王紹宇 胡福恒 韓旭

（中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北石家莊 050021）

可燃液體儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討

王紹宇 胡福恒 韓旭

（中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北石家莊 050021）

介紹了可燃液體儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)呼吸閥的選型、供氮系統(tǒng)供氮能力的計(jì)算以及排氣過(guò)程可燃液體損失量的評(píng)估，提出了對(duì)不同沸點(diǎn)可燃液體氮封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及降低介質(zhì)損失的方法。

氮封；呼吸閥；罐區(qū)

根據(jù)GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[1]的要求，甲、乙A類可燃液體儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)置氮封裝置，以降低罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。目前可燃液體罐區(qū)普遍設(shè)有氮封系統(tǒng)，氮封系統(tǒng)涉及呼吸閥排氣壓力的確定，排氣回收方案的選擇，供氮系統(tǒng)供氮能力的確定，以及對(duì)整個(gè)氮封系統(tǒng)溶媒損失量和回收率的評(píng)估。實(shí)踐中經(jīng)常遇到由于氮封系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致溶媒損失量大，或供氮系統(tǒng)能力與罐區(qū)的實(shí)際需求量相差甚遠(yuǎn)的情況，給企業(yè)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)損失。本文針對(duì)氮封系統(tǒng)的上述設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行討論，以期達(dá)到指導(dǎo)設(shè)計(jì)的目的。

1 氮封系統(tǒng)簡(jiǎn)介

設(shè)置氮封系統(tǒng)的目的是隔絕氧氣和易燃易爆可燃液體的接觸，從本質(zhì)上避免火災(zāi)或者爆炸事故的發(fā)生。氮封系統(tǒng)的作用是在儲(chǔ)罐的進(jìn)、出料過(guò)程中，通過(guò)供氮系統(tǒng)和呼吸閥的配合，控制儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間中氧的含量在安全的濃度。如圖1所示，來(lái)自供氮系統(tǒng)的氮?dú)饨?jīng)減壓裝置（一般為自力式減壓閥）減壓至pN0（壓力單位Pa，絕壓，下同）后充入儲(chǔ)罐，此為充氮過(guò)程，當(dāng)儲(chǔ)罐壓力p等于pN0時(shí)，充氮過(guò)程結(jié)束（儲(chǔ)罐初次使用時(shí)應(yīng)先進(jìn)行氮?dú)庵脫Q）；當(dāng)儲(chǔ)罐進(jìn)料時(shí)，隨著物料的加入，儲(chǔ)罐氣相空間壓力p升高，當(dāng)儲(chǔ)罐壓力p大于呼吸閥的排放開啟壓力pE時(shí)，呼吸閥開始排氣，進(jìn)料終止時(shí)儲(chǔ)罐壓力p等于pE，排氣過(guò)程結(jié)束；當(dāng)儲(chǔ)罐出料時(shí)，隨著物料的排出，儲(chǔ)罐氣相空間壓力降低，當(dāng)儲(chǔ)罐壓力p小于pN0時(shí)，系統(tǒng)開始充氮，出料終止時(shí)儲(chǔ)罐壓力p等于pN0。

圖1 儲(chǔ)罐充氮系統(tǒng)Fig.1 The diagram of nitrogen fi lling system

圖中pN0為減壓后充氮?dú)庠磯毫?；p為儲(chǔ)罐氣相壓力；pN為儲(chǔ)罐氣相中氮?dú)獾姆謮?；pV為儲(chǔ)罐氣相中可燃液體的氣相分壓；pE為呼吸閥開啟排氣的壓力。

2 呼吸閥通氣量和開啟壓力的確定

2.1 呼吸閥通氣量的確定

呼吸閥的通氣量和開啟壓力直接影響呼吸閥的選型。呼吸閥的通氣量除了和儲(chǔ)罐的進(jìn)、出料量有關(guān)外，還和儲(chǔ)罐的熱呼吸量有關(guān)。由于大氣存在晝夜溫差而導(dǎo)致儲(chǔ)罐氣相空間壓力的變化，從而引起氣相空間氣體的吸入或者排出，稱為熱呼吸量。根據(jù)SH / T 3007—2007《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求[2]，呼吸閥的吸入量應(yīng)等于儲(chǔ)罐出料時(shí)的最大出液量和熱吸入量之和；呼吸閥的呼出量應(yīng)等于儲(chǔ)罐進(jìn)料時(shí)的最大進(jìn)液量和熱呼出量之和。SH / T 3007—2007《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)液體閃點(diǎn)（閉口）高于45℃時(shí)，應(yīng)按照最大進(jìn)液量的1.07倍計(jì)算；當(dāng)液體閃點(diǎn)（閉口）小于或等于45 ℃時(shí)，應(yīng)按照最大進(jìn)液量的2.14倍計(jì)算。

