【管壳式换热器安全泄放装置计算与设计】

管壳式换热器安全泄放装置计算与设计目录TOC\o"1-3"\h\u29475摘要 I324801.绪论 1161431.1选题的目的和意义 11321.1.1研究目的 165421.1.2研究意义 1194261.2国内外研究现状评述 2152301.3本文主要研究内容 271892.管壳式换热器工作原理与结构 3252142.1常用换热器的类型 3131572.1.1间壁式换热器 3323142.1.2蓄热式换热器 4100602.1.3混合式换热器 422632.2管壳式换热器的工作原理 586102.3管壳式换热器的常见型式及特点 6255792.3.1固定管板式换热器 6266892.3.2浮头式换热器 7261432.3.3U形管式换热器 8180712.4管壳式换热器的结构 8263422.4.1管程结构 943562.4.2壳程结构 13166283.压力容器上常用的安全泄放装置 15307153.1安全阀 15187703.1.1安全阀工作原理与结构 15207883.1.2安全阀基本类型 16267013.1.3安全阀的安装 18285353.1.4安全阀常见故障及其处理 18108893.2爆破片 2196773.2.1爆破片工作原理与结构 2151223.2.2爆破片基本类型 22146113.2.3爆破片的安装 2330093.3易熔塞 23233623.4安全阀与爆破片联合使用 23119193.4.1安全阀与爆破片串联使用 23260953.4.2安全阀与爆破片并联使用 2420283.4.3安全阀与爆破片串、并联组合使用 25301564.管壳式换热器安全泄放装置计算与设计 25276694.1管壳式换热器基本参数 25223235.1.1合成氨装置工艺简述 25171174.1.2一氧化碳变换工段简述 26296974.1.3冷煤气冷却器基本参数 26211534.2安全阀最大泄放量计算 27136404.2.1常用的计算公式 27214194.2.2简化的计算方法 2781044.2.3计算过程 2860655.3安全阀最小泄放面积计算 30264415.4安全阀选型 31118665.5安全阀安装、校检与维护 35247805.5.1安全阀安装 35304525.5.2安全阀校检 3578605.5.3安全阀维护 3520664总结 3618191参考文献 371.绪论1.1选题的目的和意义1.1.1研究目的如今，生产现代化的理念已经深入到各种行业，生产水平一直在提高，各种设备和流程也随之更新，越来越趋于大型化。上至国家层面，下至企业领导人和员工，越来越强调安全的重要性。化工行业也不例外，如今的化工行业不再是我们以往的印象，化工企业更加趋于现代化、规模化，这对安全就提出了更高的要求。在化工的各类设备中，常常因为系统发生超压，引发不可预估的伤害，安全阀作为防止容器超压的装置，被推上了更高的要求。在化工企业，管壳式换热器是很常用的设备，涉及的范围很大。但在管壳式换热器的管程与壳程中，往往存在着较大的温差与压差，是很容易发生超压事故的，所以，在换热器上放置安全阀，是不可或缺的。课题《管壳式换热器安全泄放装置计算与设计》重点以管壳式换热器在设计时，受不同因素影响下发生超压状况，计算安全阀安全泄放量的来进行分析，从而说明安全阀针对性设计选型的重要性。1.1.2研究意义本次设计，可以学习到管壳式换热器的结构、特点、工作原理等，并进一步了解换热器安全泄放装置的原理和设计；通过学习安全阀相关标准规范，可以感知到安全阀在换热器安全上的重要作用；掌握换热器超压现象分析和安全泄放装置的计算、设计与选型等内容。因此，通过本次设计，不仅可以学习到相关方面的知识和规范，还可以约束自己在工程设计上必须遵守安全规范，在相关规程上做事，为今后的工作打下基础。