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        液氮洗冷箱的設(shè)計(jì)

        2021-03-09 08:26:56徐志明李少澤高峰峰
        低溫與特氣 2021年1期
        關(guān)鍵詞:冷箱吊耳安全閥

        吳 杰,徐志明,李少澤,高峰峰

        (杭州制氧機(jī)集團(tuán)股份有限公司 石化工程公司,浙江 杭州 310004)

        0 引 言

        氨是重要的無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品之一,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位,除液氨可直接作為肥料外,農(nóng)業(yè)上使用的氮肥,例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復(fù)合肥,都是以氨為原料的。

        液氮洗冷箱[1-2]是合成氨的主要設(shè)備,冷箱內(nèi)設(shè)備在低溫和中高壓環(huán)境下運(yùn)行,介質(zhì)為易燃、易爆和易揮發(fā)的高氫物料;液氮洗冷箱裝置通過(guò)空分過(guò)來(lái)的中高壓氮?dú)饨?jīng)過(guò)板式換熱器逐步降溫至液氮,其中的冷量主要來(lái)自中高壓氮?dú)獾墓?jié)流(氮?dú)鈮毫Φ托杩恳旱a(bǔ)充冷量),由于原料氣中的H2與CO、Ar、CH4的沸點(diǎn)相差較大,在氮洗塔中原料氣和液氮呈逆流接觸,將原料氣中CO、CH4、Ar從氣相中溶解到液氮中,從而達(dá)到脫除CO、CH4、Ar等雜質(zhì)的目的;同時(shí)也配入部分氮?dú)?,使出冷箱的合成氣中H2: N2達(dá)到3:1;氮洗塔底部液體經(jīng)調(diào)節(jié)閥節(jié)流后進(jìn)入氫氣分離罐,氣相作為循環(huán)氣,液相作為燃料氣經(jīng)板式換熱器復(fù)熱后出冷箱。

        目前,由于國(guó)內(nèi)已建成的液氮洗冷箱的工作壓力和出冷箱合成氣總量不同,使得液氮洗冷箱的尺寸也有所不同,但冷箱的流程和結(jié)構(gòu)基本相同。本文從提高液氮洗冷箱的安全性、經(jīng)濟(jì)性、高效性和便捷性出發(fā),對(duì)液氮洗冷箱的整體設(shè)計(jì)做了規(guī)定。

        1 冷箱設(shè)計(jì)要求

        1.1 PID的設(shè)計(jì)

        管道規(guī)格的選擇:中壓氮?dú)夂驮蠚膺M(jìn)冷箱流速在10 m/s左右,當(dāng)壓力較大(≥5.0 MPa)時(shí),流速控制在8 m/s左右,其它工藝氣體管線流速控制在15 m/s左右,分離罐底部液體管線流速小于1 m/s,其它工藝液體管線流速1~2 m/s,管線的設(shè)計(jì)壓力與設(shè)備通道的壓力保持一致;在選擇安全閥時(shí),安全閥的開(kāi)啟壓力不高于該設(shè)備通道的設(shè)計(jì)壓力,中壓氮?dú)夂驮蠚夤苈返陌踩y開(kāi)啟壓力為最大工作壓力的1.05~1.15倍;1號(hào)原料氣冷卻器原料氣通道設(shè)置就地壓差計(jì)根部?jī)x表閥,增加二氧化碳凍堵判斷手段,2號(hào)原料氣冷卻器燃料氣通道設(shè)置就地壓差計(jì)根部?jī)x表閥,增加甲烷凍堵判斷手段[3-4];冷箱底部設(shè)置一個(gè)雙支鉑電阻溫度計(jì)用于漏液檢測(cè)[5];冷箱內(nèi)4臺(tái)節(jié)流閥宜采用FC形式角閥,并設(shè)置電磁閥。圖1為某裝置冷箱工藝流程圖。

