浅谈氟化工直冷系统的设计与选型.pdf

2024年第1期Organo-Fluorine Industry54有机氟工业浅谈氟化工直冷系统的设计与选型马建伟周金兵周征一张超李智沈国华周斌（中化蓝天氟材料有限公司，浙江上虞3 12 3 0 0）摘要：探讨了氟化工直冷系统的设计与选型，介绍直冷系统的设计及选型要点，包括系统关键设备选型，如蒸发器、冷凝器、压缩机组撬块选型及制冷管道设计要点，为氟化工直冷系统设计提供一些参考。关键词：直冷系统；设备选型；制冷管道0前言制冷系统在氟化工领域中被广泛应用，常见的制冷方式可分为直接冷却和间接冷却,其中将蒸发器放置在生产装置内部的制冷方式称为直接冷却，而通过中间载冷剂传递热量给制冷剂的制冷方式称为间接冷却。在直接冷却方式中由于制冷剂进行蒸发制冷是直接与物料进行换热，这有利于压缩机制冷效率大幅提高、功耗显著降低，故直接蒸发制冷工艺即直冷系统在氟化工生产装置中被广泛应用。由于制冷剂蒸发吸热后温度在-2 5以下，换热温度条件范围较苟刻，因此，结合实际使用工况设置合理的直冷系统，对提高生产装置的稳定性有着重要的意义。1直冷系统工艺直冷系统即直接蒸发制冷工艺，通过利用制冷剂在压缩机的作用下进行汽化和冷凝，实现制冷作用。首先是低压低温的气态制冷剂经过压缩机压缩成高温高压的气态制冷剂，然后经冷凝器冷凝成高压常温的液态制冷剂，再经过节流阀节流成低温低压的液态制冷剂，最后经过蒸发器蒸发成低温低压的气态制冷剂重新回到压缩机，从而形成系统循环。整套直冷系统由蒸发器、压缩机、油分离器、冷凝器、贮液器、气液分离器、节流阀和其他附属设备等组成，相互间通过管道连接形成封闭系统。常见的直冷系统工艺如图1所示。BCFWOPSEA一压缩机;B一油分离器；C一冷凝器；S一贮液器；J一经济器；E一蒸发器;P一油泵;F一油冷；G1一节流阀1;G2一节流阀2;H一汽液分离器图1常见直冷系统的工艺流程2直冷系统主要设备选型2.1蒸发器选型蒸发器的形式根据制冷剂的种类和供冷方式而定，常见的蒸发器有卧式蒸发器和立式蒸发器。立式蒸发器一般采用热虹吸式换热，是一种垂直安装的蒸发器，上部为立式缓冲罐，下部设置立式蒸发器，如图2 所示；卧式蒸发器一般采用釜式蒸发，一般是水平安装的，换热管位于换热器底部，换热器上方设置较大气相空间，并配备缓冲罐，如图3所示。一缓冲罐蒸发器图2立式蒸发器工艺流程作者简介：马建伟（19 8 4一），男，本科，高级工程师，主要从事氟化工生产技术管理工作。马建伟等浅谈氟化工直冷系统的设计与选型552024年第1期一缓冲罐蒸发器图3卧式式蒸发器工艺流程卧式蒸发器的优点是结构紧凑，占地面积小，适用于处理大量液态物料；缺点是易堵塞、清洗困难。立式蒸发器的优点是适用于处理高黏度物料，易于清洗；缺点是占地面积较大，构造较为复杂。卧式蒸发器适用于在水平面上有足够的空间，而立式蒸发器适用于垂直空间较大的环境。具体应用于哪些领域，需要根据物料的特性、现场环境和处理要求等多方面因素进行综合考虑。蒸发器传热温差和传热面积计算可参考计算式1和式2，在设计计算时，t 值不宜过低，一般取0.9$t1.0,再将蒸发器各进出口温度代人式1后，便可求出气化器的平均温度差t，(T,-t2)-(T,-ti)Atm=pAt(1)T,-t2lnT,-tQS=K,Atm(2)式1中,T,、T,分别为制冷剂的进出口温度,;t1、t 2分别为物料的进出口温度，；At为温度差校正系数,无量纲。式2 中,S为蒸发器传热面积，m；Q 为蒸发器的热负荷，kJ/h或W;K，为蒸发器的总传热系数，W/（m.）；A t m为蒸发器的平均温度差。2.2冷凝器选型冷凝器应根据制冷装置所处的环境、冷却水质、水量和水温等因素确定冷凝器的类型。常见冷凝器选型有蒸发式冷凝器和管壳式冷凝器。由于蒸发式冷凝器具有换热效果好和节水节能的特点，一般多采用蒸发式冷凝器 2 。若该区域的循环水系统容量有富余，可以采用管壳式冷凝器 3-5。蒸发式冷凝器盘管宜选用不锈钢30 4 L、316 L和紫铜等材质，水盘和壳体可选用镀锌钢板 6 。