另外，也可以增强自身在理论与实践相结合上的能力。1.2国内外研究现状评述计算管壳式换热器换热管破裂工况下的泄放量是一个相对较难的方向，国内外对此的规范标准和研究示例都比较少，现有国内的标准规范中都没有深入涉及。目前来说，HG/T20570.2-1995《安全阀的设置和选用》是管壳式换热器换热管破裂的安全泄放量计算的标准。这一标准其中介绍了管壳式换热器发生换热管破裂和其它超压情况时，安全泄放量计算、安全阀泄放面积计算以及安全阀选型等内容。但是，《安全阀的设置和选用》中对于管壳式换热器换热管破裂工况下的安全泄放量计算，仅仅讨论了一种高压侧流体为液相的工况，未涉及到其他工况的计算，因此远远不能满足实际生产需求。针对这一现状，王炜等撰写的论文《管壳式换热器换热管断裂泄放量的计算》对高压侧是液相、气相和气液两相工况进行了探讨，分别讨论了三种工况下，安全泄放量的计算。极大地丰富了这一领域相关研究的匮乏。尹俊杰等人的《管壳式换热器换热管破裂工况泄放量的计算》又以低压侧分别为气相、液相的角度探讨了管壳式换热器换热管断裂工况下泄放量的计算，考虑得更加全面，也基本涵盖了可能发生的工况。在此基础上，赵波涛等撰写的《管壳式换热器换热管破裂工况安全泄放量计算分析》针对不同的工况采取相适应的公式进行了计算，并与卡萨利公司给出的数据包对比，从而探讨出分别在高压侧气相-低压侧气相、高压侧气相-低压侧液相、高压侧液相-低压侧气相、高压侧液相-低压侧液相、高压侧两相-低压侧液相五种工况下，各个计算公式的适配情况。为今后的读者在有关计算方面提供了更加便捷的方法。国外相关的研究文献主要是API520,SizingSelectionandInstallationofPressureRelievingDevicesinRefineries。目前关于安全阀的术语存在一些差异，众说纷纭，依据APIRP520的定义可以给出目前比较权威的解释。另外APIRP520涉及到了更多的工况，为不同的超压工况提供了计算方法。1.3本文主要研究内容本设计针对山西天脊合成氨工艺低温甲醇洗工段所使用的一台管壳式换热器（编号W502），遵照《安全工程专业毕业设计》大纲的要求,根据安全泄放装置相关标准规范，完成设计。根据换热器可能出现的超压现象，在假定一根换热管断裂的工况下，计算安全阀的最大泄放量。根据流体介质质量泄放流量，计算在该最大泄放量下的安全阀喷嘴截面积，据此选定合适的安全阀型式和规格。具体主要包括以下内容：工业中常用管壳式换热器的工作原理和结构；工业中常用的安全泄放装置工作原理与结构；合成氨和低温甲醇洗工段工艺流程；管壳式换热器超压现象分析；安全泄放装置安全泄放参数计算；安全阀设计与选型等。2.管壳式换热器工作原理与结构换热器是在化工、机械、炼油等产业上最常见的设备，换热器可以将热量，从热流体传递到冷流体。换热器大量应用在众多领域作为实现热交换的设备，是目前工业上不可或缺的装置。2.1常用换热器的类型2.1.1间壁式换热器间壁式换热器，它的原理是利用间壁来交换热量。在设备内部，两种流体由隔板（隔板是可以传热的）分开，彼此不接触，不直接发生相互作用，热量经过隔板到达对面，达到传热的目的。这种换热器种类繁多，实际效果也很好，是最常用的一种换热器。间壁式换热器又可以细分为下面几种换热器。1管式换热器管式换热器是目前使用最为广泛的一类换热器。管式换热器的结构稳固，适合大部分设备，制造过程也相对简单，适合大范围推广，而且可以忍受很高的温度和压力，从上述优点不难看出，在绝大部分方面，管式换热器都有着不可忽视的优势。因此在选择高温、高压环境下使用的换热器时，一般考虑管式换热器。但管式换热器也有它自身不可忽视的缺点，比如换热效率相对较低，材料消耗比较大。2板面式换热器板面式换热器在强化传热方面具有较大的优势，而且这种换热器从它的名字就可以看出，主要的原材料就是板子，所以在大规模生产时，设备成本比较易于接受。