儲(chǔ)罐的熱呼吸量與氣候條件、進(jìn)出料量及可燃液體的蒸汽壓有關(guān)，SH / T 3007—2007《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》根據(jù)儲(chǔ)罐的容積和可燃液體的閃點(diǎn)（閉口），給出了儲(chǔ)罐熱呼吸量的推薦值，做為選用呼吸閥通氣量的依據(jù)，見表1。

表1 儲(chǔ)罐熱呼吸通氣量Tab.1 The ventilator capacity of thetank

根據(jù)儲(chǔ)罐的進(jìn)、出料最大量和熱呼吸量，可以計(jì)算出呼吸閥的通氣量，并依據(jù)通氣量查呼吸閥通氣量曲線確定呼吸閥公稱直徑。當(dāng)缺乏呼吸閥通氣量曲線時(shí)，可依據(jù)表2、表3確定呼吸閥規(guī)格。表2和表3列出了設(shè)阻火器和不設(shè)阻火器時(shí)，儲(chǔ)罐容積、進(jìn)出儲(chǔ)罐的最大液體量和呼吸閥公稱直徑之間的關(guān)系。根據(jù)SH / T 3007—2007《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，設(shè)置氮封系統(tǒng)的可燃液體儲(chǔ)罐排氣可不設(shè)阻火器。

需要說(shuō)明的是，表1中的熱呼吸通量是為了確定呼吸閥規(guī)格而給出的推薦值，不能作為充氮量的依據(jù)。

表2 呼吸閥選用表（設(shè)阻火器）Tab.2 The selection of breathing valve（with fl ame arrester）

表3 呼吸閥選用表（未設(shè)阻火器）Tab.3 The selection of breathing valve（without fl ame arrester）

2.2 呼吸閥開啟壓力的確定

呼吸閥的作用是減少儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間與外界大氣之間的氣體交換，從而減少揮發(fā)性液體的損失。由前面的介紹可知，隨著大氣溫度的升高，儲(chǔ)罐內(nèi)氣相壓力升高，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)氣相壓力p大于呼吸閥的排氣開啟壓力時(shí)，儲(chǔ)罐開始排氣；隨著大氣溫度的降低，儲(chǔ)罐內(nèi)氣相壓力降低，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)氣相壓力p小于充氮壓力時(shí)，儲(chǔ)罐開始充氮。呼吸閥的選擇原則是，在晝夜溫差交替時(shí)，隨著罐內(nèi)壓力升高或降低，呼吸閥應(yīng)盡量少發(fā)生吸氣或者排氣，從而達(dá)到減排的作用。由圖1可知，儲(chǔ)罐氣相空間壓力p按式（1）計(jì)算。

pN為罐內(nèi)氮?dú)獾姆謮海撝惦S著氮?dú)獾呐懦龊脱a(bǔ)入而變化，最大值等于pN0；pV為儲(chǔ)罐內(nèi)液體的蒸汽分壓，只與溫度有關(guān)。純液體不同溫度下的蒸汽壓可利用Antoine方程計(jì)算[3]，見式（2）。

式中，p*為溫度T（溫度單位，K，下同）時(shí)的純液體蒸汽分壓，單位為mmHg；A、B、C為Antoine常數(shù)。各種物質(zhì)的Antoine常數(shù)可以查找文獻(xiàn)[3]。

轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)壓力單位Pa，見式（3）。

當(dāng)p大于呼吸閥的排氣壓力pE時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)的氣體會(huì)排出，增加呼吸閥排氣的開啟壓力可減少呼吸量。根據(jù)式（1），儲(chǔ)罐氣相空間的最大壓力見式（4）。

式中pVH— 可燃液體在晝夜最高溫度時(shí)的飽和蒸汽分壓。

pmax的大小和可燃液體的沸點(diǎn)有關(guān)，沸點(diǎn)越低的介質(zhì)pmax值越大。

呼吸閥的排氣開啟壓力pE的確定應(yīng)綜合考慮介質(zhì)特性、儲(chǔ)罐容積的大小以及經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)pE大于pmax時(shí)，儲(chǔ)罐不進(jìn)料、出料時(shí)，罐內(nèi)的氣相和大氣不發(fā)生氣體交換，此時(shí)可燃液體的損失最小，氮封系統(tǒng)的充氮量也最小。但是對(duì)于大體積的儲(chǔ)罐，選擇的開啟壓力越高，儲(chǔ)罐的造價(jià)也越高，對(duì)于體積較小的儲(chǔ)罐，開啟壓力pE可適當(dāng)選擇大一些，而對(duì)于大體積的儲(chǔ)罐，則應(yīng)選擇小一些。

