液氨储罐设计及温控系统设计文献综述.doc

1、南 华 大 学毕 业 设 计 (论 文 )综 述 报 告题 目 50m 3 液氨储罐设计及温控系统设计 学院名称 机械工程学院 指导教师 冯 小 康 职 称 教 授 班 级 过控 1102 班 学 号 20114420226 学生姓名 刘 洪 2015 年 4 月 23 日1. 本设计研究的目的和意义液氨主要用于生产硝酸、尿素和其他化学肥料，还可用作医药和农药的原料。在国防工业中，用于制造火箭、导弹的推进剂。可用作有机化工产品的氨化原料， 还可用作冷冻剂。NH3 分子中的孤电子对倾向于和别的分子或离子形成配位 键，生成各种形式的氨合物。如Ag(NH3)2+、Cu(NH3)42+、BF3NH3

2、等都是以 NH3 为配位的配合物。液氨是一个很好的溶剂，由于分子的极性和存在 氢键 ，液氨在 许多物理性质方面同水非常相似。一些活泼的金属可以从水中置 换氢和生成氢氧化物，在液氨中就不那么容易置换氢。但液氨能够溶解金属生成一种蓝色溶液。 这种金属液氨溶液能 够导电，并 缓慢分解放出氢气，有强还原性。例如钠的液氨溶液： 金属液氨溶液显蓝色，能导电并有强还原性的原因是因为在溶液中生成“氨合电子” 的缘故。例如金属钠溶解在液氨中时失去它的价电子生成正电子： 液氨加热至 800850，在镍基催化剂作用下，将氨进行分解，可以得到含75%H2、25%N2 的氢氮混合气体。用此法制得的气体是一种良好的保护气

3、体，可以广泛地应用于半导体工业、冶金工业，以及需要保护气氛的其他工业 和科学研究中。2. 本设计国内外研究现状 2.1 国外研究现状液氨储存是液氨工业中非常重要的一个环节, 但对液氨接收站或调峰型液化工厂来说占有很高的投资比例,因此世界上许多国家都非常重视大型常压液氨储罐设计和制造。阿尔及利亚、文莱和印度尼西亚等液氨 输出国和英国、法国、日本等输入国都建有大量大型常压液氨储罐。目前液氨在亚洲应 用量最大, 占全球 78%, 其中日本应用量占全球 62%。储罐形式取决于容量大小、投资费用、安全因素及当地的建造条件等。目前世界上不少国家都有能力和技术建造大中型常压储罐。2.2 国内研究现状近几年，

4、我国液氨市场发 展迅速， 产品产出持续扩张，国家产业政策鼓励液氨产业向高技术含量产品发展，国内企业 新增投资项目逐渐增多，投 资 者对液氨市场的关 注越来越密切，这使得液氨市场推广策略与 营销渠道开发的研究需求增大，系统的市场调研成为企业了解液氨市场的必要手段。3. 目前存在的主要问题在储罐检验中经常发现的危险性缺陷包括:焊接造成的热裂纹、冷裂 纹还有延迟裂纹;热处理措施不当造成的再热裂纹;制造过程中形成的原始埋藏面型缺陷(包括埋藏裂纹、未焊透以及未熔合);介质作用形成的应力腐蚀裂纹(包括含湿硫化氢介质的、氨介质的和氯离子作用下的应力腐蚀裂纹);氢鼓包等。4. 本设计拟解决的关键问题和研究方法

5、本设计首先从研究液氨的特有性质入手， 对液氨进行结构 设计、 强度校核以及温度控制系统设计。卧式储罐主要由壳体、管法兰 接头、人孔接管、安全阀等组成。在结构设计， 强度校核过程中，关键是合理选取储罐的 设计压力、充装量的确定、考虑 H2S 应力腐蚀、管法兰的设计、安全阀截面积计算。在温度控制系 统设计过程中，由于整个液氨卧式储罐盛装的是易燃、易爆介质, 对于安全放火要求很高, 因此, 使盛装液氨的容器温度压力不致升得过高, 是防止事故产生的最关键的因素.此设计正是通过由这些部件失效可能引起的突发事件等多角度考虑， 预防系统发生故障、失效，提高储罐的安全性、可靠性来进行设计的。5. 文献综述氨气

6、是我国危化品事故发生率较多的危化品之一，氨又称液氨，它是有毒可燃气体，氨的用途较为广泛，可制作铵盐 、硝酸 铵和尿素，还可用做冷藏库的制冷剂等等，无色、有刺激性恶臭气味，液态呈强碱性，与空气形成爆炸性混合气体，遇明火、高温可引起燃烧爆炸。氨气具强腐蚀性，对接触的皮肤 组织都有腐蚀和刺激作用，氨气中毒后喉咙、口腔感觉明显刺激，氨气吸入人体，容易通过 肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧功能。短期内吸入大量氨气后可出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、痰 带血丝、胸闷、呼吸困难等，严重者可发生肺水肿。空气中氨气浓度达 500700mg/m3 时，可能出现“闪电式”死亡，吸入氨气过多，导致血液中氨浓度过