但是这种换热器也有一定的缺点，比如耐压性能与其它换热器相比较差。3其它型式换热器其它型式换热器这里不作具体介绍。2.1.2蓄热式换热器蓄热式换热器的主要构成是一个蓄热体，它是由固体构成的。两种流体在蓄热体内部发生碰撞，相互作用，热量发生传递。结构图见图2-1。图2-1蓄热式换热器结构图蓄热式换热器价格适宜，单位热交换面积更大，主要用于气体之间的流体换热。但也有局限的地方，就是如若管壳两侧的流体混合会发生意外的情况下，则不能使用蓄热式换热器。2.1.3混合式换热器在混合式换热器内，两种不同的介质直接在容器内混合（但两种流体必须是可以混合的），流体直接作用，非常简单却又高效的完成热量交换。如果两种介质不能很好的混合，就需要增加交换面积，做到换热充分，这时采取的措施就是放置适当的填充物。常用的有冷却塔，冷却器等。图2-2混合式换热器结构图这种换热器的特点就是，它的效率高，设备价格平易近人。缺点就是它只支持两侧流体可以混合的场所。2.2管壳式换热器的工作原理管壳式换热器的原理很易懂，热流体从入口流入，就是从下图的最左端流入，流进管箱之后，沿着与管箱联通的换热管向另外一边流动，流到另外一边的管箱，充满管箱，即从图的左端通过1-管子，流到最右端的管箱，最后从管箱右侧的出口流出。冷流体则从壳体的接管流入，也就是从图片上面的接管流入，充满壳层。冷流体和热流体分别在管外和管内，通过管壁进行热量交换，即二者分别处于图片中心的管子和壳体，实现热量交换，最后，冷流体从图片下方接管流出。图2-3典型的管壳式换热器2.3管壳式换热器的常见型式及特点管壳式换热器常见型式有三种，本章节会对这三种管壳式换热器进行详细的介绍。2.3.1固定管板式换热器结构见下图。图2-4固定管板式换热器结构图工作原理热流体从管箱的一个入口进入，热流体流进管箱之后，沿着与管箱联通的换热管向另外一边流动，流到另外一边的管箱，随后充满管箱，最后从出口流出。冷流体则从壳体当中的接管入口流入，充满壳层。冷流体在管子外面流动，与管内的热流体，通过管壁进行热量交换。最后通过出口接管流出，经过这一过程，冷、热流体实现热量交换。优缺点优点：◆结构简单，压力的耐受程度很高；◆造价低；◆管程清洗方便；◆管子有问题时，更换起来比较方便；缺点：当管束的温度与壳体壁面的温度，相差较大时，二者之间可能会因较大的温差，产生热应力，这个热应力会为设备带来不同程度的损坏。应用固板式换热器主要应用于两侧温度基本差不多的场合，或者即便温度差的比较多，但壳侧压力不是太高，这样热应力不会太大，这种场所也可以选择固板式。2.3.2浮头式换热器结构见图2-5。图2-5浮头式换热器结构图工作原理浮头式换热器的左端是固定的，右端是浮头管板的结构，浮头端可以在壳层里进行轴向无约束的移动。浮头端可自由伸缩这一特点，克服了由于温差产生的膨胀不一致而造成的热应力。优缺点优点：清洗方便，更换容易。缺点：◆结构复杂；◆造价比固定管板式换热器高；◆设备笨重，材料消耗量大；◆浮头端小盖在操作中无法检查；◆制造时对密封要求较高。应用适用于两侧温度差的比较多的场所，或着壳程介质容易发生沉淀、结渣的场合。2.3.3U形管式换热器结构见图2-6。图2-6U形管式换热器结构图工作原理U形管式换热器和浮头式类似，换热器的左端是固定的，U形管的一端可以轴向伸缩，有效的避免了温差过大造成的应力。优缺点优点：结构更简单，更便宜，更坚固。缺点：◆受限于受弯管半径，管道分布相对稀疏；◆壳程流体易短路，传热不利；应用应用于管、壳壁温差较大，或壳程介质容易发生沉淀、结渣，需要频繁清洗，但又不宜采用上述两种换热器的场合。2.4管壳式换热器的结构管壳式换热器内部的元件很多，而且比较复杂。简化来说，从大方向可以分为两大部分，一部分是管程，另一部分是壳程。本章节内容便从这俩方面来介绍管壳式换热器的结构。管程——管子内流体活动的空间。壳程——管子外流体活动的空间。