冷凝器的热负荷和传热面积计算可参考计算式3和式4，在设计计算时，t 值不宜过低，一般取0.9 8，氟利昂 10 时，宜采用双级压缩；（3）压缩机对于变工况下的压缩机应按最大轴功率工况选配电机。2）气液分离器的设置主要作用为防止蒸发器中液滴随气流进入压缩机造成液击，从而导致设备损坏。气液分离器应根据供液循环量进行选型，常见的有立式和卧式 7 。立式分离器的分离空间大，有利于中间混合层连续分离，占地小，但其液面稳定性不如卧式分离器，立式分离器多用于分离液体量少，而且要求有较大的气液分离空间的场合。卧式容器中的液体运动方向与重力作用方向垂直，有利于沉降分离，液面稳定性好，但气液分离空间小，占地面积大，高位架设不方便。3)设置经济器的主要作用是将冷凝器出来的制冷剂进行再冷却，从而达到增加制冷量、提高制冷系数的目的。4)储液器的容积按制冷剂循环量进行计算，但最大储存量应不超过每小时制冷剂总循环量的1/31/2。同时,应考虑当环境温度变化时，储液器内的液体制冷剂因受热膨胀造成的危险，其储存量一般不超过整个容积的7 0%8 0%3制冷管道设计要点3.1回气管与回油弯压缩机吸入截止阀至蒸发器出口之间的接管，称为回气管（吸气管），回气管不仅要完成向压缩机输送低压气体的任务，而且还要借助管内气体流速将蒸发器内的润滑油均衡地返回压缩机，且不出现回液现象，现场布置时应从以下几方面考虑：1）保证压力降不超过允许的限度；2)防止未蒸发的液体制冷剂进压缩机；3）为了便于回油，回气管水平部分应有0.5%1.0%的坡度，坡向压缩机。在蒸发器出口上升回气立管的底部设置一个U形弯头，俗称“回油弯”，蒸发器内积存的油流人回油弯内,积在弯头底部，使回油弯与立管连接处附近流通截面减少，流速加快，以利于连续带油上升至水平回气管。在设计制作回油弯时，要尽量做小，以便于油的提升和避免产生较大的压降。回气管与压缩机的连接，在压缩机吸人口附近的回气管上不应设置回油弯，以免出现液囊，造成压缩机重新启动时发生湿行程。3.2管道的隔热为减少管道输送过程冷量的损失，制冷系统中需要对导致冷量损失、产生凝结水和形成冷桥等管道进行隔热保温。常见隔热材料有聚氨酯或泡沫玻璃，管道支撑部位的管托宜采用聚氨酯或红松木等导热系数低、保冷断热效果好的管托。采用经济厚度法计算隔热层厚度，以热平衡法校验其外表面温度，该温度应高于环境的露点温度0.3及以上，否则应加厚重新计算，直至满足要求 12 13。通过采用聚氨酯发泡形式在阀门等位置设置保冷隔热层，可以减少空气中的水蒸气流人隔热层。4直冷系统设计要点4.1润滑油的分离与回收1)润滑油对于压缩机来说不仅起着润滑、降低57马建伟等浅谈氟化工直冷系统的设计与选型2024年第1期摩擦力的作用，还起着密封、带走热量以及作能量调节结构动力的作用，尤其是对螺杆压缩机的正常运行更显得重要。2)应在蒸发器液面上下设置2 3个回油口，可设置玻璃视镜查看液面油层厚度，打开相应的回油阀，将油排入气相管路或专门的集油器中。3)应在气液分离器处设置集油器，把气液分离器内残留的润滑油和制冷剂混合物排人集油器，启动加热器把制冷剂蒸发回气液分离器，再把润滑油压人机头。4.2不凝性气体和水分的分离1）在直冷系统中由于润滑油分解、制冷剂不纯、空气吸人系统等原因，使系统内含有0 2、N2、碳氢化合物混合气体等不凝性气体，这些混合气体混人制冷剂在制冷装置中循环，由于不能被液化，使冷凝器内增加这部分不凝性气体的分压造成冷凝压力升高，冷凝器的传热效果下降。一般需设置空气分离器或放空阀来排除系统中的不凝性气体。2)在直冷系统中由于金属材料腐蚀等，会存在高压物料气体如HCI、A H F 等泄漏至含制冷剂的管道侧，导致制冷剂成酸性，一般采用设置临时氧化铝除酸器和分子筛干燥器处理制冷剂中的酸性物质和水分。3)在直冷系统中为防止系统冰堵需要控制系统水分，一般使用氟利昂作为制冷剂的直冷系统内水分应小于2 510-,同时在投运前的试压试漏过程中制冷剂系统杜绝采用水压试验，应采用真空试验检测制冷剂系统的密封性。