蒸发式冷凝器在合成氨装置冷冻系统的应用研究

一、引言

合成氨工业在国民经济中占据重要地位，其生产过程需消耗大量能源与水资源。冷冻系统作为合成氨装置关键环节，对维持工艺温度、保障产品质量及生产稳定性至关重要。传统冷却方式在合成氨装置中暴露出能耗高、水耗大等问题，难以满足当下节能减排与可持续发展需求。蒸发式冷凝器作为高效冷却设备，融合了水冷与空冷优势，通过水蒸发潜热带走热量，具有显著节能节水效果。将其应用于合成氨装置冷冻系统，有望改善系统性能、降低运行成本，为合成氨工业绿色发展提供新契机，对该技术的深入研究具有重要现实意义。

二、现状及面临挑战概述

在合成氨生产中，冷冻系统的稳定运行关乎整个装置的效能。过去，许多合成氨企业采用传统冷却方式，如以冷却塔为核心的冷却系统，该系统包含凉水塔、循环水泵、换热器等众多设备。运行时，依靠大量循环水在系统内循环流动，以带走生产过程中产生的热量，实现冷却目标。然而，随着合成氨装置生产规模的不断扩大与工艺的持续改进，这种传统冷却方式逐渐显露出诸多弊端。从能耗角度看，循环水泵需持续大功率运行，以确保循环水的流量与压力，满足冷却需求；凉水塔风机电机也需消耗大量电能，用于促进空气与循环水的热交换。据统计，部分企业此类传统冷却系统的电耗在整个合成氨生产电耗中占比较高，成为能耗大户。在水耗方面，由于循环水在系统中不断循环，水分会通过蒸发、风吹等途径大量散失，企业不得不持续补充大量新鲜水，水资源浪费严重。并且，循环水在长期使用过程中，水质易恶化，水中杂质、微生物等易在换热器等设备表面附着、结垢，降低设备换热效率，进一步增加能耗，还可能导致设备腐蚀，缩短设备使用寿命，增加维护成本与停产风险。

三、主要技术应用原则

3.1 高效换热原则

蒸发式冷凝器实现高效换热是关键。其冷凝盘管设计极为重要，如采用特殊材质与结构。部分蒸发式冷凝器选用不锈钢波节管作为冷凝盘管，相比普通圆管，波节管单位长度的换热面积更大，使设备结构更为紧凑，在有限空间内可实现更大换热面积。而且，当管内介质流动时，波节管独特结构增加了介质扰动，介质与管壁碰撞次数增多，大幅提高了换热系数。在实际运行中，高温气氨在冷凝盘管内流动，管外喷淋水形成水膜，空气在风机作用下快速流过，管内气氨与管外水、空气充分进行热交换，气氨迅速被冷凝为液氨。通过优化喷淋水系统，保证喷淋水均匀覆盖冷凝盘管表面，使水膜厚度均匀。

3.2 节能节水原则

节能节水是蒸发式冷凝器应用的重要目标。在节能方面，其利用水的蒸发潜热带走热量，与传统依靠水显热冷却方式不同。相同质量的水蒸发吸收的热量是水温升高 5℃时吸收热量的 116 倍左右。这意味着在带走相同热量情况下，蒸发式冷凝器所需水量大幅减少，循环水泵能耗随之降低。并且，由于冷凝温度更接近空气湿球温度，相比传统冷却方式，能降低冰机功耗。在节水方面，蒸发式冷凝器设有收水器，采用独特多孔曲面结构设计，可有效收集湿空气中的水分，使水的飘逸率小于 0.001% ，极大减少了水分散失。同时，系统通过自动补水装置，根据集水槽水位变化精准补水，避免水资源浪费，实现高效节水，契合合成氨装置节能减排需求。