图2-7管壳式换热器结构分析图2.4.1管程结构管程结构组成部分包含下面五种。1换热管换热管型式换热管型式多种多样，常用的有光管，以及一些具有强化传热功能的管子。换热管尺寸常见的换热管型号有：φ19*2，φ25*2.5，φ38*2.5mm无缝钢管，φ25*2和φ38*2.5mm不锈钢管。标准管长有1.52.03.04.56.09.0m等。在选择换热管尺寸时，可根据以下原则选取。适合小管径：◆单位体积的传热面积要求比较大的设备；◆阻力大，不便清洗，易结垢堵塞；◆用于较清洁的流体。适合大管径：◆粘性大的、污浊的流体。换热管材料碳素钢低合金钢不锈钢石墨金属材料铜非金属材料陶瓷铜镍合金聚四氟乙烯等铝合金钛等换热管排列形式和中心距换热管排列形式见下图。三角形相对复杂，不太方便清洗，正方形的比较简单，清洗起来很容易。在实际应用上，根据实际需求来选择合适的换热管排列形式。图2-8换热管排列形式图常用的换热管中心距见表2-1。表2-1常用换热管中心距/mm换热管外径mm1214192532384557换热管中心距mm16192532404857722管板管板在换热器各种元件之中，相对来说是为最重要的一个承压元件。管板的作用是将管箱当中的流体和壳体中的流体隔离开来，避免冷热两种流体混合在一起；管板还可以用来固定换热管束，并起到支撑作用，换热管的排布也在管板上进行。管板材料管板的材料主要受三个方面的影响，分别为力学性能、介质腐蚀性、贵重钢板价格。在实际选择中，根据这三个方面的综合考虑，选择合适的管板材料。管板结构管板在设计的时候，要对管板的厚度进行计算。对于管板来说，如果为了承压，则管板越厚越好，但是如果从承受温差应力的角度来看，为了避免造成温差应力，则管板越薄越好。这样便造成了一定的矛盾，因此在做管板设计的时候，应在满足强度前提下，尽量减少管板厚度。薄管板目前的形状结构如下。平面形椭圆形薄管板目前主要有碟形球形挠性薄管板等3管箱管箱主要是将流体送入到换热管中，以及在流体完成换热之后送出换热器。常见的管箱结构如下。适用于较清洁的介质用材较多基本很少使用这种管箱设置了多层隔板4管束分程根据工艺要求，需要增大换热面积时，有两种情况可以实现，分别为增加换热管数量和增大换热管长度。换热面积要变大流速下降管数增加换热面积要变大流速下降管数增加管子加长管子加长传热系数下降传热系数下降多管程多管程但就这两种方法而言，如果增大换热管长度，将为制造、运输、安装等制造许多麻烦，比较困难，相应的也增加了成本。如果增加换热管数量，势必会造成流速的下降，导致传热系数降低。这两种情况都有不利的因素，因此，利用多管程的技术，相当于增加了换热管长度，使流体多流几个管程。5.换热管与管板连接在换热器中，管子与管板的连接是否合格，是非常重要的，一旦二者在连接上出现纰漏，容器可能会发生泄漏，带来难以估计的影响。在连接上主要采取的连接方式有三种，如下。强度胀强度胀是保证换热管与管板连接的密封性能，以及提升抗拉脱强度的胀接。在使用过程中能够承受相应的压力，既不泄露也不会被压脱。一般使用在下列场合：◆设计压力≤4.0MPa；◆设计温度≤300℃；◆操作中无剧烈振动、无过大温度波动；◆无明显应力腐蚀等场合。强度焊强度焊与强度胀的不同之处就是采用焊接。该方法应用范围较广，对于薄管板来说，不能进行胀，只能焊。胀焊并用随着当前生产的需要，胀焊并用已经成为实际制造过程中，最为常用的一种方法。应用场合：◆密封性能要求较高；◆承受振动和疲劳载荷；◆有缝隙腐蚀；◆需使用复合管板等的场合。对于胀焊结合时，先焊还是先胀，通常参考下面的说法：机械胀接先焊后胀；液压胀接先胀后焊。2.4.2壳程结构壳程结构组成部分包括下列五部分。1壳体壳体和其他结构共同构成一个密闭空间，保证管外流体的密封性能的同时，也承受压力。壳体主要由接管、防冲挡板和导流筒组成。接管在壳体上，壳程介质的进出，就是从接管这一路径。