對(duì)于設(shè)置氮封系統(tǒng)的儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐在壓力低于充氮壓力時(shí)即開始充氮，因此呼吸閥的吸氣開啟壓力無(wú)需再進(jìn)行計(jì)算。

3 氮封系統(tǒng)氮?dú)庀牧康挠?jì)算

儲(chǔ)罐內(nèi)液體的進(jìn)、出以及隨大氣溫度的變化而產(chǎn)生的呼吸，會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)的氣相與外界大氣進(jìn)行氣體交換。此過(guò)程中，充氮量等于儲(chǔ)罐液體排出量Q1與晝夜氣溫變化導(dǎo)致的吸氣量Q2之和。雖然表1給出了不同容積儲(chǔ)罐的熱呼吸通量，但該熱呼吸通量數(shù)值遠(yuǎn)大于儲(chǔ)罐的實(shí)際吸氣量Q2，只能作為選擇呼吸閥使用。實(shí)際的熱呼吸量Q2的計(jì)算較為復(fù)雜，在儲(chǔ)罐既不進(jìn)料也不出料的情況下，儲(chǔ)罐的氣相空間V保持不變，而由于大氣溫度在一晝夜中的變化，會(huì)使得氣相壓力p隨之改變，當(dāng)p大于呼吸閥的開啟壓力pE時(shí)開始排氣，排氣過(guò)程中始終p=pE；當(dāng)p小于充氮壓力pN0時(shí)，充氮系統(tǒng)開始向儲(chǔ)罐中充氮，充氮過(guò)程中始終p=pN0。

設(shè)一晝夜中最高溫度為TH，最低溫度為TL，由于可燃液體存在氣液兩相，在此過(guò)程中可燃液體的飽和蒸汽分壓pV隨著溫度的變化而改變，同時(shí)隨著可燃液體的蒸發(fā)和冷凝而存在氣液兩相之間的傳質(zhì)。首先判斷當(dāng)罐溫由TH降低到TL時(shí)，是否會(huì)有充氮發(fā)生。選取溫度最高點(diǎn)和最低點(diǎn)兩個(gè)狀態(tài)點(diǎn)計(jì)算。如圖1，在溫度最高點(diǎn)呼吸閥排氣結(jié)束，此時(shí)p=pE=pNH+pVH，即pNH=pE-pVH，式中pNH和pVH為高溫點(diǎn)氮?dú)夂涂扇家后w的分壓；溫度下降到最低溫度點(diǎn)TL時(shí)，由氣體的狀態(tài)方程pV=nRT可以導(dǎo)出最低溫度點(diǎn)時(shí)氣相中氮?dú)獾姆謮篜NL，見式（5）。

