尹 柯 周桂青

（湖北君邦環(huán)境技術(shù)有限責(zé)任公司 湖北武漢 430000 武漢中質(zhì)博測檢測技術(shù)有限公司 湖北武漢 430000）

引言

儲罐呼吸是石油化工行業(yè)物料儲運過程中發(fā)生損耗的一個重要原因，儲罐呼吸不僅造成資源的損失，同時，由于呼吸排放物料往往未經(jīng)收集處理直接排至大氣，將會對周邊大氣環(huán)境質(zhì)量造成不利影響，對工人和周圍群眾的健康造成損害。

目前對于儲罐呼吸損耗主要是采用保溫罐、浮頂罐等措施，也有部分企業(yè)采用氮封拱頂罐來達到減少物料損耗的目的。然而氮封技術(shù)究竟在控制儲罐呼吸損耗上如何起作用以及能夠起到多大作用，目前尚未見較為充分可信的論證，較為常見的觀點是“由于氮氣密度比物料密度小，氮氣可以浮在物料蒸汽上方，因此儲罐呼吸時呼出的是氮氣而非物料蒸汽”[1-4]，有文章甚至認為氮封技術(shù)能減少98%的呼吸損耗[5]。

本文認為上述觀點的論據(jù)并不充分，為了搞清氮封技術(shù)在控制儲罐呼吸損耗上的作用，本文將通過對比，對氮封技術(shù)的作用進行探析。

1 儲罐呼吸過程條件設(shè)定

寧波市某化工液體倉儲企業(yè)現(xiàn)有兩座固定頂儲罐，其中甲儲罐無氮封措施，乙儲罐采用了氮封技術(shù)，氮封壓力為0.5kPa，儲罐的其它參數(shù)及操作工況完全相同。儲罐呼吸閥正負壓力分別為1.5kPa和-0.03kPa（均為表壓，以下同）。

條件假設(shè)既要保證結(jié)論的基本準確性，同時，由于影響儲罐內(nèi)液體蒸發(fā)損耗的因素的復(fù)雜性和不確定性[6]，條件假設(shè)也應(yīng)使兩種情況具備可比性。因此本文在進行比較時，重點關(guān)注了影響液體蒸發(fā)的決定性參數(shù)，如溫度、風(fēng)速等[7]，而弱化了對液體蒸發(fā)影響不明顯的參數(shù)，如氣體的密度和熱膨脹系數(shù)的差異。依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程、道爾頓分壓定律、道爾頓蒸發(fā)定律，本文進行了以下假設(shè)：

（1）罐內(nèi)氣體可視為理想氣體。

（2）物料的飽和蒸汽壓只是溫度的函數(shù)。

（3）罐內(nèi)混合氣體的濃度分布是均勻的。

（4）忽略溫度變化的滯后性。

（5）不考慮收發(fā)物料過程中罐內(nèi)湍流和風(fēng)速的影響。

2 甲、乙儲罐工作過程比較

2.1 儲罐發(fā)料

儲罐發(fā)料過程中兩座儲罐工作過程如下：

甲罐：在發(fā)料過程中，呼吸閥關(guān)閉，當(dāng)壓力降低到呼吸閥的壓力下限-0.03kPa時，呼吸閥打開，儲罐開始吸入空氣，發(fā)料結(jié)束后，儲罐內(nèi)壓力為-0.03kPa；此時罐內(nèi)氣體為空氣和物料的混合氣體。

乙罐：在發(fā)料過程中，呼吸閥關(guān)閉，罐內(nèi)壓力降低，當(dāng)壓力降低到氮封閥設(shè)定壓力0.5kPa時，氮封閥打開，儲罐開始吸入氮氣，此時蒸汽分壓繼續(xù)降低，而氮氣分壓增加，發(fā)料結(jié)束后，儲罐內(nèi)壓力為0.5kPa，此時罐內(nèi)氣體為氮氣和物料的混合氣體。

