氨水储罐的火灾和爆炸危险性分析

石油化工设计

Petrochemical Design

2019,36(1) 59 〜62

氨水储罐的火灾和爆炸危险性分析

R 鮮，孙书松，周

W，周X Y

(河北寰球工程有限公司，河北涿州271754)

摘要

：

从常压氨水储罐的气相空间中氨气的体积浓度计算入手，对浓度为〜32% (摩尔分数）氨

水的常压储罐气相空间进行了爆炸危险性分析，指出在环境温度下，氨水储罐上部气体中氨的体积浓度 都有可能处于其爆炸极限之间，易形成爆炸混合物，此时应按易燃易爆的乙类和防火防爆设计氨水储罐； 另外从本质安全考虑，采用氮封措施，使混合气体成为不燃烧无爆炸危险的物质。

关键词：氨水储罐分压体积分数爆炸极限

doi & 10. 3969/j. issn. 1005 - 8168.2019.01.016

作为一种常用的化学品，氨水广泛应用于工 业

中，它可用作染料，

和锅

和化工生产的原烟的

。氨水

所示，储罐除了进出物料所需装置外，为了维持氨 罐的压力，储罐设有吸入装置如单吸真空阀和呼 出装置如水封装置。氨罐进料时，通过连接至水

的

管道排出一

，以保

内压

料，也可于工业

为无色透明液体，有强烈刺激性气味，不燃烧、无 爆炸危险，根据范》+1]，氨水的

GB 50016—2018《建筑设计防火规

灾

为戊类，氨水

力不超过设定值;当出料时，通过呼吸阀吸入一部

， 以 避免氨

为氨气、水

、

出

，

的

间具有

易挥发，在正常条件下，从氨水中挥发的氨气有 毒，有燃烧和

，

限为15.7%，爆级为乙类。

的液体，

的混合物。混合

爆炸危险性，需要知道混合物中氨的体积浓度与 氨的

限 积浓

的关系 。

限为27.8%，氨的建规 于氨水本身是不燃烧、无

因此氨水储罐的危险性容易被忽视，近年来，氨水 储罐发

事故时有报道。

竟氨水储罐有没有火灾和爆炸危险性，笔

者认为，它与储 围内 储

的

可燃或

间

间

混合

作范

混合物有关，若

的浓度超过限定值（即有火灾

&，氨水储存系统的设计需要考虑

混合物的措施。

防火防爆，以有避免

我国常用的氨水浓度为含氨15%〜25%，本 文从常压氨水储罐的气相空间中氨气的体积浓度 计算入手，对浓度为10%〜30% (摩尔分数，下 同）氨水的常压储

间进行了火灾和

：

收稿日期：2018 -08 -22。

作者简介:郑鲜，女，2000年毕业于河北工业大学化工 工艺专业，学士，工程师，主要从事化工工艺系统设计

图1常规的氨水储存系统示意

析，以对氨水储罐的安全性设计提供理 依据。

1氨水溶液的汽液平衡关系

目前，我国常见的常压氨水储罐设计如图1

工作。联系电话 & 0312 - 3970972; E- mail & zhengxian @

hqcec. com

• 60 •石油化工设计2019年第1期（第36卷)

