液氮洗冷箱的設(shè)計

吳 杰，徐志明，李少澤，高峰峰

(杭州制氧機集團股份有限公司 石化工程公司，浙江 杭州 310004)

0 引 言

氨是重要的無機化工產(chǎn)品之一，在國民經(jīng)濟中占有重要地位，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空分過來的中高壓氮氣經(jīng)過板式換熱器逐步降溫至液氮，其中的冷量主要來自中高壓氮氣的節(jié)流(氮氣壓力低需靠液氮補充冷量)，由于原料氣中的H2與CO、Ar、CH4的沸點相差較大，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；同時也配入部分氮氣，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)濟性、高效性和便捷性出發(fā)，對液氮洗冷箱的整體設(shè)計做了規(guī)定。

1 冷箱設(shè)計要求

1.1 PID的設(shè)計

管道規(guī)格的選擇：中壓氮氣和原料氣進(jìn)冷箱流速在10 m/s左右，當(dāng)壓力較大(≥5.0 MPa)時，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)計壓力與設(shè)備通道的壓力保持一致；在選擇安全閥時，安全閥的開啟壓力不高于該設(shè)備通道的設(shè)計壓力，中壓氮氣和原料氣管路的安全閥開啟壓力為最大工作壓力的1.05～1.15倍；1號原料氣冷卻器原料氣通道設(shè)置就地壓差計根部儀表閥，增加二氧化碳凍堵判斷手段，2號原料氣冷卻器燃料氣通道設(shè)置就地壓差計根部儀表閥，增加甲烷凍堵判斷手段[3-4]；冷箱底部設(shè)置一個雙支鉑電阻溫度計用于漏液檢測[5]；冷箱內(nèi)4臺節(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

冷箱重量包含冷箱結(jié)構(gòu)、平臺梯子、管道、容器支撐及閥門的重量、設(shè)備總重、珠光砂重量、操作時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)計工況計算柱腳反力，將計算值提供給設(shè)計院進(jìn)行基礎(chǔ)條件設(shè)計；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)計及澆注地腳螺栓孔；冷箱設(shè)計零標(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)灌漿時應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，灌漿后應(yīng)防止干燥過快，灌漿時不允許有可燃物質(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墊片調(diào)整，整個基礎(chǔ)底板的水平度不超過1/1000，且必須<1.5 mm，各基礎(chǔ)底板之間的水平不超過1/1000；冷箱用基礎(chǔ)底板及筋板在用戶現(xiàn)場焊接固定，焊后去渣補防銹漆和面漆。

圖2 不同冷箱大小的基礎(chǔ)圖

1.3 冷箱總圖設(shè)計

高壓氮氣冷卻器、1號原料氣冷卻器、2號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來定，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，冷箱背面為運輸面，不設(shè)置部件；4個調(diào)閥中，TV39，LV01設(shè)置在約超過2000，F(xiàn)V09，F(xiàn)V10設(shè)在約超過9000，兩調(diào)閥之間相距約為700 mm，調(diào)閥的位置比平臺高約為1400 mm；各導(dǎo)淋吹除口、氮封氣口設(shè)置在約超過1500，按上下兩層菱形布置，儀表測點引出根部閥設(shè)置在約超過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，人孔每層平臺均設(shè)一個，位置比平臺高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)場由臥位變?yōu)樨Q立位置時的起吊設(shè)施及方法，冷箱內(nèi)的絕熱材料(珠光砂)在安裝現(xiàn)場冷箱就位并拆除內(nèi)部運輸支撐后再填裝；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

冷箱結(jié)構(gòu)需按工況條件進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析計算，對鋼結(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，中立柱型號為工字鋼200×102×9，冷箱骨架的柱、梁、斜撐、加強板等連接處，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，并校正對角線和垂直線，平面度為5/1000；面板及面板兩側(cè)在設(shè)計時在面板上編上編號，在制作時也應(yīng)按設(shè)計要求刷上面板編號，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20 mm，外側(cè)為連續(xù)密封焊(圖5)，焊接坡口焊接時須去除表面油漆；冷箱的頂部應(yīng)設(shè)計成自動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度都不同(圖6)，吊繩與吊耳的夾角不小于60°，吊耳強度計算公式如下：

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為吊耳有效長度，mm。

1.5 冷箱設(shè)備支架的設(shè)計

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(圖7)；氮洗塔通過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，冷箱臥放運輸時，必須考慮設(shè)置內(nèi)部換熱器及管路的運輸支撐結(jié)構(gòu)。

圖7 換熱器支架

1.6 冷箱內(nèi)閥門和管道支架的設(shè)計

冷箱低溫調(diào)閥需全部傾斜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，與面板焊接時增加一塊碳鋼板，管架在單線圖上予以標(biāo)注；每個管架應(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

冷箱內(nèi)管道的設(shè)計應(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，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，以小管讓大管為原則。管道施工時，先上部，后下部(便于及時排除安裝過程中產(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；兩臺氮氣流量計宜采用焊接形文丘里流量計，當(dāng)采用法蘭連接的孔板流量計時需設(shè)置單獨隔箱；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，管道在配管時應(yīng)保證足夠的柔性，以滿足管道在正常工作溫度時位移的要求及管道端點的附加位移、附加載荷，冷箱內(nèi)管道公稱直徑≥50的管道做應(yīng)力分析和計算，所有管道的壁厚需根據(jù)設(shè)計壓力做強度計算；管道焊縫的檢驗依據(jù)NB/T 47013的規(guī)定，所有焊縫檢查等級符合GB/T 20801《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》Ⅱ 級要求。不同種類管道焊縫的無損檢測方式及合格要求如表1。

表1 不同種類管道焊縫的無損檢測方式及合格要求

續(xù)表1

1.8 平臺梯子的設(shè)計

平臺梯子的布置應(yīng)簡潔、美觀，梯子采用直爬梯，平臺寬度1000 mm，平臺與冷箱之間的距離30 mm,每個平臺設(shè)3個斜撐，冷箱安全閥宜靠近直梯放置，相鄰兩個平臺之間的高度不宜太大，6000 mm左右為宜，方便攀爬，每塊平臺格柵放置兩個安裝夾，直梯避開冷箱附件及管道。

2 結(jié) 語

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