防冲挡板可以防止流入壳程的流体，在流动时直接冲击管束，管子受到冲击发生振动，而遭受破坏。通常安装在壳程进口的接管。导流筒可以引导流体流动，减小流体滞留的可能，增加有效长度，提高传热效率。2折流板结构形式常见的有三种，第一种是弓形，弓形又可具体表现为单弓、双弓和三弓，第二张是圆盘形状或者圆环形状，第三种就是堰形。折流板的固定型式主要取决于换热管的外径。3折流杆折流杆起到管束支撑结构的作用，并改善了折流板所存在的一些不足。折流杆可以减小流体在管体内流动的阻力，提高流体的传热效率；其结构如下图。图2-9折流杆结构支撑杆2-折流杆3-滑轨4防短路结构防短路结构可以分为旁路挡板和中间挡板。旁路挡板是保护壳体边界的介质，防止短路。中间挡板主要是防止U形管换热器中间短路的结构。二者的设置数量都取决于公称直径的大小。如表2-2。表2-2防短路结构设置数量表公称直径大小旁路挡板设置数量中间挡板设置数量DN≤500mm一对一块500mm<DN<1000mm二对两块DN≥1000mm三对不少于三块5壳程分程壳成分程是根据设计要求，将换热器的壳程分为多程的结构。3.压力容器上常用的安全泄放装置3.1安全阀安全阀是一种保护装置，在设备或管道正常运行时，处于闭合状态。当设备或管道内的压力升高，超过了设计要求的压力，并达到了安全阀的开启压力，安全阀自动开启，将泄放的介质排到系统外，降低压力，防止超过设计要求的压力。安全阀使用范围很广，很多容器都要用到，它可以保护系统，对人、机、环境都至关重要，是一个不可缺少的环节。3.1.1安全阀工作原理与结构1安全阀工作原理安全阀的结构包含三个部分，阀座、阀瓣和加载机构。安全阀工作原理可以由下面的关系图表示。由上述可知，安全阀就是通过作用在阀瓣上面两个力的不平衡作用，完成开启和关闭过程，从而起到防止设备超压的作用。2安全阀的优缺点及适用场合安全阀的优点是它只排出多余部分的压力，即超过规定的部分，当压力下降，回到常规水平，阀自动关闭，这样就有效的避免设备一旦出现超压，不至于排出所有介质，节省成本的同时，做到保护坏境。另外，安全阀这种泄放装置可重复使用，不像爆破片，只可使用一次便报废；安全阀的安装调整也比较容易。其缺点是密封性不是很严密，不如爆破片，这样就难免在设备正常工作时，介质也可能有轻微的泄漏发生；阀的开启不是很迅速，要在设备内的压力已经超过额定压力后，安全阀才会开启。介质比较干净的气体宜采用安全阀，有毒介质不适合采用，压力升高的比较快的也不宜采用。3.1.2安全阀基本类型按原理分为下列两种。重锤杠杆式安全阀这种安全阀的基础就是杠杆原理，质量较小的重锤，在杆的作用下，传化成较大的作用力，实现阀门的开闭。在使用时，重锤的位置和质量，都是可以改变的，不同的位置和质量，对应不同的开启压力。其结构如图3-1所示。图3-1重锤杠杆式安全阀1-阀罩2-支点3-阀杆4-力点5-导杆6-阀芯7-杠杆8-固定螺钉9-调整螺钉10-重锤11-阀体该安全阀结构简单，即使阀门变高，负荷也不会变大，适用于锅炉和温度高的压力容器等温度高的容器。然而，这是一种相对大而笨重的安全阀，重锤更大，更脆弱，泄漏情况较易发生，如果打开，就更难关闭及密封。弹簧式安全阀弹簧式安全阀的构造原理简单易懂，弹簧压缩产生作用力，与阀瓣上的力相平衡，弹簧的压缩量可以变动，来对应不同规格的阀门，通过旋转7-调整螺母来实现。结构如图3-2所示。图3-2弹簧式安全阀a）全启式b)微启式这种安全阀结构合理，因为弹簧的特性，灵敏度高，而且安装位置可以自由选择，哪里有需要就可以安装到哪里。其缺点是对其所施加的载荷，及弹簧的负载和阀门有关，阀门打开，弹簧压缩，随着阀门打开的空间变大，弹簧的压缩也会变大，对阀瓣的力就会变大，这一系列的因果关系，最终结算到安全阀的启动速度，会让阀的动作反应变慢，但这需要长期的使用，才会对阀产生实质性的作用，所以在应用上，通常还是选择弹簧式安全阀。此外，在使用较长时间后，弹簧的弹力会下降。按开启高度分两种。