        圖1 工藝流程圖

        1.2 冷箱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

        冷箱重量包含冷箱結(jié)構(gòu)、平臺(tái)梯子、管道、容器支撐及閥門(mén)的重量、設(shè)備總重、珠光砂重量、操作時(shí)持液重量及附加外部重量,冷箱基礎(chǔ)考慮風(fēng)載、雪載和地震工況的影響,并符合GB 50017規(guī)定,按通用較惡劣設(shè)計(jì)工況計(jì)算柱腳反力,將計(jì)算值提供給設(shè)計(jì)院進(jìn)行基礎(chǔ)條件設(shè)計(jì);冷箱每塊基礎(chǔ)底板和氮洗塔基礎(chǔ)靜荷載能力大于冷箱結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析出的相對(duì)應(yīng)的柱腳力;冷箱的支腳所需的地腳螺栓,應(yīng)經(jīng)應(yīng)力分析校核確認(rèn),地腳螺栓按冷箱載荷計(jì)算后提供給用戶,并在提供給用戶的圖紙上注明地腳螺栓的方位以及載荷,以便用戶設(shè)計(jì)及澆注地腳螺栓孔;冷箱設(shè)計(jì)零標(biāo)高和基礎(chǔ)的深度需根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件、地下水位的高度及氣候條件等由土建設(shè)計(jì)決定,并統(tǒng)一考慮給排水系統(tǒng);冷箱基礎(chǔ)周邊不得設(shè)置阻礙冷箱底部空氣流通的構(gòu)筑物,基礎(chǔ)灌漿時(shí)應(yīng)連續(xù)進(jìn)行,灌漿后應(yīng)防止干燥過(guò)快,灌漿時(shí)不允許有可燃物質(zhì)混入;基礎(chǔ)灑水期隨周圍溫度而定,但不得少于7d;基礎(chǔ)本體采用抗壓和抗?jié)B混凝土,抗壓指標(biāo)不低于C30,抗?jié)B標(biāo)號(hào)不小于P12;地腳螺栓預(yù)埋,底板與地腳螺栓在未灌漿前通過(guò)墊片調(diào)整,整個(gè)基礎(chǔ)底板的水平度不超過(guò)1/1000,且必須<1.5 mm,各基礎(chǔ)底板之間的水平不超過(guò)1/1000;冷箱用基礎(chǔ)底板及筋板在用戶現(xiàn)場(chǎng)焊接固定,焊后去渣補(bǔ)防銹漆和面漆。

        圖2 不同冷箱大小的基礎(chǔ)圖

        1.3 冷箱總圖設(shè)計(jì)

        高壓氮?dú)饫鋮s器、1號(hào)原料氣冷卻器、2號(hào)原料氣冷卻器依次自上而下布置在冷箱左側(cè),氮洗塔布置在冷箱右側(cè);3臺(tái)換熱器高度間距約為2000 mm,冷箱內(nèi)容器與容器之間的距離約為400 mm,容器內(nèi)介質(zhì)溫度相同可適當(dāng)減小距離;容器離冷箱壁距離500~800 mm,具體要根據(jù)冷箱骨架的型鋼型號(hào)來(lái)定,保證有效保溫厚度約為400 mm,要考慮在此間距內(nèi)是否走管道,如有還要加大間距;冷箱內(nèi)容器離地面約為800 mm,離冷箱頂約為1000 mm;氣液分離器液相出口標(biāo)高要大于2號(hào)原料氣冷卻器液相進(jìn)口,管線的吹除口和放空口管徑DN20左右,冷箱內(nèi)部梯子放在冷箱后面,冷箱內(nèi)調(diào)閥、吹除口、安全閥出口等管口集中放置,均設(shè)在冷箱正面,冷箱左右面可設(shè)置人孔、泄砂孔,冷箱背面為運(yùn)輸面,不設(shè)置部件;4個(gè)調(diào)閥中,TV39,LV01設(shè)置在約超過(guò)2000,F(xiàn)V09,F(xiàn)V10設(shè)在約超過(guò)9000,兩調(diào)閥之間相距約為700 mm,調(diào)閥的位置比平臺(tái)高約為1400 mm;各導(dǎo)淋吹除口、氮封氣口設(shè)置在約超過(guò)1500,按上下兩層菱形布置,儀表測(cè)點(diǎn)引出根部閥設(shè)置在約超過(guò)1500,按上下層菱形布置,間距200 mm;底部珠光砂排放口不少于兩個(gè),人孔每層平臺(tái)均設(shè)一個(gè),位置比平臺(tái)高200 mm;設(shè)備銘牌、工廠標(biāo)志、產(chǎn)品銘牌及各銘牌的安裝應(yīng)根據(jù)具體情況,以就近、醒目、高度合適、視線正視、美觀為原則選擇位置;冷箱要考慮在安裝現(xiàn)場(chǎng)由臥位變?yōu)樨Q立位置時(shí)的起吊設(shè)施及方法,冷箱內(nèi)的絕熱材料(珠光砂)在安裝現(xiàn)場(chǎng)冷箱就位并拆除內(nèi)部運(yùn)輸支撐后再填裝;冷箱頂部保留一只內(nèi)裝有干燥劑(硅膠)的呼氣筒,需每年檢查一次,根據(jù)其吸水性能下降情況,定期換新,圖3為某裝置冷箱結(jié)構(gòu)圖。