1.1温度为零度以上的氨水汽液平衡数据

氨体积浓度与氨分压有关，氨分压数据则由 氨-水体系的汽液平衡% VLE)关系获得。

氨-水体系是一个高度非理想的体系，氨与 水两种分子间存在缔合与离子化作用，很多人对 氨-水体系的VLE数

行了测定和热力学模

《石油化工设

型的推算，相关报道较多，本

表1。

由表1可见：氨水罐氨的分压随温度和浓度 的升高 实

高。值得一'提的是，对于3〇°%的氨水

较高，为减少氨的蒸发损耗，

力。

罐，当温度达27 C时，氨的分压就已经接近常压，

，若常年

宜采用低压储存。设计工作者可根据地域气候、 设备投资、蒸发损耗等综合考虑后确定储 常压储存。

本文研究对象为氨水常压储罐，假设30%。的氨水

计手册》[2]，整理出10% ~30%浓度的氨水，在 温度为0 ~ 49 °C时，氨气和水蒸气的分压，列于

表1

氨水浓度（m&)，°%

1015202520

氨水氨水氨水氨水氨水

温度为〇~ 49 ^氨气和水蒸气的分压

kP+

32.2217.374.3429.304.0047.443.975.083.52115.553.24

37.822.065.8636.825.4552.295.1093.284.5142.584.41

43.3327.597.85.857.3873.366.114.806.41173.815.93

48.34.1310.4156.619.990.259.17139.968.55210.567.93

0.003.590.556.210.5110.410.4818.410.4529.440.41

4.444.550.757.860.7013.240.6621.790.6135.370.57

10.006.1411010.341.0317.440.9728.680.9045.710.83

15.568.201.5813.791.4522.131.3836.961.3158.471.17

21.1110.482.2117.932.0729.511.9347.371.7974.191.72

26.6713.033.1023.032.9037.582.7659.912.5593.222.34

1.2温度为零度以下的氨水汽液平衡数据在冬天，我国多数地区的气温会降至零度以

模拟分析可得到此类数据。

使用ASp#7. 3，物性方法为ENTRL - RK，分 析浓度在10°% ~ 30%。的氨水，温度分别为--10

5

下，目前多数文献对于零度以上的氨-水体系的 汽液平衡数据的分析较为充分和详尽;但对于零 度以下的汽液平衡数据报道较少，本文使用A.#

表2

温度/C

、

、-15和-20 C

时氨水二元体系在常压下的

汽液平衡数据列于表2。

不同浓度的氨水在温度为-5、-10、-15、-20 C时的汽液平衡数据

总压/kPa2.50

5.149.4515.8824.851.793.746.9611.8218.681.272.685.048.6613.820.881.3.596.2410.05

积数

氨0.850.940.970.980.990.860.940.970.990.990.870.950.970.990.990.880.950.980.990.99

水0.150.060.030.020.010.140.060.030.010.010.130.050.030.010.010.120.050.020.010.01

氨2.144.819.1615.24.1.543.526.7611.6618.541.102.534.918.5513.30.71.93.516.169.99

氨水摩尔浓度，°%

10

15

?Pa

水0.360.320.280.240.200.250.220.190.160.140.170.150.130.110.090.110.100.080.070.06

-5.00

20253010152025301015

-10.00

-15.00

-20.00

2025301015202530

注:表中氨的气相体积分数为氨-水二元混合物中的分数。

2019年第1期（第36卷)

郑鲜等.氨水储罐的火灾和爆炸危险性分析

* 61 *

表2可见：随

减小。2

的 ，氨的

中：）jh3、H2。、）3 ）h2。、空间内 、水

、水 、

的

0H2。、0TZTAU—

为氨罐内 ^目

、空气的体积分数，％' 0\\h3、

总压，kP+其中总压假

分别为氨罐内部气相空间内氮

氨水储罐气相空间氨的体积浓度分析

氨 和 水

的

， 可 算出 常 氨 水

设为 101.325 kPa。

结合表1和表2,计算得出〇 °c以上和零度以 下氨气、水 表3和表4。

和

的体积分数，计算

列于

储 间氨气、水

^

的体积分数：

0

nh3 :=0nh/

1 _ )

total

^h2。:=0

h2o’0totalnh3 _ )h2。

^AIR g

表3

氨水浓度（mol)，％

氨

水空气氨水空气氨水空气氨水空气氨水空气

温度为0〜49 C氨水储罐上部空间气体混合物（均为氨气、水蒸汽和空气）组成

\"，％

?c

0.00

3.540.5495.926.130.5093.3710.270.48.2518.170.4481.3929.00.4170.54

4.444.490.7494.777.760.6991.5613.070.6586.2921.510.6177.34.910.56.53

10.006.061.0992.8510.201.0288.7817.210.9581.8428.300.8870.8145.110.8254.07

15.568.091.5690.3513.611.4384.9621.841.3676.8036.481.2962.2357.11.1541.14

21.1110.342.1887.4817.702.0480.2629.121.9068.9746.751.7751.4873.221.025.08

26.6712.863.0684.0822.32.8674.4137.092.260.1959.132.5238.3692.002.315.69

32.2217.144.2878.5728.923.9567.1446.823.449.4474.103.4722.43

37.821.75.872.4536.345.3858.2851.615.0343.3692.0.693.25

43.3327.237.665.0145.257.2847.4772.406.8020.80

48.33.6810.2756.0455.879.6634.47.079.051.88

10

15

20

25

30

注:氨和水蒸气体积分数计算基于常压储罐，假设储罐内总压力为1 ATM(1.013 x102 kPa)。

表4温度为-20〜-5°c氨水储罐上部空间

气

氨水浓度（）&)，％

氨

水空气氨水空气氨水空气氨水空气氨水空气

爆炸极限范围缩小，但由表3、表4可以看出：水蒸气的体积分数很小，故不考虑水蒸气对氨爆炸危险性的影响。

为更直观的观察数据，根据表3和表4,以温 度为横坐标，氨体积分数为纵坐标，绘制不同浓度 的氨水的氨体积分数随温度变化的曲线，同时将 氨的爆炸下限（15. 7% &和爆炸上限(27.4% & —同 绘制在坐标系中，如图2所示。

