粉体料仓的设计.pdf

设备 与防腐 齐 备 石 油 化 工 ， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 1 ) ： 6 4 6 7 q iu j p e t r o c h e m ic a l t e c h n o l o g y 粉 体 料 仓 的 设 计 李诚张秀坤 ( 齐鲁石化公 司研 究院 ， 山东 淄博 ， 2 5 5 4 0 0 ) 摘要详 细介绍 了粉 体料仓结柯设计的一般步骤 包括料仓 设计 中最 为重要 的流型的选择 、 料斗半顶角 的确定 等。井对 科仓结构设计 中常涉及到却又被设计者忽略的粉体擤炸 的防护 、 料仓 静 电防护 以及某些具体 焊接结构细节 等问题进行 了探讨。 关键词糟 体料仓流 型整体流中心流防撂防静电重力均化焊接结柯 中田分类号 ： t 5 1 2 文| i 标识码 ： b 文章缩号 ： 1 0 0 9 9 8 5 9 ( 2 0 0 2 ) 0 1 一o 9 6 4 0 4 料仓是化工生产 中的重要设备 ， 它不仅用于 储存工艺粉体物料 ( 原料、 产品、 中间产品等 ) 和辅 助物料( 如催化剂等) ， 而且用作均化物料性能、 平 衡工艺物料以及事故情 况下的物料紧急存放 等。 早期的料仓设计者 认为散 粒状 固体 的行 为象 液 体 ， 所 以料仓的结构设计 以当量液体 的压力为依 据 ， 然而后人的一系列试验表明 ， 料仓壁所受到的 压力并非 自上而下随着仓深线性增加 ， 而是部分 散料的重力 通过摩擦传递到壁上， 结果作用在仓 底及下半部仓壁上的压力要比依液体性质而预计 的要小得 多。1 8 9 5年 j a n s s e n 推导 出一个计 算 圆柱形料仓压力分布的公式 ， 基本上符合实际测 收籍 日期 ： 2 0 0 1 1 0 1 0 ： 恬 回 日期 2 0 01 1 2 3 0 作者简介 ： 李诚 男 2 8岁 助工 1 9 9 5年 毕业于江 苏石 油 化工学 院化工机械与设备专业 从事化工 设备 设计至今。电 话 ： ( 0 5 3 3 ) 7 5 8 9 6 6 4 。 ( 4 ) 截至 1 2月底 ， 4 7台罐车 已安全运行了半 年， 不仅满足了生产的需要 ， 而且盘活了资产。此 液氯车改装轻 烃的改造 目前为国内首次 ， 为同行 业类似改造提供了可借鉴的模式。 符 号 说 明 轻烃的充装系数， t ； n轻烃的密度， t m3 ； w 罐车允许的最大充装质量， t ； v罐车容积， m ； 充装系数， t m ； d。 罐体外径 ， m； l罐体总长 ， m； y 安全阀在额定 排放 压力下介 质的汽化 潜热 ， k j k g ； a罐体外表面积， ： q- # 安全泄放量， l 【 g h ； d安全阀喉径 ， c m； f 安全阀有效排放面积 ， c i t i 2 ； 一额定排量系数 ； e介质特性系数 ； p安 全阀排放压力 ， iv i p a ； m 气体摩尔质量 ， mo l ； z 气体压缩系数 ； t气体温度， k； q 月 安全阀排放量 ， l 【 g h 。 参考文献 l 卢焕章 石油化工基础数据手册 m 北京： 化学工 业 出版社 ，l 9 9 4 9 1 3 1 5 0 1 5 3 2 张仰明 液化气体铁路罐车安全问答 m 黑龙江： 科学 技术出版社 ， l 9 9 3 3 l 3 张石铭 钢制压力容器 m 湖北： 科学技术出版社， 1 9 9 3 3 6 3 3 8 2 维普资讯 第 l期 李诚等 粉体料仓的设计 6 5 量的结果， 至此似乎料 仓的设计 问题 已解决。