液氮洗冷箱的设计

吴 杰，徐志明，李少泽，高峰峰

(杭州制氧机集团股份有限公司 石化工程公司，浙江 杭州 310004)

0 引 言

氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位，除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。

液氮洗冷箱[1-2]是合成氨的主要设备，冷箱内设备在低温和中高压环境下运行，介质为易燃、易爆和易挥发的高氢物料；液氮洗冷箱装置通过空分过来的中高压氮气经过板式换热器逐步降温至液氮，其中的冷量主要来自中高压氮气的节流(氮气压力低需靠液氮补充冷量)，由于原料气中的H2与CO、Ar、CH4的沸点相差较大，在氮洗塔中原料气和液氮呈逆流接触，将原料气中CO、CH4、Ar从气相中溶解到液氮中，从而达到脱除CO、CH4、Ar等杂质的目的；同时也配入部分氮气，使出冷箱的合成气中H2: N2达到3:1；氮洗塔底部液体经调节阀节流后进入氢气分离罐，气相作为循环气，液相作为燃料气经板式换热器复热后出冷箱。

目前，由于国内已建成的液氮洗冷箱的工作压力和出冷箱合成气总量不同，使得液氮洗冷箱的尺寸也有所不同，但冷箱的流程和结构基本相同。本文从提高液氮洗冷箱的安全性、经济性、高效性和便捷性出发，对液氮洗冷箱的整体设计做了规定。

1 冷箱设计要求

1.1 PID的设计

管道规格的选择：中压氮气和原料气进冷箱流速在10 m/s左右，当压力较大(≥5.0 MPa)时，流速控制在8 m/s左右，其它工艺气体管线流速控制在15 m/s左右，分离罐底部液体管线流速小于1 m/s，其它工艺液体管线流速1～2 m/s，管线的设计压力与设备通道的压力保持一致；在选择安全阀时，安全阀的开启压力不高于该设备通道的设计压力，中压氮气和原料气管路的安全阀开启压力为最大工作压力的1.05～1.15倍；1号原料气冷却器原料气通道设置就地压差计根部仪表阀，增加二氧化碳冻堵判断手段，2号原料气冷却器燃料气通道设置就地压差计根部仪表阀，增加甲烷冻堵判断手段[3-4]；冷箱底部设置一个双支铂电阻温度计用于漏液检测[5]；冷箱内4台节流阀宜采用FC形式角阀，并设置电磁阀。图1为某装置冷箱工艺流程图。

图1 工艺流程图

1.2 冷箱基础设计

冷箱重量包含冷箱结构、平台梯子、管道、容器支撑及阀门的重量、设备总重、珠光砂重量、操作时持液重量及附加外部重量，冷箱基础考虑风载、雪载和地震工况的影响，并符合GB 50017规定，按通用较恶劣设计工况计算柱脚反力，将计算值提供给设计院进行基础条件设计；冷箱每块基础底板和氮洗塔基础静荷载能力大于冷箱结构应力分析出的相对应的柱脚力；冷箱的支脚所需的地脚螺栓，应经应力分析校核确认，地脚螺栓按冷箱载荷计算后提供给用户，并在提供给用户的图纸上注明地脚螺栓的方位以及载荷，以便用户设计及浇注地脚螺栓孔；冷箱设计零标高和基础的深度需根据当地的地质条件、地下水位的高度及气候条件等由土建设计决定，并统一考虑给排水系统；冷箱基础周边不得设置阻碍冷箱底部空气流通的构筑物，基础灌浆时应连续进行，灌浆后应防止干燥过快，灌浆时不允许有可燃物质混入；基础洒水期随周围温度而定，但不得少于7d；基础本体采用抗压和抗渗混凝土，抗压指标不低于C30，抗渗标号不小于P12；地脚螺栓预埋，底板与地脚螺栓在未灌浆前通过垫片调整，整个基础底板的水平度不超过1/1000，且必须<1.5 mm，各基础底板之间的水平不超过1/1000；冷箱用基础底板及筋板在用户现场焊接固定，焊后去渣补防锈漆和面漆。

