технологического кислорода [2] при повышении температурного напора от 2 до 3 К и от 2 до 4 К расход энергии увеличивается соответственно на 4,2 и 8,9 %.

При проектировании конденсаторов-испарителей учитывают два обязательных условия взрывобезопасной работы:

- смачивание кипящей жидкостью всей теплообменной поверхности аппарата с внутритрубным кипением;

- обеспечение проточности кипящей жидкости в конденсаторе-испарителе. Для выполнения первого условия необходимо создать условия, обеспечивающие их работу в режиме кипения с достаточной циркуляцией, так как при недостаточном уровне жидкости в трубках происходит выключение верхней части поверхности из активного теплообмена. Это приводит к «сухому» режиму работы и к отложению твердых взрывоопасных примесей на несмачиваемых жидкостью стенках трубок. Опыт эксплуатации промышленных установок показал, что для исключения «сухого» режима работы необходимо при расчете конденсаторов-испарителей с внутритрубным кипением выдерживать определенное соотношение между относительным кажущимся уровнем жидкости Н и тепловой нагрузкой в аппарате q. При этом надо иметь в виду, что обеспечение «мокрого» режима работы аппарата приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи, который составляет 800 – 950 Вт/(м²К).

Реализация второго условия (взрывобезопасной работы аппарата) приводит к изменению схемы технологических потоков основного воздухоразделительного аппарата и в ряде случаев требует установки еще одного конденсатора-испарителя специально для создания проточности.

На рис. 5.8 схематически для случая внутритрубного кипения показаны потоки жидкости, входящие в аппарат и выходящие из него. Жидкий кислород состояния 1 из сборника колонны низкого давления перед поступлением в трубное пространство аппарата смешивается с циркуляционным потоком жидкости в состоянии 2 (концентрации ), сливающимся после отделения от пара из верхней части аппарата. Оба потока имеют одинаковое давление , которое равно давлению пара в верхней части аппарата плюс давление столба светлой жидкости. Последнее эквивалентно сумме статического давления столба парожидкостной смеси в трубах и динамического сопротивления, встречаемого смесью при ее движении в трубке. Процесс кипения начинается при достижении состояния насыщения 3 и заканчивается в состоянии 4.

Рис. 5.8. Потоки жидкости и пара в конденсаторе