全启式安全阀全启式的开启高度≥流道直径的1/4，即(d0是喉径)，如图3-2a)所示。微启式安全阀微启式的开启高度＜流道直径的1/4，即，如图3-2b)所示。通常在阀座上放置一个调节圈，用来调节阀瓣的开启。3.1.3安全阀的安装安全阀能否正常工作并在超压时迅速动作，与其安装是否正确有很大关系。安装位置不对，安装方式不正确，排放管道等不适当的安全阀，不仅会失去其本身的作用，还有可能引发意料之外的事故。安全阀安装要求如下：安全阀要垂直放置；安全阀连接设备的管子不应太长和弯曲不平。弹簧式安全阀应有提开手把，以及固定螺钉位置的装置。设备一个口安装≥2个安全阀的情况下，入口面积需大于安全阀横面积的和。安全阀与容器之间一般不宜装设截止阀门。但对于盛装易燃介质、有毒介质的场所，需要配备。但要特别说明的是，截止阀的装设不能对安全阀的作用起到任何影响。另外，正常工作时期，截止阀必须处于开放状态，不影响安全阀的泄放。安全阀可以装设导管，导管可以将排放介质引至安全地点，保证容器的正常工作；若将可燃气体排入大气中，可以采取火炬排放，但若要将气体释放到空气中，周围不能有隐藏火源，相对空旷的地方比较合适；另外要防止静电发生积聚。3.1.4安全阀常见故障及其处理安全阀泄漏其原因和排除方法如下：不在规定的整定压力下开启其原因和排除方法如下：不能完全开启其原因和排除方法如下：阀瓣振动阀瓣振动即阀门频繁启闭。其原因和排除方法如下：排气后阀不能及时回座其原因和排除方法如下：3.2爆破片3.2.1爆破片工作原理与结构1爆破片工作原理爆破片（也叫爆破膜）是一种由于进出口介质压力不同，在高压力差作用下，膜片发生破裂，完成自动泄压的装置，是一次性使用泄压装置。其结构简单，动作反应迅速，此外，爆破片有一定的预判性，压力升高至危险压力，爆破片就会立刻动作，杜绝爆炸危险的发生。结构见下图（图3-3）。图3-3爆破片结构图1-法兰2-下夹持器3-爆破片4-上夹持器2爆破片优缺点爆破片好处是其密封性能，与安全阀相比要更好一些，这得益于其密闭的结构；爆破反应迅速，泄压速度快；当设备内的气体含有异物或污垢时，对泄压装置的影响较小。缺点是在泄压结束，组件破裂，装置损坏，设备暂停，需要对爆破片和相应泄压装置进行更换；爆破组件因为长期遭受高压，元件寿命不如安全阀长。3.2.2爆破片基本类型按照爆破片的形状，可大致将其分为三类。图3-4爆破片型式图平板形爆破片爆破片呈平板形，型式简单，使用方便，但抗疲劳性比较差，适用于压力不高且相对稳定的场合。正拱形爆破片爆破片安装后，拱的凹面在高压侧。与第一种相比，这种爆破片寿命长，耐疲劳，准确度和精度也很高。通常有以下三种形式。普通形，如图3-4a)所示；开缝形，如图3-4b)所示；带槽形。反拱形爆破片(失稳破坏形)爆破片安装后，拱的凸面在高压侧，爆破片在工作过程中，受到压缩，且由于其不稳定，被迫翻转后，原凹面上的刀具把它切破，或着整片脱落弹出，如图3-4c)和图3-4d)所示。3.2.3爆破片的安装爆破片安装时，应根据设备的用途，设备内的介质性质，设备运转条件等，来确定其安装位置。爆破片独立使用的话，普遍在它的进口处放置一个截止阀，它的作用是在更换爆破片时切断气流。正常工作情况，阀全开，并加以固定。爆破片的泄放管道，要有辅助装置来支撑，这样在承压比较严重的时候，爆破片不会因为过大的压力受到损伤。当爆破压力过高时，还要思考到爆破时的反冲力与振动。3.3易熔塞易熔塞基本思想是在容器中使用低熔点合金，温度越高，越会熔化，管道打开，空间膨胀，气体逸出。这种装置结构简单，方便更换，易控制。但是不能二次使用，实际工程中较为麻烦。一般用于气体压力不大，完全由温度的高低来确定的容器。易熔塞这种装置，一般在冷冻系统使用。正常工作时，如果压力上升到很高水平，制冷剂的温度也会上升到很高水平。当温度上升高到易熔金的熔融温度时，金属瞬间熔化，空间发生增大，制冷剂排放到大气，起到保护人、机、环境安全的目的。