【《管壳式换热器安全泄放装置计算与设计过程案例》3000字】

管壳式换热器安全泄放装置计算与设计过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u5683管壳式换热器安全泄放装置计算与设计过程案例 1294691.1管壳式换热器基本参数 130511.1.1合成氨装置工艺简述 1326541.1.2一氧化碳变换工段简述 1175171.1.3冷煤气冷却器基本参数 1186051.2安全阀最大泄放量计算 2278491.3安全阀最小泄放面积计算 51.1管壳式换热器基本参数1.1.1合成氨装置工艺简述合成氨工艺是在高温高压的条件下，在催化剂作业下，完成这一主要化学反应。天脊集团合成氨工艺采用德国鲁奇加压气化、耐硫变换、低温甲醇洗、液氮洗、甲醇转换及托普索氨合成等工艺技术。工艺流程主要包括煤处理系统（100#）、加压气化系统（200#）、粗煤气变换系统（300#）、煤气冷却系统（400#）、低温甲醇洗及冷冻系统（500#、550#）、液氮洗系统（600#）、转化/变换系统（700#、800#）、氨合成系统（900#）、煤气水分离系统（1000#）、氨库（2000#）等生产单元。1.1.2一氧化碳变换工段简述一氧化碳变换后的变换气中含有氨合成反应所需的H2、N2，还含有CO、CO2、H2S、COS等成份。这些氧化物和硫化物是氨合成触媒的毒物，而CO2又是生产尿素的原料，需要对它们分别脱除回收。天脊合成氨工艺中采用低温甲醇洗（500#）来脱除上述组分。低温甲醇洗是一种物理吸收法，在低温、高压下在吸收塔中甲醇吸收CO2、H2S、COS等，然后经过节流降压，释放出CO2，在热态下将H2S从甲醇溶液中赶出去，再生好的甲醇重复吸收。H2S尾气经浓缩后送往硫回收工段。1.1.3冷煤气冷却器基本参数W502是低温甲醇洗工段所使用的一台管壳式换热器，为单管程单壳程结构，换热面积219m2，管程设计压力为29kgf/cm2(abs)，壳程设计压力为17kgf/cm2(abs)，管程和壳程设计温度均为-10℃。壳体材料为TTStE36钢，公称直径为800mm；换热管材质为20#钢，外径25mm，壁厚2.5mm，管间距32mm，管长6000mm，换热管根数477。表5-1物料参数表物料温度（进口/出口）℃操作压力kgf/cm2（abs）流量（kg/h）冷煤气（管程）28/8.227.02111672液氨/氨蒸气（壳程）0.44.463326表5-2冷煤气组分表冷煤气组分CO2H2CH4CON2C2H6H2OArH2SNH3体积分数V%39.9149.667.021.450.920.380.260.150.120.051.2安全阀最大泄放量计算在计算本设计情况下的泄放量时，根据有关规定，做下面这些假设：(1)换热器中只有1根管子断裂；(2)管子是在管板处断裂；(3)高压侧流体一部分通过裂口，进入低压侧,另一部分通过管子，进入低压侧。计算流量的话,简化为第一部分乘以2。本次设计的工况是高压侧为气相，低压侧为气相，计算过程如下。1.2.1常用的计算公式气体是可压缩流体，计算公式为：（5-1）式中：d—换热管内径，m；P1—高压侧压力，MPa(A)；P2—低压侧泄放压力，MPa(A)；M—气体分子量；Z—压缩因子；T—高压侧流体温度，K；k—绝热指数。临界压力PC计算公式为：（5-2）若P2≤PC，则公式（5-1）中的P2用PC取代；若P2＞PC，则公式（5-1）保持不变。1.2.2简化的计算方法当P2>PC时，公式（5-1）简化为：（5-3）当P2≤PC，公式（5-1）简化为：（5-4）1.2.3计算过程已知W502换热器，管程设计压力为29kgf/cm2(abs)，管程操作压力为27.02kgf/cm2(abs)，壳程设计压力为17kgf/cm2(abs)，壳程操作压力为4.46kgf/cm2(abs)，在计算时，单位转化为MPa，1kgf/cm2(abs)=0.098MPa，管程和壳程设计温度均为-10℃，管侧进口温度为28℃，管子外径为25mm，壁厚2.5mm，由GB150-2011压力容器的表B.6查得：绝热系数k为1.31，压缩因子Z通常取1，冷媒气的气相分子量为组分的平均分子量。最终计算结果的除W保留整数以外，其余统一保留三位小数。