压力容器常用介质及特性

第四章压力容器常用介质及特性化工生产中压力容器内的介质种类繁多。这些介质中间不少是具有易燃、易爆、有毒、有害的特性，尤其是化工生产一般在高温、高压、深冷、真空等特殊条件下进行的，这些介质会随着工艺条件或外部环境的改变而变化，极易超温、超压、喷出、泄漏等，造成火灾、爆炸事故。因此，压力容器操作人员应该了解和熟悉本岗位压力容器内介质的特性，这对于压力容器的安全运行和事故防范是很重要的。压力容器常用介质及特性一、常用介质的基础知识二、常用气体的分类及其特性三、常用气体的危险性及预防性一、常用介质的基础知识第一节、状态与相第二节、状态的变化与相图第三节、临界温度与临界压力第四节、燃烧速度第五节、闪点和燃点第一节、状态与相1、状态自然界中物质所呈现的聚集状态（或称形态）通常有气态、液态和固态。其中任何一种聚集状态只能在一定的条件下（温度、压力等）存在。当条件发生变化时，物质分子间的相互位置就发生相应变化，即表现为状态的变化。气化蒸发沸腾液化凝固升华熔化第一节、状态与相2、相在某种条件下，物质可有两种以上的状态共存，此时，各状态间能在较长时间内保持清晰的界面，界面以内自成均匀体系。这种以物理上的清晰界面跟其它部分相区别的均匀体系成为“相”。在多数情况下，物质的三态只以单相存在。气体液体固体液相气相固相第二节、状态的变化与相图1、相图、相变相图就是用来表示材料相的状态和温度及成分关系的综合图形，其所表示的相的状态是平衡状态，因而是在一定温度、成分条件下热力学最稳定、自由能最低的状态。物质的三态中的任何一种聚集状态，都只能在一定的条件下存在，当条件发生变化时，物质分子间的相互位置就会发生相应的变化，即表现为相变。第二节、状态的变化与相图2、各种状态变化举例熔化：冰雪融化、高热病人利用冰袋降温、消融的冰凌、“保险丝”烧断、饮料中的冰块体积减小；凝固：雹、河水结冰、岩浆变成岩石、寒冬用手摸室外的金属发生“粘手”的现象、铜水浇铸铜像；汽化：夏天洒在地上的水很快变干、湿衣服晒干、墨汁变干、太阳出来雾散了；升华：冰冻的衣服晒干、用久的灯泡钨丝变细；第二节、状态的变化与相图液化：露、雾、冰棍冒“白汽”、火箭发射时水池上的“白汽”、秋天窗户玻璃上的水雾、夏天从冰箱里拿出的鸡蛋过一会儿会变湿、烧开水时水壶上方的白汽、冬天室外人讲话时呼出的白汽、夏天装冰水的杯子外壁“出汗”、冬天人口中呼出“白气”、夏天，自来水管“出汗”；凝华：冬天窗户玻璃上的冰花、霜、雾凇、用久的灯泡变黑、棒冰包装袋内的“白粉”。第二节、状态的变化与相图3、各种状态变化中的能量转化熔化：熔化是通过对物质加热，使物质从固态变成液态的相变过程。熔化要吸收热量，是吸热过程；凝固：凝固就是液态变为固态，在转变过程中会放热是与熔化相反的过程；汽化：物体由液态变为气体，有蒸发、沸腾两种方式要吸热。蒸发与物体的表面积、表面空气的流速、物体的温度有关；液化：物体由气体变为液体，要放热与汽化相对；升华：物体直接由固态变为气态，需要吸热；凝华：物体直接由气态变为固态，需要放热，与升华相对。第三节、临界温度与临界压力临界温度：每种物质都有一个特定的温度，在这个温度以上，无论怎样增大压强，气态物质不会液化，这个温度就是临界温度。LNG的临界温度为-82.3℃。临界压力：要使物质液化，首先要设法达到它自身的临界温度。有些物质如氨、二氧化碳等，它们的临界温度高于或接近室温，对这样的物质在常温下很容易压缩成液体。有些物质如氧、氮、氢、氦等的临界温度很低，其中氦气的临界温度为零下268℃。在临界温度下，使气体液化所必需的压力叫做临界压力。LNG的临界压力为45.8kg/cm³。第四节、燃烧速度燃烧速度也叫做火焰传播速度，是指火焰从垂直于燃烧焰面向未燃气体传播的速度。用来表示燃气燃烧的快慢，反映单位时间烧去可燃物的数量。气体燃料的燃烧比液体和固体燃料容易发生，燃烧速度也更快。因为气体燃烧缺少熔化、蒸发的那个准备过程。经测试，燃气的最大燃烧速度分别为氢气的2.80m/s，甲烷的0.38m/s，液化石油气的0.38∽0.50m/s。