從上述過程可看出，發(fā)料過程二者的區(qū)別主要體現(xiàn)在發(fā)料結(jié)束時，甲罐的壓力為-0.03kPa，乙罐壓力為0.5kPa。

2.2 儲罐收料

儲罐收過程中兩座儲罐過程如下：

甲罐：初始壓力為-0.03kPa，隨著液面升高，罐內(nèi)氣體壓力增大，當(dāng)壓力高于1.5kPa時，呼吸閥打開，向外呼出氣體。

乙罐：初始壓力為0.5kPa，隨著液面升高，罐內(nèi)氣體壓力增大，當(dāng)壓力高于1.5kPa時，呼吸閥打開，向外呼出氣體。

從上述過程可看出，收料過程二者的區(qū)別主要體現(xiàn)在乙罐的初始壓力為0.5kPa。

從以上比較可以看出，甲乙兩座儲罐工作過程中，唯一的區(qū)別在于壓力的不同，這是由于設(shè)置氮封的乙儲罐會向罐內(nèi)補充氮氣，使得乙儲罐的罐內(nèi)氣體壓力總是大于0.5kPa，可以理解為是將呼吸閥的壓力下限提高到了0.5kPa，使得罐內(nèi)氣體空間能夠維持一個“微正壓”。

3 建立過程模型

通過甲乙兩座儲罐工作過程的比較，得出二者的主要差異在于乙罐內(nèi)存在壓力為0.5kPa的氮氣，這樣通過建立物理模型，分析該壓力對儲罐內(nèi)液體蒸發(fā)的影響，便能判斷氮封對儲罐呼吸損耗的影響程度。

假設(shè)甲儲罐罐內(nèi)為空氣，壓力為常壓（絕壓為101.3kPa）乙儲罐罐內(nèi)為氮氣，壓力為0.5kPa（絕壓為101.8kPa）。溫度均為常溫25℃，現(xiàn)以同樣的速率往甲乙兩座儲罐內(nèi)充裝同種液體。

根據(jù)道爾頓蒸發(fā)定律：

W-液體蒸發(fā)速率；（E—e）為液面上方蒸汽不飽和程度，其中E為特定溫度下液體的飽和蒸汽壓，e為液面上蒸汽的實際蒸汽壓；P為環(huán)境壓力（絕壓）；C為與風(fēng)速有關(guān)的比例系數(shù)（根據(jù)本文假設(shè)，C設(shè)定為1）。

罐內(nèi)液體的蒸發(fā)速率與蒸汽的不飽和程度及環(huán)境壓力有關(guān)，甲乙兩座儲罐的蒸汽飽和程度是相同的，因此P為影響二者蒸發(fā)速率的唯一因素。對于本文中的甲乙儲罐，環(huán)境壓力對蒸發(fā)速率的影響程度用二者的速率差與甲儲罐的蒸發(fā)速率比值F來表示。則

從計算結(jié)果可以看出乙儲罐保持的“微正壓”對液體蒸發(fā)速率的影響非常小，本文在對二者進行比較時，認為甲乙兩座儲罐內(nèi)液體的初始蒸發(fā)速率是相同的。

隨著收料的進行，儲罐內(nèi)液體的蒸發(fā)，罐內(nèi)氣體總壓及蒸汽分壓都會增加，由于蒸汽分壓受蒸發(fā)作用和體積變化的雙重影響，通過推導(dǎo)不難得出，罐內(nèi)蒸汽分壓與時間呈正比例關(guān)系，進而得出液體蒸發(fā)速率W為時間t的反比例函數(shù)。

圖中紅線表示甲罐內(nèi)液體蒸發(fā)速率隨時間的變化關(guān)系，設(shè)為W=W（t）；綠線表示乙罐內(nèi)液體蒸發(fā)速率隨時間的變化關(guān)系，設(shè)為W=W’（t）。根據(jù)蒸發(fā)量與蒸發(fā)速率的關(guān)系，則甲罐液體在此時間段內(nèi)的蒸發(fā)量為罐液體在此時間段內(nèi)的蒸發(fā)量為