3.3 稳定可靠原则

合成氨装置生产连续性强，冷冻系统稳定可靠运行至关重要。蒸发式冷凝器在结构设计上注重稳定性，如箱体外护板采用镀铝锌版，具有较高防腐蚀能力；上下箱采用槽钢、型钢等高强度全框架结构，并进行整体高温热浸锌处理，浸锌厚度大于 0.05mm ，耐酸碱腐蚀且结构坚固，可适应复杂工业环境。冷凝盘管经过严格压力测试，如部分产品进行四次 2.5MPa 压力试验，确保在长期高压、高腐蚀性环境下安全运行。在运行过程中，配备完善的监测与控制系统，实时监测水箱水位、循环水水质、设备运行温度与压力等参数。

四、主要技术应用分析

4.1 工作原理分析

蒸发式冷凝器工作基于热交换原理。在合成氨装置冷冻系统中，冰机排出处于过热高压状态的氨蒸气，从冷凝盘管上部进入。与此同时，循环水泵将冷却水送至冷凝盘管上部的喷淋水系统，通过喷嘴均匀喷洒在冷凝盘管外表面，形成一层薄水膜。此时，冷凝盘管内高温氨蒸气与盘管外喷淋水和空气发生热交换。氨蒸气热量传递给喷淋水和空气，自身逐渐被冷凝为液氨，从冷凝盘管下部流出。在这个过程中，喷淋水吸收热量后，部分由液态转变为水蒸气，其蒸发潜热带走大量热量。空气在引风机超强风力作用下，快速流过冷凝盘管与喷淋水，不仅促进水的蒸发，还使水更充分地覆盖盘管表面，强化换热效果。热空气中携带的水分经过挡水板时，大部分被截留收集到 PVC 热交换层中，减少水损耗。

4.2 结构组成分析

蒸发式冷凝器主要由冷凝盘管、PVC 热交换层、水循环系统、引风机及箱体等部分构成。

冷凝盘管是核心部件，通常由高质量钢管制成，部分产品盘管嵌在高强度镀锌板上，便于拆卸维护。盘管装配完毕后进行整体热浸锌处理，增强耐腐蚀性。盘管沿制冷剂流向倾斜一定角度，利于液体排出，降低压力降。例如，一些大型蒸发式冷凝器的冷凝盘管采用特殊设计，管径、管间距经过优化计算，在保证换热效果的同时，减少制冷剂流动阻力，提高系统运行效率。PVC 热交换层同样关键，其特殊结构能有效防止生化腐蚀和侵蚀。该层带有挡水板，能最大限度保证水和空气充分接触，同时降低空气压降，使用小功率电机即可实现高效传热。

4.3 技术特点分析

在工艺流程方面，传统合成氨冰机系统的冷凝系统包含管式冷凝器、冷却水塔、循环水泵、循环水池以及较长的冷却水管道系统，整个系统复杂繁琐。而蒸发式冷凝器工艺流程得到极大简化，不再需要冷却水塔和循环水池等设备，减少了设备占地面积与系统复杂性，安装与维护更加便捷。从节能节水角度看，传统冷凝系统依靠水的显热带走热量，水耗和能耗较高。而蒸发式冷凝器利用水的蒸发潜热，循环水用量大幅减少，仅为传统冷却塔方式的 20% 左右。同时，由于冷凝温度降低，冰机功耗降低，节能效果显著。例如，某合成氨企业在采用蒸发式冷凝器后，冰机能耗降低了 15%-20% ，循环水用量减少了约 80% ，每年可节约大量电费和水费，降低了生产成本。

结束语

蒸发式冷凝器在合成氨装置冷冻系统的应用展现出诸多优势。从工作原理上，利用水蒸发潜热和空气流动高效实现氨蒸气冷凝；结构组成合理，各部件协同工作保障设备稳定运行；技术特点突出，相比传统冷凝系统在工艺流程、节能节水、换热效率及减少结垢等方面表现优异；实际运行效果良好，能有效降低氨压缩机出口压力和冷凝温度，大幅提升合成氨系统运行稳定性与生产效率，实现显著节能节水效益与环保效益。

参考文献

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