液体硝酸铵储存输送工艺与储罐的设计.pdf

1 6 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 1 卷第2 期 液体硝酸铵储存输送工艺与储罐的设计’ 杨民刚夏光粟峰雷 煤炭科学研究总院爆破技术研究所 安徽淮北，2 3 5 0 0 0 [ 摘要] 通过对直接用于工业炸药生产的液体硝酸铵工艺参数的分析，提出液体硝酸铵储存输送的工艺途径， 有泵送或高位差输送或两者结合等形式；论述了适合液体硝酸铵储存的储罐结构形式，储罐为薄壁容器，设计多采 用立式圆筒形结构，封头多采用平盖，半椭圆形和锥形；文章还研讨了液体硝酸铵储罐和储存输送控制系统的设计 方法。 [ 关键词] 液体硝酸铵输送工艺储罐设计 [ 分类号] T J 5 5T D 2 3 5 ．2 l 引言 多年来，国内工业炸药生产厂家多采用固体硝 酸铵制造工业炸药，国外直接采用硝酸铵饱和溶液 即液体硝酸铵 生产工业炸药已成主流。直接使 用液体硝酸铵生产工业炸药可节能降耗、降低成本、 减轻劳动、清洁生产，符合民爆行业技术进步指导意 见和国家倡导的节能减排、低碳经济的政策要 求【l ’2 I 。这种直接使用液体硝酸铵进行工业炸药生 产的方法，涉及到液体硝酸铵储存输送工艺、储罐形 式与结构、安全联锁控制等技术问题，也是这种使用 方法需要解决的重要内容。 1 液体硝酸铵的储存与输送工艺 1 ．1 液体硝酸铵技术参数 在硝酸铵制造厂对硝酸铵溶液不进行结晶造 粒，将硝酸铵溶液直接储存或灌人到液体硝酸铵运 输车上，运送到炸药生产企业，在对相关参数调整与 炸药配方相适应后用于炸药生产中。因而应了解和 掌握液体硝酸铵有关技术特性。 影响液体硝酸铵使用的工艺技术参数主要有温 度、浓度、p H 值、密度等，液体硝酸铵不同的制造工 艺和设备对这些参数有所影响【3 】，出厂时技术参数 一般控制在温度9 0 一1 3 0 0 C ，浓度8 6 ％～9 l o k ，p H 值控制在5 7 【‘3 之间，密度随温度和浓度而变化， 液体硝酸铵温度高，浓度大晡】。胶状乳化炸药、粉 状乳化炸药、水胶炸药、膨化硝铵炸药以及不同的工 艺和配方对液体硝酸铵的技术要求有所差异，但在 上述范围内都可进行调整。 1 ．2 物料输送工艺特点 液体硝酸铵直接用于工业炸药生产，其过程是 把槽罐车运来的液体硝酸铵存放到储罐，在生产使 用时将储罐内的液体硝酸铵按配比加入到水相溶解 罐，达到工艺要求后待下道工序使用。液体硝酸铵 从槽罐车到储罐，再从储罐到水相溶解罐，要经过输 送、储存、搅拌、保温、控制等过程，研究分析相关工 艺过程与特点，有助于设计合理的输送储存工艺和 安全生产。 液体物料的输送一般有两种方式，一是利用高 位差自然流入的方式；另一种是利用动力输送，采用 泵或压缩空气等方式输送液体。 1 ．2 ．1 高位差输送料液工艺形式 借助槽罐车、储罐和水相溶解罐的停放和高度 落差，使液体硝酸铵由运输槽罐车输送至储罐，生产 使用时由储罐流入水相溶解罐，硝酸铵料液的进出 输送过程无须任何动力，如图l 所示。 图1 高位差进出料工艺示意图 这种工艺的主要特点 1 无需安装卸料泵和给料泵，节省了泵的购置 和日常维护费用； 2 输送管道内卸料彻底，无死角，避免了液体 硝酸铵滞留在管道内结晶堵塞的可能性 。 收稿日期2 0 1 1 - 1 1 - 1 7 作者简介杨民尉 1 9 5 9 一 ，研究员，从事民爆工艺设备的研究和管理。V ．- m a i l h b y m g s i t a r ．Ⅻ 万方数据 2 0 1 2 年4 月液体硝酸铵储存输送工艺与储罐的设计杨民刚等 1 7 3 由于采用自然流人的方式卸料和给料，同样 直径的管线，与泵送相比，高位差进出料工艺需要时 间较长，效率不高。 1 ．2 ．2 ．泵送进出料工艺及特点 运输槽罐车、储罐、水相溶解罐的停放和安装平 面依次升高。需要借助泵将液体硝酸铵由运输槽罐 车泵送到储罐，生产使用时，再利用泵把硝酸铵料液 送到水相溶解罐，工艺过程如图2 所示。 