液氮洗冷箱的設計

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品之一，在國民經濟中占有重要地位，除液氨可直接作為肥料外，農業上使用的氮肥，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]是合成氨的主要設備，冷箱內設備在低溫和中高壓環境下運行，介質為易燃、易爆和易揮發的高氫物料；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，從而達到脫除CO、CH4、Ar等雜質的目的；同時也配入部分氮氣，使出冷箱的合成氣中H2: N2達到3:1；氮洗塔底部液體經調節閥節流后進入氫氣分離罐，氣相作為循環氣，液相作為燃料氣經板式換熱器復熱后出冷箱。

目前，由于國內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，但冷箱的流程和結構基本相同。本文從提高液氮洗冷箱的安全性、經濟性、高效性和便捷性出發，對液氮洗冷箱的整體設計做了規定。

1 冷箱設計要求

1.1 PID的設計

管道規格的選擇：中壓氮氣和原料氣進冷箱流速在10 m/s左右，當壓力較大(≥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，管線的設計壓力與設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備通道的設計壓力，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]；冷箱底部設置一個雙支鉑電阻溫度計用于漏液檢測[5]；冷箱內4臺節流閥宜采用FC形式角閥，并設置電磁閥。圖1為某裝置冷箱工藝流程圖。

圖1 工藝流程圖

1.2 冷箱基礎設計

冷箱重量包含冷箱結構、平臺梯子、管道、容器支撐及閥門的重量、設備總重、珠光砂重量、操作時持液重量及附加外部重量，冷箱基礎考慮風載、雪載和地震工況的影響，并符合GB 50017規定，按通用較惡劣設計工況計算柱腳反力，將計算值提供給設計院進行基礎條件設計；冷箱每塊基礎底板和氮洗塔基礎靜荷載能力大于冷箱結構應力分析出的相對應的柱腳力；冷箱的支腳所需的地腳螺栓，應經應力分析校核確認，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，以便用戶設計及澆注地腳螺栓孔；冷箱設計零標高和基礎的深度需根據當地的地質條件、地下水位的高度及氣候條件等由土建設計決定，并統一考慮給排水系統；冷箱基礎周邊不得設置阻礙冷箱底部空氣流通的構筑物，基礎灌漿時應連續進行，灌漿后應防止干燥過快，灌漿時不允許有可燃物質混入；基礎灑水期隨周圍溫度而定，但不得少于7d；基礎本體采用抗壓和抗滲混凝土，抗壓指標不低于C30，抗滲標號不小于P12；地腳螺栓預埋，底板與地腳螺栓在未灌漿前通過墊片調整，整個基礎底板的水平度不超過1/1000，且必須<1.5 mm，各基礎底板之間的水平不超過1/1000；冷箱用基礎底板及筋板在用戶現場焊接固定，焊后去渣補防銹漆和面漆。

圖2 不同冷箱大小的基礎圖

1.3 冷箱總圖設計

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，氮洗塔布置在冷箱右側；3臺換熱器高度間距約為2000 mm，冷箱內容器與容器之間的距離約為400 mm，容器內介質溫度相同可適當減小距離；容器離冷箱壁距離500～800 mm，具體要根據冷箱骨架的型鋼型號來定，保證有效保溫厚度約為400 mm，要考慮在此間距內是否走管道，如有還要加大間距；冷箱內容器離地面約為800 mm，離冷箱頂約為1000 mm；氣液分離器液相出口標高要大于2號原料氣冷卻器液相進口,管線的吹除口和放空口管徑DN20左右，冷箱內部梯子放在冷箱后面，冷箱內調閥、吹除口、安全閥出口等管口集中放置，均設在冷箱正面，冷箱左右面可設置人孔、泄砂孔，冷箱背面為運輸面，不設置部件；4個調閥中，TV39，LV01設置在約超過2000，FV09，FV10設在約超過9000，兩調閥之間相距約為700 mm，調閥的位置比平臺高約為1400 mm；各導淋吹除口、氮封氣口設置在約超過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，人孔每層平臺均設一個，位置比平臺高200 mm；設備銘牌、工廠標志、產品銘牌及各銘牌的安裝應根據具體情況，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場由臥位變為豎立位置時的起吊設施及方法，冷箱內的絕熱材料(珠光砂)在安裝現場冷箱就位并拆除內部運輸支撐后再填裝；冷箱頂部保留一只內裝有干燥劑(硅膠)的呼氣筒，需每年檢查一次，根據其吸水性能下降情況，定期換新，圖3為某裝置冷箱結構圖。