4.3蒸发器的除霜和排液1)蒸发器需定时除霜以减少蒸发器的传热热阻，可通过人工扫霜、水冲霜、热蒸汽融霜和电热融霜等方法去除 14-152)蒸发器排液是指在除霜前停止向蒸发器供液，同时排掉其中的制冷剂液体以发挥除霜效果4.4系统安全保护设置在生产装置中直冷系统均是长期运行，为便于发现运行中的问题需要设置安全保护措施以防出现故障造成重大损失和事故风险，一般在设计直冷系统时应考虑设置安全保护措施：1）压缩机进口应设置压力高报警，出口应设置压力高报警及联锁停机保护；2）压缩机PLC（可编程控制器）柜内应设置油压和油温保护、排气温度保护；3）压缩机PLC柜内应设置主电机及油泵电机的电流过载保护；4）储液罐应设置高、低液位报警；5）系统内的压力容器应根据规范要求设置安全阀。5结语直冷系统是一个综合体，由多种设备组合和关键技术运用而成。直冷系统的合理设计对于保证生产装置正常运行、环境友好以及投资和维护成本至关重要。只有在各个环节上把控好直冷系统设计的要点，关注安装施工细节，才能让直冷系统长期稳定运行，保障生产装置的用冷需求。参考文献1邱嘉昌，刘龙昌蒸发式冷凝器的应用与管系设计研究 J.制冷技术，2 0 0 3(2：2 8-33.2李鹏飞，王志远，薛玉卿，等蒸发式换热器研究进展和应用状况 J制冷，2 0 0 8（3）：52-58.3李志明，杨红波蒸发式冷凝在制冷工艺上的应用J.制冷空调与电力机械，2 0 0 3（6）：30-32.【4 张旭，涂淑平，孙文哲蒸发式冷凝器的研究及应用进展 J.应用化工，2 0 19，4 8(5)：117 8-118 0.5张宇氨制冷系统冷凝器选择 J当代化工，2 0 2 0，49(11):2584-2587.6李鹏飞，王志远，薛玉卿，等蒸发式换热器研究进展和应用状况 J制冷，2 0 0 8（3）：52-58.7 余德新氟利昂制冷系统中的气液分离器A福建省科协2 0 16 年学术年会分会场一福建省制冷学会2 0 16一年学术年会论文集 C福建省制冷学会，2 0 16：7.【8 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会：设备及管道绝热技术通则：GB/T42722008S.北京：中国标准出版社，2 0 0 9.【9中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.设备及管道绝热技术导则：GB/T81752008S北京：中国标准出版社，2 0 0 9.【10 程世聪，刘清江。冷库除霜方法和除霜控制方法研究综述 J.制冷与空调，2 0 2 3，2 3(3)：1-6.11薛连政，鲁大山冷库除霜方式分析 J制冷与空调，2 0 2 1,2 1(10)：35-38.上接第37 页）2024年第1期Organo-Fluorine Industry58业有机氟Brief Discussion on Design and Selection of Direct Cooling Systemin Fluorine Chemical IndustryMA Jianwei,ZHOU Jinbing,ZHOU Zhengyi,ZHANG Chao,LI Zhi,SHEN Guohua,ZHOU Bin(Sinochem Lantian Fluorine Material Co.,Ltd.,Shangyu 312300,China)Abstract:The design and selection of direct cooling system of fluorine chemical industry were discussed.Thedesign and selection points of direct cooling system were introduced,including the selection of key equipment of thesystem,such as evaporator,condenser,compressor unit skid block selection and refrigeration pipeline designpoints,which provided some references for the design of direct cooling system of fluorine chemical industry.Keywords:direct cooling system;equipment selection;refrigeration piping10叶立峰，王树华，周强，等一种4,4 二氟乙酰乙酸乙酯的合成方法：10 2 2 0 6 155AP.2011-10-05.11陈旭.