图2 泵送进出料工艺示意图 这种工艺有下述特征 1 适用于设备装置的安装平面随料液输送方 向而升高； 2 卸料与给料速度快，效率高； 3 输送管道内料液容易残留，如不及时排出清 理，结晶后堵塞管路； 4 购置输送泵，泵送进出料工艺增加了投资和 日常维护费用。 另外，也可采用压缩空气取代输送泵压送液体 硝酸铵。 1 ．2 ．3 储罐进出料管设置方式 高位差输送料液工艺形式进料口一般设置在罐 顶，出料口设置在罐壁上。泵送料液工艺进出料口 通常设在储罐罐顶。无论哪种输送方式，进料管路 拟伸入至距罐底约4 0 0m n l 处，这样可以减轻液体 硝酸铵进入时对罐底的冲击，也可以避免因液体与 罐底的冲击产生的液体飞溅，减缓液体的传热速度。 出料管路设置在罐内中心处，管口距罐底约1 0 0 m m ，这样储罐卸料彻底干净，而不会将杂质带入下 一道工序。为避免料液在管路内滞留结晶，进出料 管应向罐体方向倾斜一定角度，在管路最低处设置 排料阀门，以排出管路内料液。同时，为保持料液的 工艺要求温度。对进出料管路应进行保温处理。如 果料液含有固体杂质，可在进入下道工序的管路上 设置便于清理的提篮式过滤装置。 卸放储存和排出液体硝酸铵，其输送的工艺过 程设计不外乎上述几种情况或其组合。在工程设计 实践中，往往依据地形、使用便捷程度、投资额度等 因素综合考虑确定。 2 储罐设计 2 ．1 结构形式 按几何形状储罐主要有立式圆筒形储罐、卧式 圆筒形储罐和球形储罐三种形式。通常在大气环境 温度下，气相压力接近于常压时，储存液体通常采用 立式圆筒形储罐，但当容量小于1 0 0l r 1 3 时，也常采 用卧式储罐，球形储罐一般储存压力气体[ 6 】。圆筒 形储罐存料量与液位高度成线性关系，便于判断储 罐的存料量。封头采用平底或锥底，一般需考虑料 液纯净程度，锥形底储罐的锥底使储液中的杂质便 于沉降集中于储罐底中心的最低集液槽中，可及时 排出罐外，有利于降低硝酸铵液体中杂质的含 量【_ 。以液体硝酸铵的温度、储存压力、存量综合 考虑，其储罐筒体宜采用立式圆筒形。需要指出，非 平底的立式和卧式储罐、球形储罐需要支座支撑。 2 ．2 罐壁设计 化工容器多数是薄壁容器，其特征是壁厚与内 径之比≤1 ／1 0 ，即壳体外径与内径之比K ≤1 ．2 。液 体硝酸铵储罐属于薄壁容器。因此，在设计中仅考 虑环向薄膜应力的作用，罐壁的厚度是由强度条件 确定。另外也应考虑在风向载荷和地震条件下的稳 定性。 液体硝酸铵储罐仅受液体静压力的作用，一般 采用定点设计法确定罐壁的厚度，按下式计算∞J l l 0 ．0 0 4 9 p H i - 0 ．3 O l [ 盯] ‘妒 C l C 2 t 2 4 ．9 日i O ．3 D I [ 矿] 妒 C l 取t l 、t 2 中最大值。 式中t ，为按照储液条件确定的设计厚度，I T I B I ；t 为 充水试验条件确定的设计厚度，m m ；p 为储液密度， k g ／m 3 ；凰为设计液面至第i 层钢板下端的高度，n l ； D 为储罐内直径，m ；[ 盯] ‘为设计温度下，罐壁钢材 的许用应力，M P a ．[ o - ] 为常温下罐壁钢材的许用应 力，M P a ；为焊缝系数，妒≤1 ．0 ；C 。为钢板的厚度， 负偏差，m m ；C 2 为腐蚀裕量，m m 。 2 ．3 封头设计 封头指与容器两端连接的密封盖体，主要有平 盖、半椭圆、蝶形、锥形等形式。储罐的封头就是罐 顶和罐底，罐顶一般多采用平盖形、半椭圆形和锥 形，罐底多采用平板形和锥形。 平盖制造简单，适用于压力不大的容器封头，在 同样压力下。比凸形封头厚得多，边缘受力情况比较 复杂。半椭圆形封头应力情况好于蝶形封头。蝶形 封头具有较小的折边半径，导致应力状况较差。锥 形封头的优点是有利于液体均匀分布和排料，锥顶 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a L s第4 1 卷第2 期 强度很高。