综合起来，一旦燃气发生泄漏，吹到有明火处引起燃烧，即使距离上百米，也能在极短时间内迅速燃烧到发生泄漏的地方，引起火灾，或者发生爆炸！第五节、闪点和燃点1、闪燃与闪点在一定温度下，石油的轻质馏分产品会发生蒸发，其蒸气和空气混合就形成可燃的混合气体，当用火焰与这种混合气体接触而闪出火花时，在这一瞬间发生燃烧的过程就叫做闪燃，发生闪燃的最低温度就叫闪点。也可以说蒸气发生闪燃的最低温度叫闪点。在此温度下只能引起闪火，而不会引起连续的燃烧。闪点可用来区别各种轻质油品引起火灾的危险程度。第五节、闪点和燃点2、燃点当轻质油品温度超过闪点所产生的蒸气与空气混合后，与明火接触能发生连续燃烧的最低温度就称为燃点，又称为着火温度。燃点也可以是蒸气与明火接触能发生连续燃烧的温度。在常压下，LNG的沸点为-162.5℃，熔点为-182℃，着火点为650℃。而液化石油气的主要成分的燃点介于475℃∽510℃。二、常用气体的分类及特性第一节、气体的分类第二节、常用气体的特性第一节、气体的分类压力容器中气体的分类很多，这里按其燃烧性、毒性、临界温度来划分。1、燃烧性：易燃、助燃、不可燃；2、毒性：剧毒、有毒、无毒；3、临界温度：压缩气体、高压液化气体、低压液化气体、溶解气体等。临界温度小于-10℃的为永久气体；临界温度大于或等于-10℃，且小于或等于70℃的为高压液化气体；临界温度大于70℃的为低压液化气体。注：《固定式压力容器安全技术监察规程》TSGR0004-2009中介质的分类（附件A1、46页）第一节、气体的分类特种设备安全技术规范TSGR0004-2009-41-附件A压力容器类别及压力等级、品种的划分A1压力容器类别划分A1.1介质分组压力容器的介质分为以下两组，包括气体、液化气体以及最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体：（1）第一组介质，毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。（2）第二组介质，除第一组以外的介质。第二节、常用气体的特性1、常用的永久性气体1氧气（O2）氧气是空气的组分之一，无色、无臭、无味。氧气比空气重，在标准状况（0℃和大气压强101325帕）下密度为1.429克/升，能溶于水，但溶解度很小。在压强为101kPa时，氧气在约-180摄氏度时变为淡蓝色液体，在约-218摄氏度时变成雪花状的淡蓝色固体。氧，易与其他物质生成氧化物，若与可燃气体按一定的比例混合成为可爆性的混合气体，一旦有火源或引爆条件就能引起爆炸。第二节、常用气体的特性2氢气（H2）氢气（Hydrogen）是世界上已知的最轻的气体。它的密度非常小，只有空气的1/14，即在标准大气压,0℃下,氢气的密度为0.0899g/L。由于氢气具有可燃性，所以安全性不高，但氢气燃烧只生成水，不污染环境，被称为“清洁氢能”。氢很易着火，在生产过程中尽量减少和消除静电的积累以及产生火源的条件。第二节、常用气体的特性3氮气（N2）氮气，常况下是一种无色无味无嗅的气体，且通常无毒。氮气占大气总量的78.12%（体积分数），是空气的主要成份。常温下为气体，在标准大气压下，冷却至-165.30℃时，变成没有颜色的液体，冷却至-210.1℃时，液态氮变成雪状的固体。氮气的化学性质很稳定，常温下很难跟其他物质发生反应，在工业上常用氮气作为安全防火防爆置换或气密性实验气体。但在高温、高能量条件下可与某些物质发生化学变化，用来制取对人类有用的新物质。第二节、常用气体的特性4惰性气体主要指氦、氖、氩、氪、氙、氡，因为它们在元素周期表上位于最右侧的零族，因此亦称零族元素。稀有气体单质都是由单个原子构成的分子组成的，所以其固态时都是分子晶体。惰性气体化学性质极不活泼，很难和其他元素发生反应。第二节、常用气体的特性5一氧化碳（CO）一氧化碳(carbonmonoxide,CO)纯品为无色、无臭、无刺激性的气体。分子量28.01，密度0.967g/L，冰点为-207℃，沸点-190℃。