由上述可知：Z=1，k=1.31；T=28+273=301K；d0=（25-2.5）×10-3=0.02mM是冷煤气的平均相对分子质量，各组分体积分数见表5-2，计算过程如下：M=M（CO2）×39.91%+M（H2）×49.66%+M（CH4）×7.02%+M（CO）×1.45%+M（N2）×0.92%+M（C2H6）×0.38%+M（H2O）×0.26%+M（Ar）×0.15%+M（H2S）×0.12%+M（NH3）×0.05%=44×39.91%+2×49.66%+16×7.02%+28×1.45%+28×0.92%+30×0.38%+18×0.26%+40×0.15%+34×0.12%+17×0.05%=17.560+0.993+1.123+0.406+0.258+0.114+0.047+0.06+0.041+0.009=20.56 P1=29×0.098=2.842MPa根据HG/T20570.2-95的表4.0.1，允许的最大泄放压力是设计压力的1.1倍。所以：P2=17×0.098×110%=1.833MPa根据式（5-2）计算临界压力为：Pc====1.546MPa故P2＞Pc，式（5-1）保持不变，计算为：W=6.129×107×0.022×2.842×=6.129×107×0.0011368×=6.967×104×=6.967×104×=6.967×104×=13757kg/hP2＞Pc，如果用简化公式（5-4）计算为：W=4.343×107×0.022=1.737×104×=1.737×104×=1.737×104×=9861kg/h二者相差不大。取较大的计算结果，故安全阀最大泄放量为13757kg/h。1.3安全阀最小泄放面积计算根据HG/T20570.2-95规定：对于气体的最小泄放面积，计算公式为：（5-5）式中：a—最小泄放面积，mm2；W—泄放流量，kg/h；X—气体特性系数；P—泄放压力，MPa；Z—气体压缩因子；T—泄放温度，K；M—分子量C0一般由生产厂家提供。若未提供具体数据，对于全启式，C0=0．6～0.7，这里C0取0.6。X根据HG/T20570.2-95表16.0.1，通过查询取348；Z通常取1；W计算得到为13757kg/h；P计算得到为1.833MPa；T为301K；M计算得到为20.56。最小泄放面积a计算如下：a==13.6×31.944×=488.843×=1870.428mm2通常来说，介质为气体时，安全阀为全启式。所以，下一步就是计算全启式的喉径。。安全阀喉径d0计算如下：d0===48.795mm根据有关统计，。因此，公称直径DN计算如下：DN===78.072mm表5-3公称压力/公称直径对应表按上面的对应原则，d0=48.795mm所以d0取50，DN=78.072mm所以对应的DN是80。故最终选择的全启式安全阀公称直径为DN80。1.4安全阀选型安全阀型号由六位代号组成。如下图。图5-1安全阀型号表示图（1）类型代号安全阀表示为A，第一个代号为A。（2）连接形式代号选用法兰的连接形式，第二个代号为4。（3）结构形式代号通常来说，对于气体介质，选用封闭全启式安全阀，第三个代号为2。（4）阀座密封面材料代号依照本次设计换热器的材质，材料应为硬质合金，第四个代号为Y。（5）公称压力代号公称压力代号是一个数字，大小是PN的10倍。公称压力应大于设计压力，等级有1.6、2.5、4.0、6.4、10等，按照上述计算，设计压力，2.5＜2.842＜4.0，所以公称压力取PN4.0。第五个代号为40。（6）阀体材料代号安全阀阀体材料选取碳素钢，第六个代号为C。综上，安全阀型号为A42Y-40C。生产厂家为上海禹轩泵阀有限公司。产品图和结构图如下，其具体结构图为CAD图纸。图5-1A42Y-40C产品图图5-2A42Y-40C结构图1.5安全阀安装、校检与维护1.1.1安全阀安装A42Y-40C安全阀安装在W502换热器的壳侧（低压侧）。当换热器管程破裂，高压侧管侧的冷煤气通过破裂处流向低压侧壳侧。低压侧配备安全阀，且安全阀排放量大于安全泄放量，符合要求，可以在发生超压状况时保护设备不受损坏，避免冷煤气流入低压侧，发生超压爆炸事故。（具体安装要求已在3.1.3章节说明）1.1.2安全阀校检安全阀的校检主要体现在两个方面，一个是安全阀的加载需要不断校正，另一个是调节圈的调整。阀的加载校正是十分重要的，关乎到安全阀能否时刻保持开启状态，办法是通过调整在阀瓣上的压力，即改变压缩弹簧的大小，检查和验证安全阀的开启压力，让安全阀始终处于警备状态，一旦发生泄漏，能立即启动；调节圈的调整也同样关键，调节圈的位置是可以发生变动的，通过改变位置，来校正安全阀的回座压力，让安全阀在完成工作之后，能顺利恢复到正常状态，是保证安全阀多次使用的关键。1.1.3安全阀维护安全阀的定期检查可以设置为，一年进行一次。如果检查到安全阀有问题，可以立即