表1 甲、乙罐內(nèi)液體收料過程蒸發(fā)情況

從上表不難看出甲罐的總蒸發(fā)量為Q=Q1+Q2+Q3+Q4，乙罐的總蒸發(fā)量為Q'=Q1'+Q2'+Q3'+Q4'，Q'>Q，也即在此過程中乙罐的蒸發(fā)量要大于甲罐。

通過上述分析可看出，氮封措施并不能減少儲罐收料時的蒸發(fā)損耗。

假設(shè)儲罐收料結(jié)束后，又以相同的速率發(fā)料，可以看作是收料過程的一個逆過程。由于罐內(nèi)氣體壓力較低，根據(jù)道爾頓分壓定律，混合氣體的總壓等于各氣體的分壓之和，而根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知，在溫度恒定的情況下，氣體的壓力是其體積的函數(shù)，對于同樣的物質(zhì)，只要其體積變化率一致，則其壓力變化率也是一致的。甲、乙兩座儲罐內(nèi)的物料蒸汽，由于其發(fā)料速率相同，二者的體積變化率是相同的，因此甲乙兩座儲罐內(nèi)蒸汽分壓隨體積的變化率也是相同的。又由于甲乙儲罐發(fā)料前的初始蒸汽分壓相同（E4=e4'），因此發(fā)料結(jié)束后甲乙儲罐的蒸汽分壓相同（E5=e5'），根據(jù)道爾頓蒸發(fā)定律，在此過程中，甲乙儲罐液體蒸發(fā)量是相同的。因此氮封措施也不能減少儲罐發(fā)料時的蒸發(fā)損耗。

綜上可以看出，儲罐氮封措施不能減少儲罐的大呼吸。

假設(shè)發(fā)料結(jié)束后罐內(nèi)仍有1/3的液體，此時儲罐進入靜置狀態(tài)，儲罐在靜置狀態(tài)下，罐內(nèi)氣體空間體積不變，罐內(nèi)氣體壓力只是溫度的函數(shù)，隨著一天之內(nèi)氣溫的升降，罐內(nèi)氣體壓力將會發(fā)生周期性的變化。

當(dāng)處于升溫狀態(tài)時，液體的飽和蒸汽壓變大，蒸發(fā)速率變大，根據(jù)克拉佩龍方程，物料的飽和蒸汽壓只與物料本身性質(zhì)和溫度有關(guān)，因此在此過程中，甲乙兩罐內(nèi)液體的飽和蒸汽壓E是相同的，隨著罐內(nèi)氣體壓力增大，乙儲罐呼吸閥先打開，呼出氣體；溫度進一步增加，甲儲罐呼吸閥也打開，呼出氣體；可以看出，升溫過程和儲罐的收料過程是相似的，同理，儲罐的降溫過程與發(fā)料過程相似。

由儲罐收發(fā)料過程的結(jié)論可以推斷，氮封措施不能降低儲罐升溫和降溫時物料的蒸發(fā)損耗，也即不能減少儲罐的小呼吸。

結(jié)語

從上述分析過程和結(jié)果可見，氮封帶來的“微正壓”無論是在儲罐大呼吸過程還是在儲罐小呼吸過程中都不能減少罐內(nèi)液體的蒸發(fā)量。即使考慮到氮氣與空氣性質(zhì)的差異，也不會對蒸發(fā)過程產(chǎn)生巨大影響。從氮封技術(shù)產(chǎn)生的歷史背景來看，其主要目的也是防止儲罐內(nèi)物料被氧化以及保證儲罐安全，安全意義遠大于環(huán)保意義。因此，在設(shè)計儲罐廢氣治理技術(shù)方案和評價儲罐廢氣排放源強時，氮封技術(shù)是不應(yīng)作為一項環(huán)保措施考慮的，更不能草率認為氮封技術(shù)能有效的減少儲罐的呼吸損耗。