隨著鋼鐵、石油化工、煤化工等大型工程的興建 ，從減少設備投資、降低能耗和方便管理著眼，相應 的要求與工程配套的空分設備也趨向大型化。根據我 國工業發展的實際需求，冶金、石化、煤氣化等工程 已提出了與工程配套所需的 30000m3/h 及其以上等級的空分設備的需求，本文擬通過試驗研究和對國內外 大
型空分設備的分析，介紹與上下塔整體聯接的冷凝 蒸發器、單獨布置的冷凝蒸發器、雙層或多層冷凝蒸 發器、高熱流管殼式冷凝蒸發器及膜式冷凝蒸發器五 種
典型結構，重點介紹杭氧開發的狹縫微膜熱虹吸雙 層冷凝蒸發器，并探討我國大型空分冷凝蒸發 器的發 展方向。
1 冷凝蒸發器的典型結構
國內外大型空分冷凝蒸發器可歸納為五種典型結構。
2 ． 1 與上、下塔聯接整體的冷凝蒸發器
將多個冷凝蒸發器單元在塔內按單層星形排列，或者在塔外加輔助冷凝蒸發器。如鎮海石化引進的 林德公司 28000m3/h 空分設備和寶鋼引進的美國空氣制品與化學品公司 30000m3/h 空分設備的冷凝蒸發器。這種布置型式是最常規的一種，安裝方便，管道布 置簡單，也較節省場地。
2 ． 2 單獨布置的冷凝蒸發器
將多個冷凝蒸發器單元并聯置于圓筒形容器內，用管道和上下塔連接起來，為一單獨布置的冷凝蒸 發器。鞍鋼氧氣廠 1978 年從日本酸素引進的 35000m3/h
空分設備，其精餾塔為上下塔并列，冷凝蒸發器單 獨布置于下塔上部，為并列兩臺 ( 直徑 X 長度 X 壁厚 ) Φ >3500mm × 7300mm × l4mm 臥式圓筒形容器，每個 容 器 內 并 聯 裝 有 五 臺 單 元 尺 寸 為900mm × 1066mm × 2700mm 的臥式板翅式換熱器組，板翅式換熱器由上下敞開的氧沸騰通道和封閉的氣
氮冷凝通道構成。上海寶鋼 1986 年投產的日本神鋼 30000m3/h 空分設備精餾塔，也是由上塔、下塔和冷凝蒸發器三個 單獨部件組成，并按上塔、冷凝蒸發器、下塔順序依 次布置在同一軸線上，與傳統的雙級精餾塔結構型式 相似，冷凝蒸發器為一臺 Φ 4000mm × 9400mm × 14mm 臥式圓筒形容器，筒內并聯布置兩列，每列有七臺尺 寸為 1803mm × 900mm × 1157 ． 6mm 的冷凝蒸發器單元，通道按常規布置，圖 1 為該冷凝蒸發器結構示意圖。
此主題相關圖片如下：
2 ． 3 多層或雙層冷凝蒸發器
將多個板翅式換熱器 ( 主冷單元 ) 按上、下兩層配 置的冷凝蒸發器布置在上、下塔之間，這種結構特別 適用于雙級精餾。不僅可以滿足在斷面內有盡可能大 的
換熱面積，并且在負荷變化范圍較大時液面較能保 持穩定，因而能保持在最佳工況下操作。
首鋼氧氣廠于 1986 年從德國林德公司引進帶五種稀有氣體全提取的 30000m3/h 空分設備，采用了立式雙層冷凝蒸發器， 如圖 2 所示。冷凝蒸發器 為
Φ 3850mm × 7900mm × 14mm 立式圓筒形容器，分兩層布置，板式單元上層三臺，下層四臺，主冷單元尺 寸1500mm × l050mm × 1190mm 。雙層主冷中為防止液氧中碳氫化合物在冷 · 凝器上層局部滯留和濃縮，兩層 間隔板稍有傾斜，并在隔板最低部位的弓形部分開設 有直徑為 Φ 12mm 的洗滌用小孔。依靠小孔洗滌作用使單位時間有 0 ． 1 ％ ~1 ％液體量直接流到下層，并在 下層將 液氧量的 1 ％引出塔外，使之在專門裝置中汽化 ，這種結構可避免碳氫化合物積聚而引起主冷爆炸的危險。
此主題相關圖片如下：
