一種新型黃磷罐箱加熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及壓力控制

陳科賓 王安軍

洛陽(yáng)中集凌宇汽車有限公司 河南洛陽(yáng) 471000

1 前言

黃磷又稱為白磷，屬于第4.2類易于自燃的物質(zhì)，次要危險(xiǎn)性6.1，包裝類別I。由于黃磷暴露在空氣中會(huì)產(chǎn)生藍(lán)綠色磷光和白色煙霧，所以在儲(chǔ)存和運(yùn)輸黃磷時(shí)必須隔絕空氣。黃磷在50℃左右呈現(xiàn)為半透明黃色油狀液體，液體密度為2.12 g/cm3，密度大于水且不溶于水[1]。

黃磷主要采用罐式集裝箱進(jìn)行運(yùn)輸，罐體采用不銹鋼材料，配備蒸氣加熱裝置、惰性氣體保護(hù)裝置、壓力控制裝置及安全閥及呼吸閥等安全部件。黃磷罐箱結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。

2 加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 黃磷的運(yùn)輸和虹吸卸料

由于黃磷的密度大于水，當(dāng)黃磷為液態(tài)時(shí)，在重力作用下能夠完全浸沒在水下，所以黃磷在運(yùn)輸過(guò)程中大都采用水進(jìn)行密封，以達(dá)到隔絕空氣的目的。

圖1 黃磷罐箱結(jié)構(gòu)圖

黃磷屬于易燃危險(xiǎn)品，黃磷罐卸料的要求高，難度也較大，如果使用泵類的動(dòng)力設(shè)備，不但設(shè)備的位置無(wú)法固定，而且防止燃燒的措施也難以確保安全。根據(jù)黃磷在50℃左右呈現(xiàn)為半透明黃色油狀液體的特性，現(xiàn)在大部分廠家卸載黃磷時(shí)，均采用虹吸的辦法，即先利用蒸汽加熱把罐內(nèi)黃磷由固態(tài)轉(zhuǎn)換為液態(tài)，再利用虹吸管道對(duì)罐內(nèi)黃磷進(jìn)行卸料。黃磷罐箱設(shè)計(jì)有蒸汽加熱裝置，該裝置隨車配備，由于現(xiàn)在黃磷裝卸處普遍布置有蒸汽源，此方法已經(jīng)為大多數(shù)運(yùn)輸公司所采納。一般的黃磷罐箱沒有配備保溫裝置，運(yùn)輸過(guò)程中黃磷由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，罐體內(nèi)黃磷體積會(huì)變小。但是，由于液體黃磷和固態(tài)黃磷密度相差不大，且黃磷罐容積小于20 000 L，裝載量較小，所以罐內(nèi)黃磷體積變化量較小。又由于罐體配備有呼吸閥，當(dāng)罐內(nèi)外由于體積變化產(chǎn)生的壓力差達(dá)到一定值時(shí)，呼吸閥會(huì)自動(dòng)開啟調(diào)節(jié)，確保罐體安全。

圖2 黃磷罐箱

用罐式集裝箱貯運(yùn)黃磷時(shí)，裝料前先用蒸汽將罐內(nèi)存水加熱到60℃左右，然后將液態(tài)黃磷加入罐內(nèi)使黃磷浸沒在水下，最后在罐內(nèi)水層上方的剩余空間內(nèi)注入氮?dú)庥枰缘?，確保黃磷隔絕空氣。

卸料時(shí)，先用蒸汽將罐內(nèi)黃磷加熱至融化，再通過(guò)罐頂?shù)拿荛]卸料管進(jìn)行虹吸卸料，卸料管距離罐底20 mm左右，管道底端切斜，方便液態(tài)黃磷從側(cè)面進(jìn)入卸料管；卸料管上部帶法蘭，并安裝開啟閥門，帶軟管接頭，連接廠家集液罐。

蒸汽加熱是黃磷裝卸料必經(jīng)的過(guò)程，耗時(shí)較長(zhǎng)，故蒸汽加熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)黃磷罐十分重要，合理有效的蒸汽加熱結(jié)構(gòu)能夠快速高效地對(duì)黃磷加熱使其融化，以達(dá)到裝卸料的條件，提升黃磷運(yùn)輸?shù)墓ぷ餍省?/p>