圖3 冷箱結構圖

1.4 冷箱骨架及面板的設計

冷箱結構需按工況條件進行鋼結構應力分析計算，對鋼結構進行校核優化，冷箱骨架的斜撐必須作用在型心上，冷箱基礎底板的選用須在進行鋼結構應力分析后進行校核優化；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，均為連續焊接(圖4)，冷箱骨架的柱、梁、斜撐等與面板接觸處的焊縫應磨平；框架焊接后應校平整，并校正對角線和垂直線，平面度為5/1000；面板及面板兩側在設計時在面板上編上編號，在制作時也應按設計要求刷上面板編號，方便冷箱總裝；面板拼接應整齊美觀，內側與柱、梁、斜撐接觸處的焊縫應磨平，面板平面度在5/1000范圍內；冷箱面板內側與柱、梁、斜撐連接處為間斷焊，間距200 mm，焊縫長20 mm，外側為連續密封焊(圖5)，焊接坡口焊接時須去除表面油漆；冷箱的頂部應設計成自動排水的傾斜屋頂型式，在該面上設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，應設置欄桿及豎梯；冷箱安全閥、呼氣筒、珠光砂放出口等影響冷箱運輸的零部件待冷箱就位后由用戶自行施焊，冷箱安全閥、呼氣筒焊接時要求保持平整，不平整處做適當調整。冷箱制作完畢后清除焊渣，噴砂除銹，達到ISO8501-1標準Sa2.5要求，粗糙度應在30～85 μm，冷箱涂漆要求按合同執行；冷箱起吊采用軸式吊耳，共設置4層，上下各1層，中間兩層，材料為Q355B，根據不同重量的冷箱，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 冷箱廠內生產焊接型式

圖6 吊耳圖

式中，δL為吊耳總應力，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，值取1.65；n為吊耳數量；A為吊耳橫截面積，m2；D為吊耳直徑，mm；W為抗彎截面系數，mm3；L為吊耳有效長度，mm。

1.5 冷箱設備支架的設計

換熱器梁結構的支架，一般采用兩根300×80×12槽鋼不銹鋼復合而成，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，質量輕的分離罐可采用懸臂梁結構的支撐形式固定在冷箱上，冷箱臥放運輸時，必須考慮設置內部換熱器及管路的運輸支撐結構。

圖7 換熱器支架

1.6 冷箱內閥門和管道支架的設計

冷箱低溫調閥需全部傾斜15°布置，調閥出口中心距冷箱面板600 mm，調閥設置保溫筒，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合而成；DN≥100管架設置在冷箱型鋼上，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注；每個管架應有圖紙和尺寸，在管架文件上體現；冷箱內所有橫向布置的電纜、儀表管都必須用角鋼保護；從豎直管引出的儀表口必須采用儀表管根部保護結構。

1.7 冷箱內管道的設計

冷箱內管道的設計應結合工藝流程圖、總體布置圖、冷箱內容器支架和冷箱內閥架進行協調，合理設計，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生的鋁屑)，儀表管引至冷箱壁前應在相應設備、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介質的溫度來定，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，當采用法蘭連接的孔板流量計時需設置單獨隔箱；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，冷箱內管道公稱直徑≥50的管道做應力分析和計算，所有管道的壁厚需根據設計壓力做強度計算；管道焊縫的檢驗依據NB/T 47013的規定，所有焊縫檢查等級符合GB/T 20801《壓力管道規范 工業管道》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

續表1

1.8 平臺梯子的設計

平臺梯子的布置應簡潔、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 語

液氮洗冷箱是氨工藝的重要環節之一，為降低運輸和安裝成本，滿足設備保冷的需求，整個裝置采用冷箱型式；冷箱結構設計應該布局合理，操作方便，并具有經濟性，本文介紹了液氮洗冷箱的設計規范準則，該準則對冷箱的詳細設計做了一些規定，為今后液氮洗冷箱的設計更加合理、高效和精益。