2 ． 4 高熱流管殼式冷凝蒸發器
美國聯合碳化物公司從 70 年代起，在大型空分設備上采用高效傳熱管殼式冷凝蒸發器。這種冷凝蒸發器在管子內表面沸騰側有一表面多孑 L 薄層，管子外表面冷凝側為縱向凹槽。由于兩側相變換熱都得到強化，提高了總的傳熱系數，減少了傳熱溫差，降低了設備能耗。同時因液體通過多孔表面循環速率高，能有效防止乙炔和碳氫化合物局部濃縮和積聚產生的爆炸危險，有利于設備安全運行，并成功應用于35000m3/h 和 58000m3/h 大型空分設備上。
杭氧研究所對高熱流管進行試驗研究，并成功應用于 150m3/h 空分設備，傳熱溫差由 2 ． 5K 減小至 1 ． 2K左右，傳熱系數由 600W ／ m2 · K 提高到 1500W ／ m2 · K ，充分顯示強化傳熱性能，并申請了國家實用新型 專利。
2 ． 5 膜式冷凝蒸發器
膜式冷凝蒸發器，主冷放在液氧面之上，通過液氧泵把液氧壓入主冷，與氣氮一樣自上而下流過主冷 的相鄰通道，并進行換熱，使液氧蒸發，氣氮冷凝。因為液氧在主冷通道內是成膜狀向下流并蒸發，故稱之為膜式冷凝蒸發器。由于冷凝蒸發器沒有液氧柱建立起的壓力差，故氧沸點不變，從而使主冷兩側的氧、
氮溫差始終一致。渭河化肥廠 1992 年引進的法液空 40000m3 ／ h 空分設備為此種結構型式。
3 狹縫微膜熱虹吸雙層冷凝蒸發器
近年來狹縫強化傳熱理論正在逐漸受到重視。狹縫微膜熱虹吸沸騰，它具有顯著的強化傳熱效果。液 體在沸騰時產生的汽泡與加熱壁面之間存在著一層極薄的液體層，稱之為微液膜層。 C ． M ． Voutsikos 和R ． L ． Judd 用激光干涉法測得汽泡下的微膜厚度為微米數量級。微膜蒸發機理認為，沸騰傳熱主要是通 過加熱壁面上這一微層液膜以蒸發、對流和輻射等形式將熱量傳給主冷流體，其中最主要的傳遞方式是微層液膜的導熱，傳熱的主要熱阻即來自于這層薄液膜的導熱熱阻。
采用狹縫通過可以有效地削弱微膜導熱熱阻，顯著強化傳熱效果。這是因為：第一，隨著通道內間隙 的減小，汽泡被狹縫通道兩壁面擠壓成為扁平汽泡，從而使微層液膜厚度進一步減小；第二，通道內流體受熱后，通道內外的流體產生密度差，在熱虹吸作用下形成通道從下至上的自然循環流動 ( 稱之為熱虹吸流
動 ) 。由于低溫工質流體粘性系數小，流動阻力小，因而熱虹吸現象十分明顯，加之狹縫通道尺寸小所以 通道內流速較高。可見采用狹縫通道可以減薄微層液膜厚度，顯著提高傳熱系數，達到強化傳熱的目的。
杭氧集團公司與西安交通大學合作，對狹縫微膜熱虹吸沸騰進行了試驗研究，結果表明與常規板翅式 冷凝蒸發器相比，傳熱系數提高近一倍，溫差減少 1 ／ 3 。研究成果已應用于 150m3 ／ h 空分設備，且運行良好。
杭氧集團公司將狹縫微膜熱虹吸沸騰研究成果和美國專利 (US 4606745) 所介紹的新型冷凝蒸發器相結合，開發了狹縫微膜雙層冷凝蒸發器。這種結構型式冷凝蒸發器，殼體為單層，內部板式單元呈星形布置 ，將液氧蒸發腔分隔成兩層，每隔一定間距開有補液槽，由溢流裝置調節液面，氧氮通道按 2 ： 1 排列，氧 側
采用高度低節距小的平直翅片。氮氣冷凝腔按常規設計。由于它結構特殊，既減小了液氧柱靜壓，縮小了主冷的傳熱溫差；也由于液氧蒸發液膜減薄，放熱系數得到顯著提高，而且可滿足在塔截面內傳熱面積的布置，具有結構新穎、傳熱溫差小、 能耗低的優點，已在 6000m3 ／ h 空分設備應用，必將推動我國空分 技術的發展。
4 結論與分析