最低溫度點(diǎn)時(shí)氣相總壓力pL見式（6）。

式中pL—最低溫度點(diǎn)時(shí)氣相總壓；

pE—呼吸閥排氣開啟壓力；

pVH和pVL— 最高溫度點(diǎn)和最低溫度點(diǎn)可燃液體的飽和蒸汽壓；

TL和TH—一晝夜中儲(chǔ)罐的最高和最低溫度。

當(dāng)pL小于pN0時(shí)，氮封系統(tǒng)向儲(chǔ)罐充氮，充氮量計(jì)算如下。

設(shè)儲(chǔ)罐的氣相空間容積為V，溫度最高點(diǎn)時(shí)氮?dú)獾姆謮簽閜NH=pE-pVH，氮?dú)獾哪枖?shù)見式（7）。

式中R—?dú)怏w常數(shù)，8.314 J/(mol·K)，nH單位 mol。

溫度最低點(diǎn)時(shí)氮?dú)獾姆謮簽閜NL=pN0-pVL，氮?dú)獾哪枖?shù)見式（8）。

充氮量見式（9）。

吸入氮?dú)饬空鄢蓸?biāo)準(zhǔn)體積見式（10）。

式中Q2—氮?dú)馕肓浚琺3。

4 排氣損失及冷凝回收率的計(jì)算

儲(chǔ)罐排出的氮?dú)饬康扔诔涞到y(tǒng)充入的氮?dú)饬浚蜏囟纬涞囟▽?dǎo)致高溫段的排氣，由于充氮導(dǎo)致的排氣量見式（11）。

式中nE—排氣摩爾數(shù)；

pV—排氣溫度下溶媒的飽和分壓；

（nL-nH）—排出的氮?dú)饽枖?shù)。

為了減少VOC的排放，同時(shí)回收部分的有機(jī)溶媒，排氣需加冷凝，冷凝回收率與所用的冷媒溫度有關(guān)，冷凝回收率見式（12）[4]。

式中y—冷凝回收率，無(wú)量綱；

pV1和pV2—有機(jī)溶媒在冷凝前后的分壓，Pa。

5 應(yīng)用實(shí)例

某企業(yè)有100 m3的甲醇儲(chǔ)罐一個(gè)，氮?dú)饨?jīng)自力式減壓閥減壓到1 000 Pa 后，作為氮封的氣源，儲(chǔ)罐的最大進(jìn)液出液量均為15 m3/h，日出料量為50 m3/d?，F(xiàn)該甲醇儲(chǔ)罐有一個(gè)排氣開啟壓力為1 750 Pa的呼吸閥，若用 0 ℃制冷水冷凝回收儲(chǔ)罐的排氣，① 請(qǐng)計(jì)算該儲(chǔ)罐呼吸閥的公稱直徑、氮封系統(tǒng)的充氮量及甲醇的日損失量；② 優(yōu)化該儲(chǔ)罐的呼吸閥選型，并計(jì)算該儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)的充氮量及甲醇的日損失量。

解：（a）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

查企業(yè)所在地區(qū)的氣象資料，一晝夜最高溫度按照40 ℃、最低溫度按照20 ℃設(shè)計(jì)（按照夏季氣象資料計(jì)算，有機(jī)溶媒的飽和蒸汽壓夏季最高，呼吸閥的排氣開啟壓力高）。

查《化學(xué)工程手冊(cè)》[3]，甲醇的Antoine常數(shù)分別為：A= 18.587 5；B= 3 626.55；C= - 34.29。利用式（2）和式（3）分別計(jì)算甲醇在20 ℃和40 ℃時(shí)的飽和蒸汽壓。

甲醇20 ℃時(shí)，

甲醇40 ℃時(shí)，

（b）呼吸閥型號(hào)確定

本設(shè)計(jì)由于設(shè)置氮封系統(tǒng)，可不設(shè)阻火器，查表3，選用DN50的呼吸閥可滿足甲醇儲(chǔ)罐的通氣要求。

對(duì)問(wèn)題 ① 進(jìn)行計(jì)算：

本例問(wèn)題 ① 選定的呼吸閥排氣開啟壓力為1 750 Pa。

（a）熱呼吸量及充氮量計(jì)算

由于熱呼吸量和儲(chǔ)罐的裝料系數(shù)有關(guān)，取儲(chǔ)罐容積的一半即50 m3作為平均氣相體積進(jìn)行計(jì)算。

利用式（6）計(jì)算最低溫度時(shí)是否需要充氮， 最低溫度時(shí)的罐壓為：

充氮系統(tǒng)的壓力為101 325 + 1 000 = 102 325 Pa，高于最低溫度時(shí)的罐壓pL，需充氮，充入量按照式（9）計(jì)算：

折成標(biāo)準(zhǔn)體積為531.6×0.022 4 = 11.9 Nm3，此為吸入氮?dú)饬俊?/p>

氮封系統(tǒng)的充氮量等于出料量和由于晝夜溫差而吸入的氮?dú)饬恐?，根?jù)大氣溫度的變化規(guī)律，一般最高溫度出現(xiàn)在16時(shí)，最低溫度出現(xiàn)在6時(shí)，其間相差14 h。但是由于排氣壓力和充氮壓力之間的壓力差，充氮時(shí)間實(shí)際上小于14 h，本例取6 h。故甲醇儲(chǔ)罐的充氮?dú)饬髁繛椋?5×（101 325 + 1 750）/101 3 25 + 11.9 / 6 = 17.2 Nm3/h。

（b）排氣回收率及損失量計(jì)算

熱呼出量按照式（11）計(jì)算：

每天的總排氣量為日進(jìn)料量與熱呼出量之和：

其中含甲醇：

采用0 ℃的制冷水回收排氣，其回收率按式（12）計(jì)算，0 ℃ 時(shí)甲醇的飽和蒸汽分壓為4 012 Pa：

甲醇實(shí)際損失量為33.7× ( 1 - 0.92 ) = 2.7 kg/d。

對(duì)問(wèn)題 ② 進(jìn)行計(jì)算：

（a）呼吸閥排氣壓力的確定

根據(jù)式（4），pmax=pN0+pV= 1 000 + 35 193 =36 193 Pa，由于該甲醇儲(chǔ)罐體積較小，適當(dāng)增加排氣壓力不會(huì)過(guò)多地增加設(shè)備造價(jià)，故選用排氣開啟壓力為39 200 Pa的呼吸閥。