直 至 2 o世纪 3 o年代 ， 当人们提 高设计精度以减少 安全 系数时 ， 料仓倒塌事却 时有发生。经采用更 为精细的压力测量技术发现， 料仓 中物料 流动时 的壁压力是静置时的 2 4倍 ， 而且在某种不定的 条件下在仓壁上还会 出现压力的高峰值 ， 该值 高 达静置时的几十倍 ， 这种现象被称之为动力学超 压现象 。于是人们又给这种现象以理论解释 ， 认 为开始排料时， 料仓 中的压力场 由所谓静置时 的 “ 主动压力场” 自下而上 的过渡到流动时的“ 被动 压力场 ” ， 在过渡点上会出现压力的高峰值 。考虑 到这种动力学超压现象 ， 又提 出了新的料仓设计 方法。j e n l k e 等人对此做出了有价值的贡献。 1 料仓的基本结构型式 禾 斗 仓的结构型式有多种， 较为常见的有圆筒 形和方形两种 其中以圆筒形料仓最为常见 。一 般在场地面积有限的情况下有时也将料仓设计成 方形 。见 图 l 。 图 l 料仓的结构型式 2 料仓结构设计应遵循 的步骤 2 1 选择合适的流型 料仓的流型基本上有两种 ： 整体流型料仓 ( 又 称全流仓) 和中心流型料仓( 又称漏斗型料仓或核 流仓) 。在整体流料仓 中， 卸料时所有物料均向卸 料口流动 ， 不存在流 动“ 死区” ， 料位均匀下降， 卸 料流动稳定均匀； 而在 中心流料仓中， 卸料时只有 中心部位的物料 向卸料 口流动 ， 在该“ 流动区” 以 外 的部分为流动“ 死区” 。由于“ 鼠洞” 和粘性拱 的 形成与崩塌 ， 使卸料流动不稳定 ， 甚至会 出现喷泻 的情况。因此整体流型料仓是料仓设计的首选流 型， 但是事实上由于整体流型料仓和中心流型料 仓各有利 弊， 所 以并非必须选用整 体流 型料仓。 整 体流 型料 仓 和 中心 流型料 仓 的优 缺点见 表 l 2 。 。 寰 1 整件亩 t 和中心藏料仓的基车特性爱适用场台 因此为做到安全、 合理、 经济 ， 在选择具体流 型时应按照实际需要来选择合适的流型。 2 2 确定料斗半顶角 图 2 料 斗半顶角 确定一个合适 的料斗 半顶角 ( 见图2 ) ， 目的是 为 了适应 所选择的流型。 料仓下料不畅， 关键是倾 斜 角小 于物 料安 息 角所 致。整体流仓必须保证料 仓各个部位的倾斜角大于 物料的安息角。若要将料 仓设计成整体流 ， 则料斗 半顶角 一为 ： 日 一=( 9 0 。 4 - a r c n ( s j n s i n ) ) 2 ( 1 ) 式 中： 有效内摩擦角 ， ( 。 ) ； 物料与仓壁摩擦角 ( 。 ) 。 形成整体流 的必要条件 是料 斗半顶角 0要 小 于 日 一 。 2 3 确定卸料口尺寸 确定台适 的卸料 口尺寸 ， 目的是为了防止 因 形成粘性拱( 又称槊桥) 或管流( 又称 鼠洞) 等 ， 造 成料仓无法卸料或物料喷泻等问题 。 2 3 1 整体流料仓 在对整体流料仓进行设计计算时， 用一定性 尺寸 b来描述卸料口的大小。对于圆形卸料 口， b等于卸料口直径( 见图 3 a ) ； 对于方形卸料 口， b 为对 角线长度 ( 见 图 3 b ) ； 对 于缝形卸料口， b 为 缝宽 ( l3 b) ( 见 图 3 c ) 。