大型空分設備冷凝蒸發器結構型式，通過上述分析可以得出以下幾點：
(1) 單獨布置冷凝蒸發器，降低了沸騰 通道內靜液柱對傳熱溫差的影響和減小冷凝 通道內冷凝液膜的熱阻，提高了換熱表面的 傳熱效率。計算表明，當沸騰通道和冷凝通 道都采用當量直徑 de=2 ． 75mm 的翅片，單 元高度由 1800mm 降到 900mm 時，生產率提 高 8 ％ ~10 ％。但此種結構形式由于冷凝器 與上 下塔分開，雖不受截面限制，但增加了 設備投資費和管路配置，經濟性較差。
(2) 林德公司采用的雙層冷凝器結構， 使有限斷面布置有盡可能大的換熱面積，使 冷凝蒸發器直徑與上下塔直徑大致相同，并 對變負荷操作有利于獲得較好的操作穩定性 和可靠性，方便運輸，是一種較實用的結 構。其缺點是結構復雜，制造安裝較困難。
(3) 沸騰側為多孔表面、冷凝側為縱槽 的高效管殼式冷凝蒸發器，因它兩側換熱系 數都得到了強化，大大改善了氧、氮之間的 熱傳導，總傳熱系數達到 9000 ～ 11000W ／ m2 · K ，比普通管子提高了 12~16 倍 ，是一種 較先進的冷凝蒸發器，但其造價貴。
(4) 膜式冷凝蒸發器，由于主冷內取消 了液氧柱，可以使主冷溫差降至約 0 ． 8 ℃ ， 與浴式主冷相比 · 減少了 0 ． 5~0 ． 7 ℃ ，下塔頂 部壓力減少約 0 ． 2~0 ． 3kPa ，空壓機出口空 氣壓力也相應降低，即空壓機能耗可降低約 2 ％ ~2 ． 8 ％，此種結構型式的冷凝蒸發器是 目前世界上較先進的結構。
(5) 狹縫微膜熱虹吸雙層冷凝蒸發器對 沸騰換熱具有顯著的強化作用，它的傳熱系 數達到 900W ／m2 · K ，比常規板翅式冷凝蒸 發器提高了 1 ． 5 倍左右，傳熱溫差下降 40 ％ ~50 ％，且結構簡單，制造方便 ，是我國自 行開發成功的新型冷凝蒸發器，它已在新一 代大型空分設備中得到應用，將對我國空分 技術 發展有著重大意義。
型空分設備的分析，介紹與上下塔整體聯接的冷凝 蒸發器、單獨布置的冷凝蒸發器、雙層或多層冷凝蒸 發器、高熱流管殼式冷凝蒸發器及膜式冷凝蒸發器五 種
典型結構，重點介紹杭氧開發的狹縫微膜熱虹吸雙 層冷凝蒸發器，并探討我國大型空分冷凝蒸發 器的發 展方向。
1 冷凝蒸發器的典型結構
國內外大型空分冷凝蒸發器可歸納為五種典型結構。
2 ． 1 與上、下塔聯接整體的冷凝蒸發器
將多個冷凝蒸發器單元在塔內按單層星形排列，或者在塔外加輔助冷凝蒸發器。如鎮海石化引進的 林德公司 28000m3/h 空分設備和寶鋼引進的美國空氣制品與化學品公司 30000m3/h 空分設備的冷凝蒸發器。這種布置型式是最常規的一種，安裝方便，管道布 置簡單，也較節省場地。
2 ． 2 單獨布置的冷凝蒸發器
將多個冷凝蒸發器單元并聯置于圓筒形容器內，用管道和上下塔連接起來，為一單獨布置的冷凝蒸 發器。鞍鋼氧氣廠 1978 年從日本酸素引進的 35000m3/h
空分設備，其精餾塔為上下塔并列，冷凝蒸發器單 獨布置于下塔上部，為并列兩臺 ( 直徑 X 長度 X 壁厚 ) Φ >3500mm × 7300mm × l4mm 臥式圓筒形容器，每個 容 器 內 并 聯 裝 有 五 臺 單 元 尺 寸 為900mm × 1066mm × 2700mm 的臥式板翅式換熱器組，板翅式換熱器由上下敞開的氧沸騰通道和封閉的氣