图2 不同冷箱大小的基础图

1.3 冷箱总图设计

高压氮气冷却器、1号原料气冷却器、2号原料气冷却器依次自上而下布置在冷箱左侧，氮洗塔布置在冷箱右侧；3台换热器高度间距约为2000 mm，冷箱内容器与容器之间的距离约为400 mm，容器内介质温度相同可适当减小距离；容器离冷箱壁距离500～800 mm，具体要根据冷箱骨架的型钢型号来定，保证有效保温厚度约为400 mm，要考虑在此间距内是否走管道，如有还要加大间距；冷箱内容器离地面约为800 mm，离冷箱顶约为1000 mm；气液分离器液相出口标高要大于2号原料气冷却器液相进口,管线的吹除口和放空口管径DN20左右，冷箱内部梯子放在冷箱后面，冷箱内调阀、吹除口、安全阀出口等管口集中放置，均设在冷箱正面，冷箱左右面可设置人孔、泄砂孔，冷箱背面为运输面，不设置部件；4个调阀中，TV39，LV01设置在约超过2000，FV09，FV10设在约超过9000，两调阀之间相距约为700 mm，调阀的位置比平台高约为1400 mm；各导淋吹除口、氮封气口设置在约超过1500，按上下两层菱形布置，仪表测点引出根部阀设置在约超过1500，按上下层菱形布置，间距200 mm；底部珠光砂排放口不少于两个，人孔每层平台均设一个，位置比平台高200 mm；设备铭牌、工厂标志、产品铭牌及各铭牌的安装应根据具体情况，以就近、醒目、高度合适、视线正视、美观为原则选择位置；冷箱要考虑在安装现场由卧位变为竖立位置时的起吊设施及方法，冷箱内的绝热材料(珠光砂)在安装现场冷箱就位并拆除内部运输支撑后再填装；冷箱顶部保留一只内装有干燥剂(硅胶)的呼气筒，需每年检查一次，根据其吸水性能下降情况，定期换新，图3为某装置冷箱结构图。

图3 冷箱结构图

1.4 冷箱骨架及面板的设计

冷箱结构需按工况条件进行钢结构应力分析计算，对钢结构进行校核优化，冷箱骨架的斜撑必须作用在型心上，冷箱基础底板的选用须在进行钢结构应力分析后进行校核优化；冷箱骨架四周主立柱型钢一般采用工字钢200×200×8，槽钢200×75×9，中立柱型号为工字钢200×102×9，冷箱骨架的柱、梁、斜撑、加强板等连接处，均为连续焊接(图4)，冷箱骨架的柱、梁、斜撑等与面板接触处的焊缝应磨平；框架焊接后应校平整，并校正对角线和垂直线，平面度为5/1000；面板及面板两侧在设计时在面板上编上编号，在制作时也应按设计要求刷上面板编号，方便冷箱总装；面板拼接应整齐美观，内侧与柱、梁、斜撑接触处的焊缝应磨平，面板平面度在5/1000范围内；冷箱面板内侧与柱、梁、斜撑连接处为间断焊，间距200 mm，焊缝长20 mm，外侧为连续密封焊(图5)，焊接坡口焊接时须去除表面油漆；冷箱的顶部应设计成自动排水的倾斜屋顶型式，在该面上设置珠光砂灌装口和呼吸筒安全阀等附件，为了在灌装珠光砂时人的安全，一般情况下，应设置栏杆及竖梯；冷箱安全阀、呼气筒、珠光砂放出口等影响冷箱运输的零部件待冷箱就位后由用户自行施焊，冷箱安全阀、呼气筒焊接时要求保持平整，不平整处做适当调整。冷箱制作完毕后清除焊渣，喷砂除锈，达到ISO8501-1标准Sa2.5要求，粗糙度应在30～85 μm，冷箱涂漆要求按合同执行；冷箱起吊采用轴式吊耳，共设置4层，上下各1层，中间两层，材料为Q355B，根据不同重量的冷箱，吊耳圆钢直径挂缆绳有效长度都不同(图6)，吊绳与吊耳的夹角不小于60°，吊耳强度计算公式如下：

图4 冷箱立柱连接和焊接型式

图5 冷箱厂内生产焊接型式

图6 吊耳图

式中，δL为吊耳总应力，MPa；T为冷箱重量，kg；g为重量加速度，值取9.8；k为动载系数，值取1.65；n为吊耳数量；A为吊耳横截面积，m2；D为吊耳直径，mm；W为抗弯截面系数，mm3；L为吊耳有效长度，mm。