另外，封头愈深，直径与壁厚愈大，加工 制造愈难。可见，液体硝酸铵储罐封头以采用平盖 形、半椭圆形和锥形较为合适。具体选型要依据安 装地形、物料情况、输送方式等确定。 相对而言，平盖形封头使用较多，作为罐顶平盖 厚度通常按下式计算旧j S D I 睁／[ 盯] ‘ - 1 ／2 c 式中S 为平盖厚度，m m ；C 为壁厚附加量，m m ；p 为 设计压力。k g ／c m 2 ；D ，为计算直径，r a m ；[ 盯] ‘为材 料许用应力，k g ／c m 2 ；K 为结构特征系数。 作为平罐底，其下表面与基础接触，且紧密贴 合，通常按储罐内径和底板材质确定厚度。 罐顶中心应设通气孔，用于储罐进出料时，保持 储罐内外压力平衡。同时设置方便工作人员维修的 公称直径一般为5 0 0r l L I R 的出入孔。 2 ．4 储罐的保温与附件设计 硝酸铵的溶解度受温度影响较为明显，随温度 的升高而增大。在储存和使用过程中，不可避免的 有热损耗，温度下降。工业炸药生产中所需硝酸铵 溶液的质量分数都在9 0 ％左右，温度若不能达到要 求，便会有析晶现象。因此必须对储罐进行加热和 保温。加热通常采用夹套通蒸汽方式，也可以通过 在罐内设置蒸汽盘管对液体硝酸铵加热。储罐内设 置蒸汽盘管加热方式具有简便易行、安全可靠、效率 高等特点，一般常被采用。另外，储罐内的液体硝酸 铵的液位是随着使用或进料而变化的，加热盘管亦 应分段设置，并且每段加热盘管蒸汽进口有独立的 阀门控制。保温是在罐体外壁施加保温材料减少热 量损失，保温材料应具有使用寿命长、组织稳定性 高、密度小、导热率低、含水量少、抗压性能好、耐高 温和不易燃等特点。通常采用聚氨酯填充和硅酸盐 保温浆料涂抹等方法。 为方便人工检修，罐体内外应设有逆时针旋转 盘梯或爬梯，并考虑设置扶手。对卧式和球形储罐， 还应设置支座。考虑到储存物料的特性和出现异常 温度情况，储罐顶部设置自动雨淋装置。 2 ．5 储罐的搅拌 液体硝酸铵静置一定的时间，上下温度会发生 变化，如不及时搅拌混合，会造成液体热量分布不均 匀，局部液体温度偏低导致析晶，局部液体温度偏高 造成热聚集，发生危险。液体的搅拌方式主要有机 械搅拌、压缩空气搅拌和射流混合搅拌等[ 9 】。 机械搅拌通常安装在罐壁，应考虑的主要问题 是保证良好密封，以阻止料液外泄，这种方式时常还 要更换密封部件。 压缩空气搅拌方式是将压缩空气引入料液内， 翻动搅拌料液压缩空气，促使热量散发，但增加了对 罐内液体的加热次数，不利于降低能耗。同时压缩 空气与液体摩擦易产生静电，对安全不利。因此压 缩空气搅拌不适合液体硝酸铵的搅拌。 射流搅拌器通常安装在罐壁上，利用罐体外部 的泵将罐内的液体抽出加压后经喷射口喷出形成高 压液体射流进人罐内，高压液体射流带动罐内液体 扰动实现液体的混合均匀。由于射流混合方式的料 液进出管路均固定在罐壁，不存在密封和泄漏的问 题，简单实用，且动力设在罐外，安全可靠，因而多数 采用此工艺方式搅拌。 3 控制系统设计 液体硝酸铵输送与储存主要控制参数有温度、 料位、流量，并应根据各参数变化情况和工艺要求及 时进行自动控制与调整，保证各参数在工艺要求的 范围内运行。此即设置自动控制的目的和意义。 控制湿度对液体硝酸铵储存系统较为重要，储 罐高、体积大，罐内液体温度分布均匀性差，沿高度 方向形成温度差，因此进行储罐温度控制系统设计 时应在不同高度处安装温度传感器，以掌握和控制 不同高度范围内的温度。储罐料位与流出量控制主 要是储罐的进料与放料过程，其料位高低和流出量 大小关系到水楣配料精度。 ‘ 当储罐内料液温度、料位和流出量不在工艺要 求的范围内时，通过相应的传感器测量，将获取的量 值转换成电信号传给控制系统，经信息处理后，发出 控制信号自动调节执行机构，使被控制参数恢复到 许可范围。同时，流出量达到要求或工艺参数超出 安全上限时应自动报警启动相关安全设施或自动停 机。作业现场和控制室设有参数显示仪表，并可远 程控制。 