氮冷凝通道構成。上海寶鋼 1986 年投產的日本神鋼 30000m3/h 空分設備精餾塔，也是由上塔、下塔和冷凝蒸發器三個 單獨部件組成，并按上塔、冷凝蒸發器、下塔順序依 次布置在同一軸線上，與傳統的雙級精餾塔結構型式 相似，冷凝蒸發器為一臺 Φ 4000mm × 9400mm × 14mm 臥式圓筒形容器，筒內并聯布置兩列，每列有七臺尺 寸為 1803mm × 900mm × 1157 ． 6mm 的冷凝蒸發器單元，通道按常規布置，圖 1 為該冷凝蒸發器結構示意圖。
此主題相關圖片如下：
2 ． 3 多層或雙層冷凝蒸發器
將多個板翅式換熱器 ( 主冷單元 ) 按上、下兩層配 置的冷凝蒸發器布置在上、下塔之間，這種結構特別 適用于雙級精餾。不僅可以滿足在斷面內有盡可能大 的
換熱面積，并且在負荷變化范圍較大時液面較能保 持穩定，因而能保持在最佳工況下操作。
首鋼氧氣廠于 1986 年從德國林德公司引進帶五種稀有氣體全提取的 30000m3/h 空分設備，采用了立式雙層冷凝蒸發器， 如圖 2 所示。冷凝蒸發器 為
Φ 3850mm × 7900mm × 14mm 立式圓筒形容器，分兩層布置，板式單元上層三臺，下層四臺，主冷單元尺 寸1500mm × l050mm × 1190mm 。雙層主冷中為防止液氧中碳氫化合物在冷 · 凝器上層局部滯留和濃縮，兩層 間隔板稍有傾斜，并在隔板最低部位的弓形部分開設 有直徑為 Φ 12mm 的洗滌用小孔。依靠小孔洗滌作用使單位時間有 0 ． 1 ％ ~1 ％液體量直接流到下層，并在 下層將 液氧量的 1 ％引出塔外，使之在專門裝置中汽化 ，這種結構可避免碳氫化合物積聚而引起主冷爆炸的危險。
此主題相關圖片如下：
2 ． 4 高熱流管殼式冷凝蒸發器
美國聯合碳化物公司從 70 年代起，在大型空分設備上采用高效傳熱管殼式冷凝蒸發器。這種冷凝蒸發器在管子內表面沸騰側有一表面多孑 L 薄層，管子外表面冷凝側為縱向凹槽。由于兩側相變換熱都得到強化，提高了總的傳熱系數，減少了傳熱溫差，降低了設備能耗。同時因液體通過多孔表面循環速率高，能有效防止乙炔和碳氫化合物局部濃縮和積聚產生的爆炸危險，有利于設備安全運行，并成功應用于35000m3/h 和 58000m3/h 大型空分設備上。
杭氧研究所對高熱流管進行試驗研究，并成功應用于 150m3/h 空分設備，傳熱溫差由 2 ． 5K 減小至 1 ． 2K左右，傳熱系數由 600W ／ m2 · K 提高到 1500W ／ m2 · K ，充分顯示強化傳熱性能，并申請了國家實用新型 專利。
2 ． 5 膜式冷凝蒸發器
膜式冷凝蒸發器，主冷放在液氧面之上，通過液氧泵把液氧壓入主冷，與氣氮一樣自上而下流過主冷 的相鄰通道，并進行換熱，使液氧蒸發，氣氮冷凝。因為液氧在主冷通道內是成膜狀向下流并蒸發，故稱之為膜式冷凝蒸發器。由于冷凝蒸發器沒有液氧柱建立起的壓力差，故氧沸點不變，從而使主冷兩側的氧、
氮溫差始終一致。渭河化肥廠 1992 年引進的法液空 40000m3 ／ h 空分設備為此種結構型式。
3 狹縫微膜熱虹吸雙層冷凝蒸發器
近年來狹縫強化傳熱理論正在逐漸受到重視。狹縫微膜熱虹吸沸騰，它具有顯著的強化傳熱效果。液 體在沸騰時產生的汽泡與加熱壁面之間存在著一層極薄的液體層，稱之為微液膜層。 C ． M ． Voutsikos 和R ． L ． Judd 用激光干涉法測得汽泡下的微膜厚度為微米數量級。微膜蒸發機理認為，沸騰傳熱主要是通 過加熱壁面上這一微層液膜以蒸發、對流和輻射等形式將熱量傳給主冷流體，其中最主要的傳遞方式是微層液膜的導熱，傳熱的主要熱阻即來自于這層薄液膜的導熱熱阻。
