高精度微小型空分设备设计和装配工艺研究

何仙来，杨延江，吴婷婷

（杭州杭氧低温液化设备有限公司，杭州 311000）

1 引言

氪氙氖氦等稀有气体在空气中含量较少，被称为黄金气体，随着工业生产和科学技术发展，它们的用途也越来越广，在灯光行业、精细化工、核化学、放射化学等领域都有很大用途。在国防工业和石油化学工业的发展中，开发稀有气体等微型或小型高精尖空分设备已成为空分市场未来发展的趋势[1]。

2 研究目的

撬装快结构氪、氙、氖、氦提取设备具备结构紧凑、灵活、安装方便等特点。移动式的撬装设备要求精馏塔内部空间有限，运输高度受到限制，所以筛板式结构分流塔在移动式撬装设备中得到首选。但是微型或小型筛板塔组装空间狭小，结构复杂，装配难度大大提高，采用中大型空分分流塔安装方法显然达不到功能设计的要求。[2]急需探索一种高效、简洁、实用的装配方法为设备微型化设计做工艺保障。

3 分馏塔分类和特点

3.1 分馏塔结构特点对比

分馏塔按结构可分为：填料式和筛板式两类。对比优缺点如下。

优点：填料式分馏塔：①节能、效率高、技术成熟；②在减压和常压蒸馏条件下，单位塔截面积通气能力较好；③压力降小。筛板式分馏塔：①气或液每经过一层塔板都可得到近乎完全混合，液体沟留不均或气体分布不均都只会影响这一层的分馏效果，对整体影响较小；②持液量较大，易于操作；③内部结构简单，灵活性高；④计算比较准确可靠且方便安装冷却管。

缺点：填料式分馏塔：①在高液气比的条件下传输率较低；②塔内采用液体分布器，占比空间大，灵活性差，填料层容易堵塞；③操作范围小，对液体负荷的变化敏感。当液体负荷较小时，其表面不能很好地润湿，传递效果下降；当液体负荷过大时，容易产生液泛。筛板式分馏塔：①在减压、常压、低压操作下，分离效率略低；②压降相对高，耗能大。

3.2 塔板制作方案分析

图1 锡焊连接的塔板复合件

移动式分馏塔采用的是筛板塔，内部塔板分别由接液板、孔板、挡板和溢流斗四部分连接组成，如图1，由于筛板塔塔板厚度较薄，所以在选材和复合工艺上做了不同对比分析。

3.2.1 装复方法分析

对于分馏塔塔板各部件的组装连接主要有焊接和铆接两种，各自特点主要有以下方面，见表1。

表1 塔板连接方法及特点

塔板的质量在分馏塔分馏工况具有重要作用，塔板平整度和塔板的孔径，孔距精度直接影响精馏效果，所以大型空分设备塔板多采用铆接结构，这样就减少焊接变形，保证塔板的平整度公差在±0.5mm内，如图2。而撬装式稀有气体分馏塔体积较小，内部塔板间的连接空间有限，且分馏塔内塔板各部件要求密封度高，不得漏液，堵塞孔径。由表1可知，焊接连接强度高，密封性好，重量小，结构简单，而铆接连接需要母材搭接，还需要大量的铆钉固定，对于小型分馏塔塔板连接消耗的无效面积大，在有限空间，使得塔内精馏功能和效果降低。

3.2.2 焊接方法分析

目前焊接方法主要有熔化焊和钎焊两种。

①熔化焊：将填充材料和工件的连接区基本材料共同加热至熔化状态，在连接处形成熔池，熔池中的液态金属冷却凝固后形成牢固的焊接接头，使分离工件连接成一个整体。优点：焊缝密封性好，强度能达到与母材一致。缺点：焊接过程中加热，母材局部受热致使变形，不易控制。②钎焊：采用比母材熔点低的金属材料作为钎料，将钎料和钎剂加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。根据塔板的特殊结构和使用功能，锡钎焊具备以下优势：①稳定性好，钎焊对母材的物理化学性能影响小，焊接应力和变形较小，焊件变形可降到最低程度，易保障焊件的尺寸精度，可连接性能差别较大的异种金属。②应用范围广，对工件厚度无严格要求。③操作简单，锡钎焊设备简单，采用烙铁加热钎料，使接头光滑平整。适合在小空间，连接各种复杂工件。

表2 钎焊工艺评定

小型塔板要求密封性好，且塔板平整度高，考虑塔板厚度较薄，极易焊接变形，塔体直径小，空间有限，选用烙铁锡钎焊更为合理。

黄铜H62的最低抗拉强度为δH62=315MPa，表2中锡焊缝比较脆，略低于母材强度，和铝合金5052（δ5052=195MPa）强度相当，具有足够的连接强度，适用于塔内件固定和连接。3.2.3材质选择

分馏塔设计温度为-196℃，为压力容器。内部清洁度很高。因此要求材料选择和受压焊缝具有一定的强度保证。将上述分析，锡钎焊工艺评定抗拉强度无法达到母材最低强度要求，从压力容器安全角度出发，建议受压件筒节选用不锈钢，采用氩弧焊对接，而内件选用H62黄铜，采用锡钎焊装配。如图3。

图2 塔板装配实物图

图3 塔板装配示意图

4 结论

①锡焊温度低，密封性好，具有一定的连接强度，焊后母材不易变形，相比铆接结构，锡焊装配更简单，且重量小，刚性、稳定性更好。适用于结构精巧、复杂的小型塔板等内件的装复连接。

②微小型压力容器选用不锈钢作为外壳受压件首选材料，而黄铜更适合加工容器内件。黄铜硬度低，冷变形加工性能佳，能满足锡钎焊工艺特性，对于小型分馏塔塔板高精度，高平整度的质量要求，成为设计首选材料。

③黄铜锡钎焊接头抗拉强度率低于母材，在容器受压焊缝中应用存在一定风险，因此黄铜材质和锡钎焊工艺在小型空分设备内件制作具有极大的优势，实践证明该工艺方案可行性、安全性满足生产和技术要求。