在水中的溶解度甚低，但易溶于氨水。空气混合爆炸极限为12.5%～75%，在氧气中为15.5%～93.9%。一氧化碳进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合，进而使血红蛋白不能与氧气结合，从而引起机体组织出现缺氧，导致人体窒息死亡。因此一氧化碳具有毒性。一氧化碳是无色、无臭、无味的气体，故易于忽略而致中毒。车间空气中一氧化碳的最高容许含量为30mg/m³。第二节、常用气体的特性6甲烷（CH4）甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。它可用作燃料及制造氢气、碳黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料。甲烷是碳氢化合物的一种，无色无臭，密度为0.7167kg/m³，对空气的相对密度为0.55，熔点为-182.5℃，沸点为-161.5℃，在空气中的爆炸极限为5.3%∽14%，在氧气中的爆炸极限位5.1%∽61%。第二节、常用气体的特性2、液化气体1二氧化碳（CO2）二氧化碳是空气中常见的化合物，其分子式为CO₂，由两个氧原子与一个碳原子通过共价键连接而成，常温下是一种无色无味气体，密度比空气略大，能溶于水，并生成碳酸。固态二氧化碳俗称干冰。二氧化碳认为是造成温室效应的主要来源。第二节、常用气体的特性2氯（CL2）氯单质由两个氯原子构成，化学式为Cl2。气态氯单质俗称氯气，液态氯单质俗称液氯。在常温下，氯气是一种黄绿色、刺激性气味、有毒的气体。压力为1.01×10Pa时，氯单质的沸点为-34.4℃，熔点为-101.5℃。氯气可溶于水和碱性溶液，易溶于二硫化碳和四氯化碳等有机溶剂，饱和时1体积水溶解2体积氯气。密度为3.214克/升。熔点-100.98℃，沸点为零下34.6摄氏度。化合价-1、+1、+3、+5和+7。有毒，剧烈窒息性臭味。电离能12.967电子伏特，具有强的氧化能力，能与有机物和无机物进行取代和加成反应；同许多金属和非金属能直接起反应。第二节、常用气体的特性氯是卤族的一种普遍非金属一价和高价元素，其最熟知的形式是重的、绿黄色、难闻的刺激性有毒气体。氯是一种化学性质非常活泼的元素。它几乎能跟一切普通金属以及许多非金属直接化合。氯多储存在钢筒中，这是因为干燥的氯恰恰不与铁发生反应。在常温和6个大气压下，人们可以将氯液化为一种黄绿色的液体，叫做“液氯”。应当注意的是，氯有较强的毒性。如果空气中含有万分之一的氯气，就会严重影响人的健康。一般认为，空气中游离氯气的最高含量也不得超过1毫克/立方米。氯气对人类的生产生活也有很大的价值。第二节、常用气体的特性3氨（NH3）氨（Ammonia，即阿摩尼亚），或称“氨气”，分子式为NH3，是一种无色气体，有强烈的刺激气味。在标准状态下，密度为0.77kg/m³，对空气的相对密度为0.597L，沸点为-33.4℃，熔点为-77.7℃，在空气中的爆炸极限为15%∽28%，在氧气中的爆炸极限为13.5%∽79%。极易溶于水，常温常压下1体积水可溶解700倍体积氨。氨有很广泛的用途，同时它还具有腐蚀性等危险性质。由于氨可以提供孤对电子，所以它也是一种路易斯碱。第二节、常用气体的特性4氟利昂（氟氯烷—烯类）氟利昂又名氟里昂，氟氯烃。英文：freon几种氟氯代甲烷和氟氯代乙烷的总称。氟里昂在常温下都是无色气体或易挥发液体，略有香味，低毒，化学性质稳定。其中最重要的是二氯二氟甲烷CCl2F2（F-12）。二氯二氟甲烷在常温常压下为无色气体；熔点－158℃，沸点－29.8℃，密度1.486克／厘米（－30℃）；稍溶于水，易溶于乙醇、乙醚；与酸、碱不反应。第二节、常用气体的特性5氟化氢（HF）氟化氢是一种极强的腐蚀剂，有剧毒。它是无色的气体或液体，但是在空气中，只要超过3ppm就会产生刺激的味道。气体相对密度为1.27；液体相对密度为0.987，沸点为19.4℃，熔点为-83.7℃，呈弱酸性。氢氟酸可以透过皮肤黏膜、呼吸道及肠胃道吸收，若不慎发生氢氟