（b）熱呼吸量及充氮量計(jì)算

利用式（6）計(jì)算最低溫度時(shí)是否需要充氮， 最低溫度時(shí)的罐壓為：

充氮系統(tǒng)的壓力為101 325 + 1 000 = 102 325 Pa，低于最低溫度時(shí)的罐壓pL，不需充氮。

其中含甲醇：

采用0 ℃的制冷水回收排氣，其回收率按式（12）計(jì)算，0 ℃時(shí)甲醇的飽和蒸汽分壓為4 012 Pa。

甲醇實(shí)際損失量為24.8×( 1-0.91 ) = 2.2 kg/d。

由于熱呼吸量為0，甲醇儲(chǔ)罐的充氮?dú)饬髁康扔谧畲蟪隽狭?，即。?dāng)一個(gè)罐區(qū)有多個(gè)儲(chǔ)罐需要充氮時(shí)，充氮量應(yīng)為各儲(chǔ)罐同時(shí)最大出料量和各儲(chǔ)罐由于熱呼吸導(dǎo)致的充氮量之和。同時(shí)最大出料量應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況確定，一般小于各儲(chǔ)罐的出料量之和。氮封系統(tǒng)的充氮量還應(yīng)考慮充氮系統(tǒng)管道、管件及呼吸閥的泄漏量，設(shè)計(jì)時(shí)充氮能力應(yīng)留有一定的余量。

6 結(jié)論

氮封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括充氮量的計(jì)算、呼吸閥公稱直徑的確定、呼吸閥排氣開啟壓力的確定、排氣損失量和回收率的計(jì)算等。通過(guò)以上分析可見，呼吸閥的排氣開啟壓力直接影響到充氮量和排氣損失。排氣開啟壓力越高，所需充氮量越小，溶媒損失也越少；沸點(diǎn)越低的可燃液體，應(yīng)盡量選擇排氣開啟壓力大的呼吸閥以降低排氣損失和充氮量。確定呼吸閥的開啟壓力時(shí)要考慮經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于大容積的儲(chǔ)罐，開啟壓力選擇過(guò)大，會(huì)增加設(shè)備的造價(jià)。

熱呼吸量與溶媒的沸點(diǎn)、蒸汽分壓等可燃液體特性有關(guān)，是確定充氮系統(tǒng)充氮量的重要依據(jù)。表1依據(jù)儲(chǔ)罐容積的大小給出了熱呼吸通量，據(jù)此可確定呼吸閥的公稱直徑，但此熱呼吸通量不能作為充氮量的依據(jù)。比如按照表1中100 m3的儲(chǔ)罐熱吸入量為16.9 Nm3/h，而根據(jù)示例中的計(jì)算結(jié)果，對(duì)于甲醇一晝夜的熱吸入量為11.9 Nm3，遠(yuǎn)小于表1中的數(shù)據(jù)。如果按照表1中的熱呼吸通量設(shè)計(jì)充氮量，將造成很大的浪費(fèi)。

[1]GB 50160—2008，石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[2]SH / T 3007—2007，石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]化學(xué)工程手冊(cè)編輯委員會(huì). 化學(xué)工程手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1979.

[4]王紹宇.有機(jī)廢氣處理工藝的探討及處理效果的評(píng)價(jià)[J] .化工與醫(yī)藥工程，2015，36（3）：53-58.

[5]SY/T 6673—2013，常壓與低壓儲(chǔ)罐通風(fēng)安全規(guī)范[S].

Discussion of Key Points in Design of Nitrogen Sealing System in Flammable Liquid Storage Tank

Wang Shaoyu, Hu Fuheng, Han Xu
（The Fourth Research and Design Engineering Co. of CNNC, Shijiazhuang050021）

In this article, for fl ammable liquid storage tank, the methods for the selection of breather valve in nitrogen seal system,the calculation of the capacity of nitrogen supply and the assessment of fl ammable liquid loss were introduced. The principle of designing nitrogen seal system for fl ammable liquids with different boiling points and the method of reducing medium loss were presented.

nitrogen seal system; breather valve; tank farm

TQ 086.2

A

2095-817X（2017）06-0044-006

2017-05-16

王紹宇（1969—），男，研究員，現(xiàn)從事醫(yī)藥化工的設(shè)計(jì)工作。