        圖3 冷箱結(jié)構(gòu)圖

        1.4 冷箱骨架及面板的設(shè)計(jì)

        冷箱結(jié)構(gòu)需按工況條件進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析計(jì)算,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核優(yōu)化,冷箱骨架的斜撐必須作用在型心上,冷箱基礎(chǔ)底板的選用須在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析后進(jìn)行校核優(yōu)化;冷箱骨架四周主立柱型鋼一般采用工字鋼200×200×8,槽鋼200×75×9,中立柱型號(hào)為工字鋼200×102×9,冷箱骨架的柱、梁、斜撐、加強(qiáng)板等連接處,均為連續(xù)焊接(圖4),冷箱骨架的柱、梁、斜撐等與面板接觸處的焊縫應(yīng)磨平;框架焊接后應(yīng)校平整,并校正對(duì)角線和垂直線,平面度為5/1000;面板及面板兩側(cè)在設(shè)計(jì)時(shí)在面板上編上編號(hào),在制作時(shí)也應(yīng)按設(shè)計(jì)要求刷上面板編號(hào),方便冷箱總裝;面板拼接應(yīng)整齊美觀,內(nèi)側(cè)與柱、梁、斜撐接觸處的焊縫應(yīng)磨平,面板平面度在5/1000范圍內(nèi);冷箱面板內(nèi)側(cè)與柱、梁、斜撐連接處為間斷焊,間距200 mm,焊縫長(zhǎng)20 mm,外側(cè)為連續(xù)密封焊(圖5),焊接坡口焊接時(shí)須去除表面油漆;冷箱的頂部應(yīng)設(shè)計(jì)成自動(dòng)排水的傾斜屋頂型式,在該面上設(shè)置珠光砂灌裝口和呼吸筒安全閥等附件,為了在灌裝珠光砂時(shí)人的安全,一般情況下,應(yīng)設(shè)置欄桿及豎梯;冷箱安全閥、呼氣筒、珠光砂放出口等影響冷箱運(yùn)輸?shù)牧悴考湎渚臀缓笥捎脩糇孕惺┖?,冷箱安全閥、呼氣筒焊接時(shí)要求保持平整,不平整處做適當(dāng)調(diào)整。冷箱制作完畢后清除焊渣,噴砂除銹,達(dá)到ISO8501-1標(biāo)準(zhǔn)Sa2.5要求,粗糙度應(yīng)在30~85 μm,冷箱涂漆要求按合同執(zhí)行;冷箱起吊采用軸式吊耳,共設(shè)置4層,上下各1層,中間兩層,材料為Q355B,根據(jù)不同重量的冷箱,吊耳圓鋼直徑掛纜繩有效長(zhǎng)度都不同(圖6),吊繩與吊耳的夾角不小于60°,吊耳強(qiáng)度計(jì)算公式如下:

        圖4 冷箱立柱連接和焊接型式

        圖5 冷箱廠內(nèi)生產(chǎn)焊接型式

        圖6 吊耳圖

        式中,δL為吊耳總應(yīng)力,MPa;T為冷箱重量,kg;g為重量加速度,值取9.8;k為動(dòng)載系數(shù),值取1.65;n為吊耳數(shù)量;A為吊耳橫截面積,m2;D為吊耳直徑,mm;W為抗彎截面系數(shù),mm3;L為吊耳有效長(zhǎng)度,mm。

        1.5 冷箱設(shè)備支架的設(shè)計(jì)

        換熱器梁結(jié)構(gòu)的支架,一般采用兩根300×80×12槽鋼不銹鋼復(fù)合而成,兩端架在冷箱骨架上,橫梁一端為焊死固定,另一端自由浮動(dòng)(圖7);氮洗塔通過(guò)不銹鋼圓管立在冷箱底部,質(zhì)量輕的分離罐可采用懸臂梁結(jié)構(gòu)的支撐形式固定在冷箱上,冷箱臥放運(yùn)輸時(shí),必須考慮設(shè)置內(nèi)部換熱器及管路的運(yùn)輸支撐結(jié)構(gòu)。

        圖7 換熱器支架

        1.6 冷箱內(nèi)閥門(mén)和管道支架的設(shè)計(jì)