另外，液体硝酸铵长时间在储罐内储存，温度大 于1 0 0 ℃时，会导致水分蒸发，浓度变化，通常在水 相溶解工序进行浓度检测，也可将检测装置设置在 液体硝酸铵储罐内进行在线检测，将信息反馈给水 相溶解工序进行浓度调节。 总之，液体硝酸铵储存控制系统设计应重点考 虑料液温度、料位和流量，在保证安全的基础上，应 能对其自动调节，以满足实际生产工艺和安全运行 的要求。 4 结束语 液体硝酸铵直接应用于工业炸药的生产是炸药 生产的发展方向，其储存和输送系统工艺有泵送或 高位差输送或两者结合等多种形式，应依地形、复杂 万方数据 2 0 1 2 年4 月液体硝酸铵储存输送工艺与储罐的设计杨民刚等1 9 程度、投资等综合考虑进行选择。储罐为薄壁容器， 设计多采用立式圆筒形结构，封头多采用平盖、半椭 圆形和锥形，同时罐体要考虑加热保温。其搅拌装置 宜采用射流搅拌方式。系统通过自动控制系统能自 动调节料液温度、液位和卸料流量。 参考文献 ． [ 1 ]连清滨．液体硝酸铵直接在膨化硝铵炸药生产中的应 用[ J ] ．爆破器材，2 0 1 0 ，3 9 2 2 0 - 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a l l yd e s i g n e d 聃t h i nw a l l e da n dv e r t i c a lc y l i n d r i c a lt y p e ，a n dt h eh e a dw a sf i a t ，s e m ie l l i p t i co rc o n es h a p e d ．T h ed e s i g n m e t h o do fs t o r a g et a n ka n dt h ec o n t r o ls y s t e mo fs t o r ea n dt r a n s p o r t a t i o nw e r ea l s od i s c u s s e d ． [ K E YW O R D S ] l i q u i d 田- n m o n i u mm t m t e ，t r a n s p o r t a t i o np r o c e s s ，s t o r a g et a n k ，d 髑i g n l 玻璃微球对乳化炸药冲击感度的影响 有色金属} 2 0 0 1 ，5 3 2 ，1 5 ，9 中文 冲击感度是用来评估乳化炸药安全性能的一项 重要参数。为了得出用玻璃微球敏化的乳化炸药的 冲击感度，设计了一种方法和发展了计算模式。讨 论了玻璃微球的数量、乳化炸药的密度和其它因素 对乳化炸药冲击感度的影响。在乳化炸药组成中， 乳化炸药的密度随玻璃微球的增加而降低。在一定 密度范围内。临界起爆压力随乳化炸药密度的降低 而增加。换句话说。当炸药的密度降低时，炸药会变 得钝感。这一研究的结果对乳化炸药的生产和应用 有利。 2 硝酸铵和铝粉混合物的爆炸效率 K h i m ．F i z 化学物理杂志 2 0 0 1 ，2 0 3 ，8 9 9 3 俄文 文章提出了使用沙中的漏斗成形法得出松密度 的硝酸铵和铝粉混合物的爆炸性能的实验结果，铝 粉在硝酸铵分解产物中燃烧。测出硝酸铵／铝粉 7 0 ／3 0 混合物的最大爆炸效率为阿蒙尼特炸药 a m m o n i t e6 Z V 的爆炸效率的1 ．7 倍。 3 粒状抗水炸药 俄国专利R U2 1 4 7 0 1 8 ，2 0 0 0 年5 月2 7 日 俄 文 可用于采矿和采煤的炸药，其中含有用可燃物 包覆的硝酸铵颗粒。这种包覆用的可燃物含有矿 脂、不合沥青的油料或石油浓缩物和沥青。炸药颗 粒的外部包覆层可用滑石和沸石的混合物、滑石和 石膏的混合物或滑石和羧甲基纤维素的混合物。这 种粒状抗水和流散性的炸药具有所需的作功能力， 并适用于水淹矿井。 钟一鹏译自美国化学文摘 V 0 1 ．1 3 5 ，N o ．2 0 2 0 0 1 万方数据