采用狹縫通過可以有效地削弱微膜導熱熱阻，顯著強化傳熱效果。這是因為：第一，隨著通道內間隙 的減小，汽泡被狹縫通道兩壁面擠壓成為扁平汽泡，從而使微層液膜厚度進一步減小；第二，通道內流體受熱后，通道內外的流體產生密度差，在熱虹吸作用下形成通道從下至上的自然循環流動 ( 稱之為熱虹吸流
動 ) 。由于低溫工質流體粘性系數小，流動阻力小，因而熱虹吸現象十分明顯，加之狹縫通道尺寸小所以 通道內流速較高。可見采用狹縫通道可以減薄微層液膜厚度，顯著提高傳熱系數，達到強化傳熱的目的。
杭氧集團公司與西安交通大學合作，對狹縫微膜熱虹吸沸騰進行了試驗研究，結果表明與常規板翅式 冷凝蒸發器相比，傳熱系數提高近一倍，溫差減少 1 ／ 3 。研究成果已應用于 150m3 ／ h 空分設備，且運行良好。
杭氧集團公司將狹縫微膜熱虹吸沸騰研究成果和美國專利 (US 4606745) 所介紹的新型冷凝蒸發器相結合，開發了狹縫微膜雙層冷凝蒸發器。這種結構型式冷凝蒸發器，殼體為單層，內部板式單元呈星形布置 ，將液氧蒸發腔分隔成兩層，每隔一定間距開有補液槽，由溢流裝置調節液面，氧氮通道按 2 ： 1 排列，氧 側
采用高度低節距小的平直翅片。氮氣冷凝腔按常規設計。由于它結構特殊，既減小了液氧柱靜壓，縮小了主冷的傳熱溫差；也由于液氧蒸發液膜減薄，放熱系數得到顯著提高，而且可滿足在塔截面內傳熱面積的布置，具有結構新穎、傳熱溫差小、 能耗低的優點，已在 6000m3 ／ h 空分設備應用，必將推動我國空分 技術的發展。
4 結論與分析
大型空分設備冷凝蒸發器結構型式，通過上述分析可以得出以下幾點：
(1) 單獨布置冷凝蒸發器，降低了沸騰 通道內靜液柱對傳熱溫差的影響和減小冷凝 通道內冷凝液膜的熱阻，提高了換熱表面的 傳熱效率。計算表明，當沸騰通道和冷凝通 道都采用當量直徑 de=2 ． 75mm 的翅片，單 元高度由 1800mm 降到 900mm 時，生產率提 高 8 ％ ~10 ％。但此種結構形式由于冷凝器 與上 下塔分開，雖不受截面限制，但增加了 設備投資費和管路配置，經濟性較差。
(2) 林德公司采用的雙層冷凝器結構， 使有限斷面布置有盡可能大的換熱面積，使 冷凝蒸發器直徑與上下塔直徑大致相同，并 對變負荷操作有利于獲得較好的操作穩定性 和可靠性，方便運輸，是一種較實用的結 構。其缺點是結構復雜，制造安裝較困難。
(3) 沸騰側為多孔表面、冷凝側為縱槽 的高效管殼式冷凝蒸發器，因它兩側換熱系 數都得到了強化，大大改善了氧、氮之間的 熱傳導，總傳熱系數達到 9000 ～ 11000W ／ m2 · K ，比普通管子提高了 12~16 倍 ，是一種 較先進的冷凝蒸發器，但其造價貴。
(4) 膜式冷凝蒸發器，由于主冷內取消 了液氧柱，可以使主冷溫差降至約 0 ． 8 ℃ ， 與浴式主冷相比 · 減少了 0 ． 5~0 ． 7 ℃ ，下塔頂 部壓力減少約 0 ． 2~0 ． 3kPa ，空壓機出口空 氣壓力也相應降低，即空壓機能耗可降低約 2 ％ ~2 ． 8 ％，此種結構型式的冷凝蒸發器是 目前世界上較先進的結構。
(5) 狹縫微膜熱虹吸雙層冷凝蒸發器對 沸騰換熱具有顯著的強化作用，它的傳熱系 數達到 900W ／m2 · K ，比常規板翅式冷凝蒸 發器提高了 1 ． 5 倍左右，傳熱溫差下降 40 ％ ~50 ％，且結構簡單，制造方便 ，是我國自 行開發成功的新型冷凝蒸發器，它已在新一 代大型空分設備中得到應用，將對我國空分 技術 發展有著重大意義。