对 于平均直径较小的 粉体物料， 不产生粘性拱的最小 卸料 口尺寸 由下 式确定 j ： bh( y ( 2 ) 维普资讯 齐鲁石油化工 第 3 0卷 式中： b卸料 口尺寸， m； 为粉体密度 ， k n m3 ； 粉体物料 的临界开放屈服强度， k p a 。 h( o ) ：( 1 十m) +0 0 l ( 0 5+m) ( 3 ) 式中： 为锥底半顶角 ， ( ) ； i t r 一为料仓形状系数； 对 于轴线对称 的圆锥形料仓 ， m=1 ； 对于平面 对称的楔形料仓 ， m=0 。 2 3 2中心流料仓 对于平均直径较小的粉 体物料 ， 不产生粘性 拱的最小卸料 口尺寸由下式确定 ： b1 1 5 o r ( 4 ) 图 3 不 同形状 的卸料 口尺 寸 2 4 确定料仓的具体结构参数 料仓的壁厚以及各种应力校核计算参见 j w t 4 7 3 5 ( 钢制焊接常压容器 第十四章 圆筒形料 仓 ， 或中国石油化工总公司组织编制的 立式圆 筒形钢制和铝制料仓设计规范 。 3 料仓设计中应注意 的其他问题 3 1 料仓的选材 所设计的料仓是否处于整 体流状态 ， 不仅取 决于料斗结构( 料斗半顶角) ， 而且与粉体物料( 内 摩擦角) 以及料斗材料( 壁摩擦角) 有关 。因此， 料 斗的选材对于料仓 的设计也是十分重要的。经试 验证实 ， 容易形成整体流的料斗材料首选 为聚 四氟乙烯和不锈钢 ， 其次为铝合金 ， 最差为碳钢。 当然 ， 在具体设计中， 应综合考虑安全 、 经济因素 来合理选材。 3 2 均化方式的选择 在粉状物料的如工过程中 ， 粉料的坞化是获 得优质产品的重要前提。 目前在工业生产中粉料 的均化方法可分为两类 ： 一类是气力均化 ， 即靠压 缩空气使仓 中粉料 剧烈充分搅拌使之均 化； 另一 类均化是靠各 种型式的机械装置均 化。利用粉料 本身的重力产生的流动在料仓 中均化粉料是最经 济合理 的方法 。根据重力均化原理： 粉状 物料在 仓中的流动可分为两类 ， 即整体流动和中心流动。 实际上整体流动只是一种理想状态 。在整体流料 仓 中， 粉状物料在料仓的直 筒部分流动速度 基本 上是相 同的， 而在下部锥体部分 中的流动速度是 不同的 ， 靠中部最快 ， 靠斗壁处最慢。这种速度梯 度使得粉体物料 在料仓 中得到剪切混合 ， 为使混 合效率提高 ， 应设 法使料仓 的直筒部分 物料 的流 动也形成速度差 。因此重力均化是靠仓内粉料 自 “ 身的重力流经料仓进行均化 ， 靠不同 回流次数来 达 到所需的均匀度 。如果对均化效果要求不太严 格 ， 还可 以不经 回流而实现连续均化 。重力均化 粉料 的特点是节能， 投资少 ， 维护简便。重力均化 除均化物料外 ， 利用其原理还可以改造现有料仓 流动不合理的情况 ， 只需在原有料仓 内加一只不 转 动的仓斗 即可， 不增加料仓高度 ， 不增加动力 ， 不增加占地和空间 ， 就能使 中心流型料仓转变为 整体流型料仓。仓套仓式重力均化就是利用粉料 在仓中仅受 自身重力 影响向下流动时的速度差来 均化粉料。粉料在仓 中进行 薄层均 化， 由于一般 的整体流料仓只在下 部仓斗部分产生速度差 ， 因 此均化能力不强。美 国 j r j o n h m a s o n根据散状 物料 重力流动理论提 出的在料仓 内加 上一只 内 仓 可使粉体在锥体部位 的整体流速度差 扩展到 料仓的直筒部分， 大大提高料仓中粉料 的均 化能 力 。 