        冷箱低溫調(diào)閥需全部?jī)A斜15°布置,調(diào)閥出口中心距冷箱面板600 mm,調(diào)閥設(shè)置保溫筒,以便閥門(mén)抽芯檢修及支撐珠光砂的重量,保溫筒由直套筒和錐形套筒復(fù)合而成;DN≥100管架設(shè)置在冷箱型鋼上,無(wú)型鋼位置需焊接型鋼,DN<100管架允許焊接在面板上,與面板焊接時(shí)增加一塊碳鋼板,管架在單線圖上予以標(biāo)注;每個(gè)管架應(yīng)有圖紙和尺寸,在管架文件上體現(xiàn);冷箱內(nèi)所有橫向布置的電纜、儀表管都必須用角鋼保護(hù);從豎直管引出的儀表口必須采用儀表管根部保護(hù)結(jié)構(gòu)。

        1.7 冷箱內(nèi)管道的設(shè)計(jì)

        冷箱內(nèi)管道的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合工藝流程圖、總體布置圖、冷箱內(nèi)容器支架和冷箱內(nèi)閥架進(jìn)行協(xié)調(diào),合理設(shè)計(jì),避免之間的碰撞;配管原則:先大管,后小管,先主管,后輔管,若遇相碰時(shí),以小管讓大管為原則。管道施工時(shí),先上部,后下部(便于及時(shí)排除安裝過(guò)程中產(chǎn)生的鋁屑),儀表管引至冷箱壁前應(yīng)在相應(yīng)設(shè)備、管道上固定并做“S”型補(bǔ)償彎,液體管道與冷箱外壁和冷箱骨架的型鋼的最小距離300 mm,冷氣流管道(≤DN300)與冷箱外壁冷箱骨架的型鋼最小距離300 mm,冷氣流管道(>DN300)與冷箱外壁冷箱骨架的型鋼最小距離400 mm;管道與管道之間的距離要根據(jù)介質(zhì)的溫度來(lái)定,溫度接近的可控制管道外壁為100 mm或以上,溫差較大的要大于200 mm,常溫管道和低溫管道之間要在400 mm或以上;冷箱內(nèi)與塔連接的管道的支撐和管架盡量固定在塔體上(塔上加貼板),DN100以上的彎頭才允許加裝測(cè)溫元件;所有液體有可能流到冷箱壁的液體工藝管線,都必須做液封;兩臺(tái)氮?dú)饬髁坑?jì)宜采用焊接形文丘里流量計(jì),當(dāng)采用法蘭連接的孔板流量計(jì)時(shí)需設(shè)置單獨(dú)隔箱;鋁管DN<40的可不帶彎管,所有彎管盡量使用1.5倍管徑;所有工藝管線必須在三維圖上造型,管道在配管時(shí)應(yīng)保證足夠的柔性,以滿足管道在正常工作溫度時(shí)位移的要求及管道端點(diǎn)的附加位移、附加載荷,冷箱內(nèi)管道公稱直徑≥50的管道做應(yīng)力分析和計(jì)算,所有管道的壁厚需根據(jù)設(shè)計(jì)壓力做強(qiáng)度計(jì)算;管道焊縫的檢驗(yàn)依據(jù)NB/T 47013的規(guī)定,所有焊縫檢查等級(jí)符合GB/T 20801《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》Ⅱ 級(jí)要求。不同種類管道焊縫的無(wú)損檢測(cè)方式及合格要求如表1。

        表1 不同種類管道焊縫的無(wú)損檢測(cè)方式及合格要求

        續(xù)表1

        1.8 平臺(tái)梯子的設(shè)計(jì)

        平臺(tái)梯子的布置應(yīng)簡(jiǎn)潔、美觀,梯子采用直爬梯,平臺(tái)寬度1000 mm,平臺(tái)與冷箱之間的距離30 mm,每個(gè)平臺(tái)設(shè)3個(gè)斜撐,冷箱安全閥宜靠近直梯放置,相鄰兩個(gè)平臺(tái)之間的高度不宜太大,6000 mm左右為宜,方便攀爬,每塊平臺(tái)格柵放置兩個(gè)安裝夾,直梯避開(kāi)冷箱附件及管道。

        2 結(jié) 語(yǔ)

        液氮洗冷箱是氨工藝的重要環(huán)節(jié)之一,為降低運(yùn)輸和安裝成本,滿足設(shè)備保冷的需求,整個(gè)裝置采用冷箱型式;冷箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該布局合理,操作方便,并具有經(jīng)濟(jì)性,本文介紹了液氮洗冷箱的設(shè)計(jì)規(guī)范準(zhǔn)則,該準(zhǔn)則對(duì)冷箱的詳細(xì)設(shè)計(jì)做了一些規(guī)定,為今后液氮洗冷箱的設(shè)計(jì)更加合理、高效和精益。

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