3.4安全阀与爆破片联合使用3.4.1安全阀与爆破片串联使用安全阀与爆破片串联，有两种说明，如图3-5所示。图3-5安全阀与爆破片串联使用爆破片安装在安全阀进口处是常见的安装形式。正常工作时，爆破片作为最初的保护装置，发挥它的作用。如果系统压力升高，达到爆破压力，爆破片先动作，然后安全阀紧随其后，开始泄压。待压力下降到正常水平后，安全阀重新闭合，恢复到最开始的状态。这种布设方式较大程度的避免了安全阀容易受到介质影响的后果。另外检验安全阀时，不用像平时一样，比较麻烦的拆下安全阀，可以直接向安全阀与爆破片之间充压，如果安全阀没有发生泄漏，装置就是完好无损的。爆破片安装在安全阀出口处这种形式的安装，适用于比较干净的高价气体，或有剧毒的气体。爆破片在未动作时，会一直处于高温、高压的环境下，这种长期的作用，会让爆破片产生疲劳性，这种安装的好处就是可以让爆破片免受这种疲劳。安全阀在使用时，比较容易发生泄漏，介质就有可能从空隙流出来，如果长期如此，会造成浪费，而爆破片放在安全阀的出口，就可以避免这种浪费，很大程度做到了保护环境，体现了绿色理念。值得注意的是，爆破片与安全阀串联的话，爆破片爆破后会存在残留的碎片，这些碎片不能妨碍安全阀的正常运行；其出口通道面积不得小于安全阀的入口面积；爆破片和安全阀之间的空隙，尽量安装一个压力表和一个排气阀，起到指示和排放积聚介质的作用。3.4.2安全阀与爆破片并联使用这种布设方式如图3-6所示，物理过程中产生的超压，由安全阀释放，剧烈化学反应中产生的超压，则由爆破片和安全阀共同泄放。在此布局下，安全阀被用作主要的泄压装置，爆破片是一个辅助的装置，只有发生事故，才会启动。例如发生火灾，或外来能量加热导致设备超压时，爆破片和安全阀一起完成泄压的工作。图3-6安全阀与爆破片并联使用3.4.3安全阀与爆破片串、并联组合使用这种布局是串并联的组合，如图3-7所示。并联的爆破片爆破压力应该设置的高一点，串联的设置的低一点。当系统出现超压情况，爆破压力低的串联爆破片先开启，此时，压力继续增加，达到并联的爆破压力时，并联的爆破片开启，起到双重保护的目的。图3-7安全阀与爆破片串、并联组合使用4.管壳式换热器安全泄放装置计算与设计4.1管壳式换热器基本参数5.1.1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。4.1.2一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。4.1.3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%39.9149.667.021.450.920.380.260.150.120.054.2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。4.2.1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。4.2.2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）4.2.3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。5.3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==13.6×35.944×=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。5.4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5.5安全阀安装、校检与维护5.5.1安全阀安装A42Y-40C安全阀安装在W502换