3 3 料仓的粉尘爆炸 及防护 可燃性物质细粉在空气 中扩散形成尘 云( 粉 末和空气混合 的分散系) ， 起火后迅速燃烧 的现象 称为粉尘爆炸。 由于粉尘爆炸的起因复杂 ， 生产过程条 件多 变 ， 因此必须针对不同的情况， 采取相应 的防护措 施 。主要的防护措施有爆炸的封闭、 泄爆 、 抑爆以 及隔爆等。由于料仓 大多是常压容器， 采用 泄爆 技术的投资要 比封闭技术低 ， 所以应用较为普遍 常压下泄爆面积可根据 g b 1 5 0 6 5 9 5 ( 粉尘爆炸 泻压指南 计算。 3 4 料仓的静电防护措施 粉体料仓产生静 电的来源有三 ： 一是粉体物 料在进人料仓前就带有 ； 二是 粉体物料与料仓壁 之间的摩擦 ； 三是粉体物料 本身 之问的摩擦 高 维普资讯 第 l 期 李诚等 粉体料仓的设计 6 7 度带电的粉体在料仓 内的积累， 能产生很强的静 电场， 由此导致的静电放电和燃爆事故 ， 已引起广 泛的重视。对料仓来说 ， 由于静电作用增强 了物 料与仓壁的粘着力而导致粉体料仓结拱。因此在 料仓设计 中， 采取静 电防护措施 是十分必要 的。 在化工生产中最普遍 的防静 电措施是静 电接地 。 静电接地的作用是污放导体上可能聚集的电荷， 使导体间电位差 为零。在设计料仓时， 不仅要在 外壁上设置静电接地板 ， 而且要在其他 附属设备 上尤其是过滤器上设置静电接地板接地。静电接 地设计应符合 h g 2 8 9 0 ( 化工企业静电接地设 计规程 中的有关要求 。 3 5 料仓的放空措施 由于在加料过程中， 物料会夹带一定压力的 气体， 而物料所夹带的气体不仅会对仓 壁的应 力 产生影 响而 且 对颗粒 流动 性质 也 有 明显 的影 响 一 。另外物料从 出口处卸料时， 空气从 出 口向 上流动进入低压区， 这种逆 向流动的空 气也明显 的减缓 了颗粒的 自由卸料。因此在料仓上设置排 气装置是十分必要的。为了达到在排气的同时又 不致将物料带出可以在料仓顶部设置过滤器。过 滤器的形式有多种 ， 实际采用哪种形式应 具体对 待。不过应当注意的是过滤器中过滤介质必须能 够导电。 3 6 对焊缝的要求 为了使料仓 筒体 内壁及下锥 体内壁足 够光 滑， 使物料尽量以整体流动方式流动 ， 在进行料仓 结构设计过程 中应注意以下几点 ： 接管、 人孔等与 料仓筒体焊接后应 磨平内壁 ； 圆锥形料斗与简体 连接处的内焊缝应 圆滑过渡 ； 卸料 口处的接管 与 圆锥段的内焊缝应 圆滑过渡( 见图 4 ) 。 4 结语 由于料仓存储的是固态( 粉状、 粒状) 物料 ， 故 其受力情况与液态 、 气态介质有所不 同。粉体料 图 4 卸料 口焊缝的圆精过渡 仓设计决非液体储罐那样简单， 仅在 与料 仓结构 有关的流动问题上 ， 就有许多方面( 如时效 固结、 偏心流动等) 尚待深人研究 。另外与料 仓设计密 切相关的一些因素 ， 如粉尘爆炸的防护以及粉尘 静电的防护等问题在设计中也必须予以相当程度 的重视。在设计料仓时必须严格按照程序和标准 进行 ， 尤其是对物料系数的取得 ， 更要如此。这里 需要注意一点的是 ， 物料系数 ( 主要 指安息角、 内 摩擦角、 壁面摩擦角以及堆积密度) 的取得务必以 实际生产中的物料为准。料仓的设计非常具有针 对性， 应避免料仓设计中盲 目的标准化和系列化。 只有这样才能使料 仓的设计更 加安全、 合理和经 济 。 参考文献 l j a n hae x p e ri me n t o n g r a in p