体

-5

2.110.3697.534.50.3294.939.040.20.6815.430.2484.3324.320.2075.48

混

-101.520.2498.233.470.2496.286.680.1993.1411.500.1688.3418.300.1481.57

合\"，％

-200.60.1199.131.70.1098.143.460.06.456.080.0793.859.860.0690.08

?c

-151.090. 1698.52.500. 1697.344.850. 1395.028.440. 1191.4613.550.0986.36

10

15

20

25

30

。/°;峩1

注)氨和水蒸气体积分数计算基于常压储罐，假设储罐内总压 力为1 ATM。

由表3和表4可知:混合物中氨的体积分数 随温度和氨水浓度的增大而增大。

氨与

混合时，氨的

限为15.7%，的存在会使氨的

-15 -10 -5 0 4 10 16 21 27 32 38 43 49

温度/°C

图2不同浓度氨水罐气相空间氨体积分数

随温度变化曲线

上限为27.4%，一般来说，水

• 62 •石油化工设计2019年第1期（第36卷)

由图2可看出：在温度为-20 ~49 °C时，不同 浓度的氨水，在不同的温度区间内，氨的体积浓度 都有可

间

于其 氨的

极限之间，氨水浓度越高，气极限范围内所对应的

越

间混合物在

需要说明的是，爆炸极限所对应的温度不是 固定不变的，它与储罐的操作压力有关，也会随着 环境大气压的波动而波动，例如，对于25%的氨 水，10 C时氨的浓度为28. 3% (9,大于爆炸上 限，但当储

作压力升高，大于105 kPa时，氨的

浓度变为27. 3%。，小于爆炸上限。

低。对于不同浓度的氨水罐，其

表5

氨的爆炸极限范围内所对应的温度列于表5 $

氨水罐气相空间混合物在氨的爆炸极限

范围内所对应的温度

氨水

浓

，%。

上限

1044.0

1530.018.5

2020.07.0

25 9.0

30-1

参考文献：

[1 ]

GB 50016—2014建筑设计防火规范[S].北京：中国计划出

版社，2014.

爆炸极限所对应的

限30.0

-5.0-13.0

[2]王松汉.石油化工设计手册第1卷石油化工基础数据

[M].北京:化学工业出版社，2002:683 -686.

(上

接第58页）注明管道的应力分析校核工作由甲方还是乙方完 成，以明确工作量；避免出现应力超标和法兰泄。

2

媒炉炉体外壁的结构情况，建议在立管合适的位 置增加2个导向支架[见图5(b)]。将此调整方 案数

人程序，

行

算可知，管系各

校核

)对于热媒炉管道地面部分，应在控制阀

和限位

，

。

高温立式设备，当设置有较高的

工况下的应力 要求，同时 以及管道的合适位置设 以提高管道的

3

也满足要求，由此证明该方案可行。

) 对于

3结语

立管时，在初始设计阶段，应考虑在立管段合适位 置设置弹簧支吊架，以降低管道二次应力和管口载。

4

作为为中心处理站提供热源的重要设备，热 出口管道工作的

应力分析校核。由于热 目前期与供货 ，

较高，为使其

全

平稳的运行，应对其主要进出口管道进行详细的

作为一个撬块进行

整体采购，此项工作一般应由厂家完成。但本项

了一个会议纪要，撬块内的

型

EPC方设了热

载由供货商提供，

) 为提高立管段管道抵抗风荷载的能力，应

。

管系结构的特殊性，在进行应热

内外的管系同时考虑。

合 设

5

) 由于热

力分析时，必 参考文献：

[1]

版社，2010.

本项工作的界面不清;最 对国外某项目热

现场安装完成后，才发现其管道配置不合理。本

撬内管道现场优化方技术协议时，应特别

案的研究，得出的经验是：

1)

前与供货

唐永进.压力管道应力分析[M]. 2版.北京：中国石化出

[2] 岳进才.压力管道技术[M]. 2版.北京：中国石化出版社，

2006.

ABSTRACTS

PETROCHEMICAL DESIGN

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