1.5 冷箱设备支架的设计

换热器梁结构的支架，一般采用两根300×80×12槽钢不锈钢复合而成，两端架在冷箱骨架上，横梁一端为焊死固定，另一端自由浮动(图7)；氮洗塔通过不锈钢圆管立在冷箱底部，质量轻的分离罐可采用悬臂梁结构的支撑形式固定在冷箱上，冷箱卧放运输时，必须考虑设置内部换热器及管路的运输支撑结构。

图7 换热器支架

1.6 冷箱内阀门和管道支架的设计

冷箱低温调阀需全部倾斜15°布置，调阀出口中心距冷箱面板600 mm，调阀设置保温筒，以便阀门抽芯检修及支撑珠光砂的重量，保温筒由直套筒和锥形套筒复合而成；DN≥100管架设置在冷箱型钢上，无型钢位置需焊接型钢,DN<100管架允许焊接在面板上，与面板焊接时增加一块碳钢板，管架在单线图上予以标注；每个管架应有图纸和尺寸，在管架文件上体现；冷箱内所有横向布置的电缆、仪表管都必须用角钢保护；从竖直管引出的仪表口必须采用仪表管根部保护结构。

1.7 冷箱内管道的设计

冷箱内管道的设计应结合工艺流程图、总体布置图、冷箱内容器支架和冷箱内阀架进行协调，合理设计，避免之间的碰撞；配管原则：先大管，后小管，先主管，后辅管，若遇相碰时，以小管让大管为原则。管道施工时，先上部，后下部(便于及时排除安装过程中产生的铝屑)，仪表管引至冷箱壁前应在相应设备、管道上固定并做“S”型补偿弯，液体管道与冷箱外壁和冷箱骨架的型钢的最小距离300 mm，冷气流管道(≤DN300)与冷箱外壁冷箱骨架的型钢最小距离300 mm，冷气流管道(>DN300)与冷箱外壁冷箱骨架的型钢最小距离400 mm；管道与管道之间的距离要根据介质的温度来定，温度接近的可控制管道外壁为100 mm或以上，温差较大的要大于200 mm，常温管道和低温管道之间要在400 mm或以上；冷箱内与塔连接的管道的支撑和管架尽量固定在塔体上(塔上加贴板)，DN100以上的弯头才允许加装测温元件；所有液体有可能流到冷箱壁的液体工艺管线，都必须做液封；两台氮气流量计宜采用焊接形文丘里流量计，当采用法兰连接的孔板流量计时需设置单独隔箱；铝管DN<40的可不带弯管，所有弯管尽量使用1.5倍管径；所有工艺管线必须在三维图上造型，管道在配管时应保证足够的柔性，以满足管道在正常工作温度时位移的要求及管道端点的附加位移、附加载荷，冷箱内管道公称直径≥50的管道做应力分析和计算，所有管道的壁厚需根据设计压力做强度计算；管道焊缝的检验依据NB/T 47013的规定，所有焊缝检查等级符合GB/T 20801《压力管道规范 工业管道》Ⅱ 级要求。不同种类管道焊缝的无损检测方式及合格要求如表1。

表1 不同种类管道焊缝的无损检测方式及合格要求

续表1

1.8 平台梯子的设计

平台梯子的布置应简洁、美观，梯子采用直爬梯，平台宽度1000 mm，平台与冷箱之间的距离30 mm,每个平台设3个斜撑，冷箱安全阀宜靠近直梯放置，相邻两个平台之间的高度不宜太大，6000 mm左右为宜，方便攀爬，每块平台格栅放置两个安装夹，直梯避开冷箱附件及管道。

2 结 语

液氮洗冷箱是氨工艺的重要环节之一，为降低运输和安装成本，满足设备保冷的需求，整个装置采用冷箱型式；冷箱结构设计应该布局合理，操作方便，并具有经济性，本文介绍了液氮洗冷箱的设计规范准则，该准则对冷箱的详细设计做了一些规定，为今后液氮洗冷箱的设计更加合理、高效和精益。