2.2 蒸汽加熱夾套設(shè)計(jì)

一般生產(chǎn)企業(yè)將罐體底部設(shè)計(jì)為采用多道縱向加熱槽進(jìn)行加熱，加熱槽規(guī)格多采用寬度為60～100 mm的U型件，加熱槽前后端互相貫通，從前到后焊接在罐體底部，罐尾設(shè)置蒸汽進(jìn)出口，通過(guò)輸入蒸汽對(duì)罐內(nèi)黃磷進(jìn)行加熱，此種加熱槽布置方式使得黃磷加熱面積不足且融化時(shí)間長(zhǎng)。普通加熱槽結(jié)構(gòu)如圖3所示。

筆者設(shè)計(jì)的新型罐箱加熱套及蒸汽壓力控制方法，是在普通加熱槽的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，增大加熱面積，安全可靠，能夠快速融解罐內(nèi)黃磷。新型蒸汽加熱貫通夾套是一個(gè)整體的加熱槽，下部完全覆蓋罐體底部，側(cè)面覆蓋高度接近罐體中線位置，夾套表面積達(dá)12m2，占罐體表面積的30%以上，加熱面積大；蒸汽加熱套分為3個(gè)型腔部分，型腔之間通過(guò)管道連通，加熱套內(nèi)部空間利用隔板分割成多個(gè)蒸汽通道，形成循環(huán)通道，引導(dǎo)蒸汽走向，延長(zhǎng)蒸汽通過(guò)時(shí)間，最大化地利用蒸汽熱能，新型加熱貫通夾套如圖4所示。

圖3 普通加熱槽結(jié)構(gòu)

圖4 加熱套結(jié)構(gòu)

3 加熱套蒸汽壓力控制

樣車設(shè)計(jì)的黃磷罐體封頭及罐體均采用6 mm不銹鋼S30408進(jìn)行制作，罐體直段長(zhǎng)度為4 800 mm，罐體兩端為深度565 mm的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。由于貫通加熱套覆蓋面積大，并且加熱時(shí)蒸汽壓力較大，如何保證蒸汽加熱時(shí)罐體的安全是設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。應(yīng)對(duì)罐體所承受的外部許用應(yīng)力以及其與黃磷裝卸料時(shí)蒸汽壓力進(jìn)行比較，以免蒸汽壓力超出罐體許用應(yīng)力對(duì)罐體造成損傷。

根據(jù)GB150.3《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)外壓圓筒的穩(wěn)定性進(jìn)行校核計(jì)算，外壓圓筒壓力公式：

式中，[P]為許用外壓力，MPa；D0為圓筒外直徑，mm；δe為圓筒或球殼的有效厚度，mm；B為外壓應(yīng)力系數(shù)，MPa。

計(jì)算可得，[P]=0.08529 MPa。

由于黃磷在裝卸料時(shí)，其蒸汽接口壓力一般為0.07 MPa，接近筒體許用外壓力0.08529 MPa，故必須在蒸汽管道上設(shè)置安全閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，且使安全閥的開啟壓力小于罐體的許用壓力，故設(shè)置其開啟壓力小于0.08 MPa。通過(guò)在蒸汽出口管道上安裝安全閥對(duì)蒸汽壓力進(jìn)行控制，保證其一直小于罐體的許用應(yīng)力，確保蒸汽壓力高于0.08 MPa時(shí)，安全閥能夠起到保護(hù)罐體的作用，也能夠滿足黃磷快速融化的條件。

4 結(jié)語(yǔ)

該新型加熱套結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于黃磷罐箱，并得到客戶認(rèn)可。新型加熱套結(jié)構(gòu)既節(jié)省了黃磷融化的時(shí)間，提高了黃磷卸料的工作效率，又確保了蒸汽加熱時(shí)罐體的安全。新型加熱套結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單，效果明顯，凡是生產(chǎn)黃磷罐箱的生產(chǎn)企業(yè)，均可以借鑒使用。

[1]姚健,王維.淺談黃磷危險(xiǎn)貨物罐車產(chǎn)品的安全質(zhì)量保證[J].專用汽車,2011(10):49-51.