一种3-二氟甲基-1-甲基吡唑-4-甲酸的合成方法：10 6 554 310 AP.2017-04-05.12林韦康，朱海，陈东辉，等.4,4-二氟-3-氧代-2-哌啶-1基亚甲基丁酸乙酯的合成方法：112 2 7 98 2 1AP.2021-01-29.13冈本正宗，高田直门，井村英明二氟乙酸酯的制造方法：10 2 7 7 0 4 0 5AP.2021-11-07.14 】殷玲，高梦涵，何经余。一种二氟乙酸乙酯制备及一氟甲烷回收的装置：2 16 4 7 2 990 UP.2022-05-10.15刘聪，于凯，程贺二氟乙酰氯的制造方法：10 2 8 2 2 134 BP.2014-12-17.16马立博，许磊，杨会娥，等.一种2,2 一二氟乙醇的制备方法：1114 994 92 AP.2020-08-07.17王志光，张冉冉，雷志刚.二氟乙酰氟等当体试剂的制备方法及应用：10 3554 0 12 AP.2014-02-05.Advances in Preparation and Application of Difluoroacetyl FluorideHUANG Tingxiu,YU Xiaogang,LU Fenghua,ZHANG Ming,ZHANG Wenxiang,LIU Chuang?(1.Sinochem Lantian Group Co.,Ltd.,Hangzhou 310053,China;2.Lanqi Biotech(Zhejiang)New Materials Co.,Ltd.,Hangzhou 310020,China)Abstract:Difluoroacetyl fluoride is widely used in the preparation of various fungicides,pharmaceuticals andpesticides.It is of great significance to carry out the research on the preparation and application of difluoroacetylfluoride for the development of fluorine chemical enterprises.Various preparation methods and application researchprogress of difluoroacetyl fluoride are introduced,and various preparation methods are analyzed.It is consideredthat the catalytic fluorination process is simple,but the raw materials are not easy to obtain.The catalytic crackingmethod is a relatively mature process.In the future,Emphasis should be placed on the development of efficient,environmentally friendly and stable catalysts.Keywords:difluoroacetyl fluoride;catalytic fluorination;catalytic cracking;pharmaceutical intermediates;pesticide intermediates