7、高，将引起心 脏停搏和呼吸停止，危及生命。氨气发生泄漏时，由液相变为 气相，液氨会迅速气化，体积迅速扩大，没有及时气化的液氨以液滴的形式雾化在蒸气中；在泄漏初期，由于液氨的部分蒸 发，使得氨蒸气的云 团密度高于空气密度，氨气随风飘 移，易形成大面 积染毒区和燃 烧爆炸区。氨有毒、有刺激性和恶臭味的气体，容易挥发，氨泄漏至大气中，扩散到一定的范围，易造成急性中毒和灼伤，每立方米空气中最高允 许浓度为 30mg/m3，当空气中氨的含量达到0.5-0.6%，30 分钟内即可造成人员中毒；氨气侵入人体的主要途径是皮肤、感 觉气管、呼吸道和消化道等部位。轻度中毒症状 为：眼口有干辣感、流泪、流鼻涕、咳嗽

8、、声音嘶哑、吞烟食物困难、头昏疼痛，检查时可见眼膜充血水肿，肺部可听到少数干罗音；重度中毒症状为：在高浓度氨气作用下，头、面部等外露部位皮肤或造成重二度化学灼伤，还可出现昏迷、精神错乱、痉挛，也可造成心肌炎或心力衰竭，少数因反射性声门痉挛或呼吸停止呈触电式死亡。氨既是有毒气体，又是一种可燃气体，氨的自燃点为 651，燃烧值为 2.37-2.51J/m3，临界温度为 132.5，临界压力为 11.4Mpa，氨在空气中的含量达 11-14%时，遇明火即可燃烧，其火焰呈黄绿色，有油类存在 时，更增加燃 烧危险；当空气中氨的含量达 15.7%-27.4%时，遇火源就会引起爆炸，最易引燃浓度 17%，产

9、生最大爆炸压力 0.58Mpa；液氨容器受热会膨胀，压力会升高，能使钢瓶或储罐爆炸。氨都是通过加压或冷却，由气 态变为液态储存在容器内的，由于液氨储存的方式不同、容器内的压力不同、发生泄漏的部位、裂口大小等各不相同，采取堵漏、输转等措施时，技 术要求高，处置难度大。整个液氨卧式储罐盛装的是易燃、易爆介质, 对于安全放火要求很高, 因此, 使盛装液化石油气的容器温度压力不致升得过高, 是防止事故产生的最关键的因素。夏季地表因太阳直射温度很高, 需要给储罐设 置降温装置, 然而人工操作进行喷淋劳动强度大, 需要进行频繁的巡 视,造成诸多不便, 基于此, 设计一种自动控制系统,当储罐内介质温度达到设

10、定值时进行 喷淋操作以降温。本设计中, 设计压力为 2.16MPa, 设计温度为-20-50, 储液为易燃易爆液氨 , 故设计储罐为 3 类压力容器. 对于整个控制过程中被控变量的选择是本控制系统的关键所在, 温度、 压力、液位三者都可以作为被控变量. 考虑储罐的充装系数为 0. 85( 随温度不同而改变 ) , 故随着温度上升, 液体膨 胀有足够的空间, 所以不考虑液体膨胀所产生的压力. 考虑到储罐内的工作压力因介质的温度的变化而变化, 所以可对温度进行直接控制, 而对压力进行间接控制.同温度下, 液氨的饱和蒸汽压如表 2 所示表 2 液氨 10 50时饱和蒸汽(绝)温度 10 20 30

11、40 50饱和蒸汽压kPa614.89 857.06 1166.50 1154.20 2032.50可见随着温度上升, 储罐内压力随之上升. 故可对储罐温度进行直接控制, 而间接控制其压力.本次设计中设计温度为 50, 故只要控制储罐温度最高不超过 50, 储罐就可安全使用.考虑到一些现实的不确定因素, 如设备的老化或失灵, 本套控制系统采用自动喷淋和自动报警两套方案以确保安全.以储罐作为被控对象，本次 设计采用两套独立的控制系 统, 将自动喷淋和自动报警分开. 当温度达到 48时, 系统自动喷淋; 当温度达到 50 时,报警装置发出报警. 此时若自动喷淋装置失效, 则报警同时也将接通水泵,

12、进行喷淋, 从而保证对温度的有效控制.控制原理是: 由温度测量仪器检测储罐内温度, 如高于 48 则调节器发出动作, 启动水泵进行喷淋降温. 控制系统见图 1控制系统方框图 16. 参考文献 1国家技术监督局发布, GB150-2011钢制压力容器,中国标准出版社；2 全国化工设备设计技术中心站 ,标准零部件, 中国标准出版社；3 马都编 ,燃气压力容器, 中国建筑工业出版社 , 1986 年 3月；4 煤气设计手册编写组编, 煤气设计手册（上册）, 中国建筑工业出版社，1983 年 8月；5 郑津洋、陈志平编著,特殊压力容器化学工业出版社,1996 年 12月；6 郑津洋、董其伍、桑芝富主编

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