一种新型黄磷罐箱加热结构设计及压力控制

2018-01-25陈科宾王安军

专用汽车 2018年1期

陈科宾王安军

洛阳中集凌宇汽车有限公司河南洛阳 471000

1 前言

黄磷又称为白磷，属于第4.2类易于自燃的物质，次要危险性6.1，包装类别I。由于黄磷暴露在空气中会产生蓝绿色磷光和白色烟雾，所以在储存和运输黄磷时必须隔绝空气。黄磷在50℃左右呈现为半透明黄色油状液体，液体密度为2.12 g/cm³，密度大于水且不溶于水[1]。

黄磷主要采用罐式集装箱进行运输，罐体采用不锈钢材料，配备蒸气加热装置、惰性气体保护装置、压力控制装置及安全阀及呼吸阀等安全部件。黄磷罐箱结构如图1所示，实物如图2所示。

2 加热系统设计

2.1 黄磷的运输和虹吸卸料

由于黄磷的密度大于水，当黄磷为液态时，在重力作用下能够完全浸没在水下，所以黄磷在运输过程中大都采用水进行密封，以达到隔绝空气的目的。

图1 黄磷罐箱结构图

黄磷属于易燃危险品，黄磷罐卸料的要求高，难度也较大，如果使用泵类的动力设备，不但设备的位置无法固定，而且防止燃烧的措施也难以确保安全。根据黄磷在50℃左右呈现为半透明黄色油状液体的特性，现在大部分厂家卸载黄磷时，均采用虹吸的办法，即先利用蒸汽加热把罐内黄磷由固态转换为液态，再利用虹吸管道对罐内黄磷进行卸料。黄磷罐箱设计有蒸汽加热装置，该装置随车配备，由于现在黄磷装卸处普遍布置有蒸汽源，此方法已经为大多数运输公司所采纳。一般的黄磷罐箱没有配备保温装置，运输过程中黄磷由液态变为固态时，罐体内黄磷体积会变小。但是，由于液体黄磷和固态黄磷密度相差不大，且黄磷罐容积小于20 000 L，装载量较小，所以罐内黄磷体积变化量较小。又由于罐体配备有呼吸阀，当罐内外由于体积变化产生的压力差达到一定值时，呼吸阀会自动开启调节，确保罐体安全。

图2 黄磷罐箱

用罐式集装箱贮运黄磷时，装料前先用蒸汽将罐内存水加热到60℃左右，然后将液态黄磷加入罐内使黄磷浸没在水下，最后在罐内水层上方的剩余空间内注入氮气予以氮封，确保黄磷隔绝空气。

卸料时，先用蒸汽将罐内黄磷加热至融化，再通过罐顶的密闭卸料管进行虹吸卸料，卸料管距离罐底20 mm左右，管道底端切斜，方便液态黄磷从侧面进入卸料管；卸料管上部带法兰，并安装开启阀门，带软管接头，连接厂家集液罐。

蒸汽加热是黄磷装卸料必经的过程，耗时较长，故蒸汽加热结构的设计对黄磷罐十分重要，合理有效的蒸汽加热结构能够快速高效地对黄磷加热使其融化，以达到装卸料的条件，提升黄磷运输的工作效率。

2.2 蒸汽加热夹套设计

一般生产企业将罐体底部设计为采用多道纵向加热槽进行加热，加热槽规格多采用宽度为60～100 mm的U型件，加热槽前后端互相贯通，从前到后焊接在罐体底部，罐尾设置蒸汽进出口，通过输入蒸汽对罐内黄磷进行加热，此种加热槽布置方式使得黄磷加热面积不足且融化时间长。普通加热槽结构如图3所示。

笔者设计的新型罐箱加热套及蒸汽压力控制方法，是在普通加热槽的基础上进行优化改进，增大加热面积，安全可靠，能够快速融解罐内黄磷。新型蒸汽加热贯通夹套是一个整体的加热槽，下部完全覆盖罐体底部，侧面覆盖高度接近罐体中线位置，夹套表面积达12m2，占罐体表面积的30%以上，加热面积大；蒸汽加热套分为3个型腔部分，型腔之间通过管道连通，加热套内部空间利用隔板分割成多个蒸汽通道，形成循环通道，引导蒸汽走向，延长蒸汽通过时间，最大化地利用蒸汽热能，新型加热贯通夹套如图4所示。

图3 普通加热槽结构

图4 加热套结构

3 加热套蒸汽压力控制

样车设计的黄磷罐体封头及罐体均采用6 mm不锈钢S30408进行制作，罐体直段长度为4 800 mm，罐体两端为深度565 mm的标准椭圆封头。由于贯通加热套覆盖面积大，并且加热时蒸汽压力较大，如何保证蒸汽加热时罐体的安全是设计中的重要环节。应对罐体所承受的外部许用应力以及其与黄磷装卸料时蒸汽压力进行比较，以免蒸汽压力超出罐体许用应力对罐体造成损伤。

根据GB150.3《压力容器》标准，对外压圆筒的稳定性进行校核计算，外压圆筒压力公式：

式中，[P]为许用外压力，MPa；D0为圆筒外直径，mm；δe为圆筒或球壳的有效厚度，mm；B为外压应力系数，MPa。

计算可得，[P]=0.08529 MPa。

由于黄磷在装卸料时，其蒸汽接口压力一般为0.07 MPa，接近筒体许用外压力0.08529 MPa，故必须在蒸汽管道上设置安全阀进行调节，且使安全阀的开启压力小于罐体的许用压力，故设置其开启压力小于0.08 MPa。通过在蒸汽出口管道上安装安全阀对蒸汽压力进行控制，保证其一直小于罐体的许用应力，确保蒸汽压力高于0.08 MPa时，安全阀能够起到保护罐体的作用，也能够满足黄磷快速融化的条件。