可燃液體儲罐氮封系統(tǒng)設(shè)計要點探討

王紹宇 胡福恒 韓旭

（中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北石家莊 050021）

可燃液體儲罐氮封系統(tǒng)設(shè)計要點探討

王紹宇 胡福恒 韓旭

（中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北石家莊 050021）

介紹了可燃液體儲罐氮封系統(tǒng)呼吸閥的選型、供氮系統(tǒng)供氮能力的計算以及排氣過程可燃液體損失量的評估，提出了對不同沸點可燃液體氮封系統(tǒng)的設(shè)計原則及降低介質(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)計防火規(guī)范》[1]的要求，甲、乙A類可燃液體儲罐應(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。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，以及對整個氮封系統(tǒng)溶媒損失量和回收率的評估。實踐中經(jīng)常遇到由于氮封系統(tǒng)設(shè)計不合理，導(dǎo)致溶媒損失量大，或供氮系統(tǒng)能力與罐區(qū)的實際需求量相差甚遠的情況，給企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟損失。本文針對氮封系統(tǒng)的上述設(shè)計要點進行討論，以期達到指導(dǎo)設(shè)計的目的。

1 氮封系統(tǒng)簡介

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)的作用是在儲罐的進、出料過程中，通過供氮系統(tǒng)和呼吸閥的配合，控制儲罐內(nèi)氣相空間中氧的含量在安全的濃度。如圖1所示，來自供氮系統(tǒng)的氮氣經(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）后充入儲罐，此為充氮過程，當(dāng)儲罐壓力p等于pN0時，充氮過程結(jié)束（儲罐初次使用時應(yīng)先進行氮氣置換）；當(dāng)儲罐進料時，隨著物料的加入，儲罐氣相空間壓力p升高，當(dāng)儲罐壓力p大于呼吸閥的排放開啟壓力pE時，呼吸閥開始排氣，進料終止時儲罐壓力p等于pE，排氣過程結(jié)束；當(dāng)儲罐出料時，隨著物料的排出，儲罐氣相空間壓力降低，當(dāng)儲罐壓力p小于pN0時，系統(tǒng)開始充氮，出料終止時儲罐壓力p等于pN0。

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

圖中pN0為減壓后充氮氣源壓力；p為儲罐氣相壓力；pN為儲罐氣相中氮氣的分壓；pV為儲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罐的進、出料量有關(guān)外，還和儲罐的熱呼吸量有關(guān)。由于大氣存在晝夜溫差而導(dǎo)致儲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《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》的要求[2]，呼吸閥的吸入量應(yīng)等于儲罐出料時的最大出液量和熱吸入量之和；呼吸閥的呼出量應(yīng)等于儲罐進料時的最大進液量和熱呼出量之和。SH / T 3007—2007《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)液體閃點（閉口）高于45℃時，應(yīng)按照最大進液量的1.07倍計算；當(dāng)液體閃點（閉口）小于或等于45 ℃時，應(yīng)按照最大進液量的2.14倍計算。

儲罐的熱呼吸量與氣候條件、進出料量及可燃液體的蒸汽壓有關(guān)，SH / T 3007—2007《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》根據(jù)儲罐的容積和可燃液體的閃點（閉口），給出了儲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 儲罐熱呼吸通氣量Tab.1 The ventilator capacity of thetank

根據(jù)儲罐的進、出料最大量和熱呼吸量，可以計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，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，儲罐容積、進出儲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《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，設(shè)置氮封系統(tǒng)的可燃液體儲罐排氣可不設(shè)阻火器。

需要說明的是，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，儲罐內(nèi)氣相壓力升高，當(dāng)儲罐內(nèi)氣相壓力p大于呼吸閥的排氣開啟壓力時，儲罐開始排氣；隨著大氣溫度的降低，儲罐內(nèi)氣相壓力降低，當(dāng)儲罐內(nèi)氣相壓力p小于充氮壓力時，儲罐開始充氮。呼吸閥的選擇原則是，在晝夜溫差交替時，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，從而達到減排的作用。由圖1可知，儲罐氣相空間壓力p按式（1）計算。

pN為罐內(nèi)氮氣的分壓，該值隨著氮氣的排出和補入而變化，最大值等于pN0；pV為儲罐內(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方程計算[3]，見式（2）。

式中，p*為溫度T（溫度單位，K，下同）時的純液體蒸汽分壓，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[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，儲罐內(nèi)的氣體會排出，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的飽和蒸汽分壓。

pmax的大小和可燃液體的沸點有關(guān)，沸點越低的介質(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、儲罐容積的大小以及經(jīng)濟性。當(dāng)pE大于pmax時，儲罐不進料、出料時，罐內(nèi)的氣相和大氣不發(fā)生氣體交換，此時可燃液體的損失最小，氮封系統(tǒng)的充氮量也最小。但是對于大體積的儲罐，選擇的開啟壓力越高，儲罐的造價也越高，對于體積較小的儲罐，開啟壓力pE可適當(dāng)選擇大一些，而對于大體積的儲罐，則應(yīng)選擇小一些。

