液化石油氣氣化過程分析和氣化能力的探討

 -----------寇　虎，廉樂明，嚴銘卿，陳耀楨，章崎平

1 引言
    液化石油氣管道供應由于它具有集中管理、調控方便、運行安全可靠、運行壓力高、向天然氣過渡方便、供氣方式靈活等特點，在中小城鎮小區燃氣供應中受到歡迎。液化石油氣管道供應的核心設備是液化石油氣氣化器。
對液化石油氣氣化器，普遍采用的氣化方式是強制氣化。強制氣化方式又可分為等壓強制氣化分為減壓常溫氣化和減壓加熱氣化兩種方式。目前，使用最多的是等壓強制氣化和加壓強制氣化
氣化器的氣化模型和熱負荷計算在專業書籍和設計手冊中介紹不多，但對氣化過程、氣化器的研究取得了一些成果。下面就有關問題進行探討。
2 液化石油氣氣化過程分析
    液化石油氣為多種成分的混合物，主要成分是丙烷和可烷（包括正烷和異丁烷）。實際使用的液化石油氣中還有一些烷類（包括乙烷、正戊烷和異戊烷）、丁烷、丙烷、反丁烷-2和順丁烷-2等。
在液化石油氣氣化器的實際運行和有關氣化器的實驗中，觀察到液化石油氣在沸騰時即氣化過程中液態液化石油的溫度是變化的。
    文獻對氣化器導出的氣體組成與液體相同所敘述的過程機理如下："混合物（液化石油氣）進入氣化器后，沸點低、蒸汽壓高的組分先氣化，導致液相組分的變化。但是由于液體在氣化過程中斷斷續續和傳熱面接觸而氣化，以及液體被氣泡破裂時分裂成飛沫而氣化等作用，致使各種組分的液體都得到了氣化，使最后導出的氣體組分與液體組分相同"文獻所述過程的前提是"液體被激烈地攪動"，"氣化器中液量是不多的"氣化狀態"是一種薄膜蒸發的狀態"。上述情況對電熱水浴式氣化器是適用的。電熱水浴式氣化器中液化石油氣在盤管內流動，流道較狹窄，能夠形成文獻中所說的薄膜的蒸發的狀態。對于以蒸汽或熱水作為熱媒的較大型的氣化器，熱媒走管程，液化石油氣走殼程，液化石油氣的流通面積增大了許多。不存在氣化器中液量不多，薄膜蒸發狀態的前提，因而導致氣化器導出的氣體組成與液體不相同。
    在熱水循環式液化石油氣氣化器的實驗研究中，氣化器中液態液化石油氣的量較多（液位高度為實驗樣機的1/4-2/3）。實驗中觀察到氣化器中液化石油氣液體具有穩定的液位，液化石油在沸騰時液態液化石油氣的溫度是變化的。同時在實驗中取樣所做的液化石油氣色譜分析中液相和氣相試樣中各組分的比例也不同（見表1）。

    各組分氣化難易程度可用相同氣化壓力下各組分的沸點高低不衡量，不同壓力下的沸點見表2。

    由表1和表2可看出，沸點低的組分容易氣化，在氣相中比例大于液相中的比例；沸點高的組分不易氣化，在氣相中的比例低于液相中的比例。
實驗中氣化器中液化石油氣液體的溫度為40-60℃，氣化壓力在0.83Mpa（絕壓）左右。各組分的沸點隨氣化壓力的降低而降低。在較低的氣化強度條件下，在液化石油氣走殼程的氣化器中同自然氣化一樣存在重組分不斷積累的過程。
3 氣化壓力和組分和影響
    實際氣化器運行中，由于液態烯烴聚合反應的溫度限約為60℃以下。對每一組分分壓控制在0.4Mpa（絕壓）以下，可使在60℃時除戊烷以外的大部分組分能達到沸騰，從而減少殘液量。沸騰換熱的強度和氣化速度遠大蒸發，降低氣化壓力會加強換熱。
采用加壓氣化方式時，加壓泵的壓力不宜過大或在氣化器液化石油氣進液管上設置液相調壓器以調節進入氣化器的壓力。當罐中液化石油氣飽和蒸發壓較高時可以考慮采用減壓加熱氣化的方式。
    目前實際設備中很少在氣化器液體石油氣進液管上設置液相調壓器。原因一是認為沒有必要進行降壓；二是國外進口液相高壓器的價格較貴，而部分國產產品質量不很穩定。
    二元組分混合物的沸騰，與純液體相比，即使第二種組分很少，也會影響沸騰換熱系數。其原因可以溯到第二種組分對氣泡成長速度的影響。三元和三種以上組分的混合物的情況與二元組分混合物類似。
對于氣化器所涉及的部分組分仍處于加熱蒸發狀態的氣化過程，各組分所占比例，尤其液體溫度高的比例是影響氣化過程的重要因素。
4 總換熱系數的確定
    實際設備和設計是重要的是確定設備的氣化能力。氣化能力的計算必然及傳熱過程的總傳熱系數。傳熱過程包括熱煤（熱水或蒸汽）與換熱管內壁面的對流換熱、金屬管壁的導熱和液化石油氣與換熱外壁面的對流換熱（有相變）三部分。前兩項均可較為準確地計算，第三項由于液態液化石油氣是多元組分混合物，而混合物的沸騰換熱很復雜，因而熱系數的計算公式，但其中均含有與特定二元物質組合有關的實驗系數。對于氣化器研究所涉及的含有多組分，且部分組分尚未達到沸騰的混合物，不太可能得到適合的換熱系數計算公式。因此實際設備的設計中合理而且實用的方法是采用具體實驗取得的總傳熱系數的近似值來進行熱工計算。
國內已有研究者對電熱水浴式氣化器進行過實驗，分別得到了氣化段和過熱段的總換熱系數的值。對于以蒸汽或熱水為熱媒的較大型的氣化器，由于實際設備的氣量較大，合理的方法是以實際設備為藍本設計小型樣機。通過對樣機的熱工測試，得到單根換熱管的總換系數，然后再考慮多個換熱管之間的相互影響。
5 結論
    （1）實際運行的氣化壓力為0.6-0.8Mpa時，對部分組分液體溫度高于沸點，而部分組分液體溫度低于沸點。合理的氣化模型應是一種沸騰與加熱蒸發的混合過程。
    （2）降低氣化器運行的氣化壓力可以減少殘液量，加強換熱。氣化壓力應控制在0.7Mpa（絕壓）以下，設備中應考慮設置液化石油氣液相減壓閥。
    （3）對于氣化器所涉及的部分組分仍處于加熱蒸發的氣化過程，各組分所占比例，尤其液體溫度高于沸點的各組分與液體溫度低于沸點的各組分之間的比例是影響過程的重要因素