對于設(shè)置氮封系統(tǒng)的儲罐，儲罐在壓力低于充氮壓力時即開始充氮，因此呼吸閥的吸氣開啟壓力無需再進行計算。

3 氮封系統(tǒng)氮氣消耗量的計算

儲罐內(nèi)液體的進、出以及隨大氣溫度的變化而產(chǎn)生的呼吸，會導(dǎo)致儲罐內(nèi)的氣相與外界大氣進行氣體交換。此過程中，充氮量等于儲罐液體排出量Q1與晝夜氣溫變化導(dǎo)致的吸氣量Q2之和。雖然表1給出了不同容積儲罐的熱呼吸通量，但該熱呼吸通量數(shù)值遠大于儲罐的實際吸氣量Q2，只能作為選擇呼吸閥使用。實際的熱呼吸量Q2的計算較為復(fù)雜，在儲罐既不進料也不出料的情況下，儲罐的氣相空間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時開始排氣，排氣過程中始終p=pE；當(dāng)p小于充氮壓力pN0時，充氮系統(tǒng)開始向儲罐中充氮，充氮過程中始終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，是否會有充氮發(fā)生。選取溫度最高點和最低點兩個狀態(tài)點計算。如圖1，在溫度最高點呼吸閥排氣結(jié)束，此時p=pE=pNH+pVH，即pNH=pE-pVH，式中pNH和pVH為高溫點氮氣和可燃液體的分壓；溫度下降到最低溫度點TL時，由氣體的狀態(tài)方程pV=nRT可以導(dǎo)出最低溫度點時氣相中氮氣的分壓PNL，見式（5）。

最低溫度點時氣相總壓力pL見式（6）。

式中pL—最低溫度點時氣相總壓；

pE—呼吸閥排氣開啟壓力；

pVH和pVL— 最高溫度點和最低溫度點可燃液體的飽和蒸汽壓；

TL和TH—一晝夜中儲罐的最高和最低溫度。

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

設(shè)儲罐的氣相空間容積為V，溫度最高點時氮氣的分壓為pNH=pE-pVH，氮氣的摩爾數(shù)見式（7）。

式中R—氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)，nH單位 mol。

溫度最低點時氮氣的分壓為pNL=pN0-pVL，氮氣的摩爾數(shù)見式（8）。

充氮量見式（9）。

吸入氮氣量折成標(biāo)準(zhǔn)體積見式（10）。

式中Q2—氮氣吸入量，m3。

4 排氣損失及冷凝回收率的計算

儲罐排出的氮氣量等于充氮系統(tǒng)充入的氮氣量，低溫段充氮必定導(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）—排出的氮氣摩爾數(shù)。

為了減少VOC的排放，同時回收部分的有機溶媒，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，無量綱；

pV1和pV2—有機溶媒在冷凝前后的分壓，Pa。

5 應(yīng)用實例

某企業(yè)有100 m3的甲醇儲罐一個，氮氣經(jīng)自力式減壓閥減壓到1 000 Pa 后，作為氮封的氣源，儲罐的最大進液出液量均為15 m3/h，日出料量為50 m3/d?，F(xiàn)該甲醇儲罐有一個排氣開啟壓力為1 750 Pa的呼吸閥，若用 0 ℃制冷水冷凝回收儲罐的排氣，① 請計算該儲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)化該儲罐的呼吸閥選型，并計算該儲罐氮封系統(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（按照夏季氣象資料計算，有機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》[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）分別計算甲醇在20 ℃和40 ℃時的飽和蒸汽壓。

甲醇20 ℃時，

甲醇40 ℃時，

（b）呼吸閥型號確定

本設(shè)計由于設(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罐的通氣要求。

對問題 ① 進行計算：

本例問題 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算

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

利用式（6）計算最低溫度時是否需要充氮， 最低溫度時的罐壓為：

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

折成標(biāo)準(zhǔn)體積為531.6×0.022 4 = 11.9 Nm3，此為吸入氮氣量。

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氣量之和，根據(jù)大氣溫度的變化規(guī)律，一般最高溫度出現(xiàn)在16時，最低溫度出現(xiàn)在6時，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，充氮時間實際上小于14 h，本例取6 h。故甲醇儲罐的充氮氣流量為：15×（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算

熱呼出量按照式（11）計算：

每天的總排氣量為日進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）計算，0 ℃ 時甲醇的飽和蒸汽分壓為4 012 Pa：

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

對問題 ② 進行計算：

（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，由于該甲醇儲罐體積較小，適當(dāng)增加排氣壓力不會過多地增加設(shè)備造價，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算

利用式（6）計算最低溫度時是否需要充氮， 最低溫度時的罐壓為：

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）計算，0 ℃時甲醇的飽和蒸汽分壓為4 012 Pa。

甲醇實際損失量為24.8×( 1-0.91 ) = 2.2 kg/d。

由于熱呼吸量為0，甲醇儲罐的充氮氣流量等于最大出料量，即。當(dāng)一個罐區(qū)有多個儲罐需要充氮時，充氮量應(yīng)為各儲罐同時最大出料量和各儲罐由于熱呼吸導(dǎo)致的充氮量之和。同時最大出料量應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的實際情況確定，一般小于各儲罐的出料量之和。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)計時充氮能力應(yīng)留有一定的余量。

6 結(jié)論

氮封系統(tǒng)的設(shè)計包括充氮量的計算、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算等。通過以上分析可見，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要考慮經(jīng)濟性，對于大容積的儲罐，開啟壓力選擇過大，會增加設(shè)備的造價。

熱呼吸量與溶媒的沸點、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的儲罐熱吸入量為16.9 Nm3/h，而根據(jù)示例中的計算結(jié)果，對于甲醇一晝夜的熱吸入量為11.9 Nm3，遠小于表1中的數(shù)據(jù)。如果按照表1中的熱呼吸通量設(shè)計充氮量，將造成很大的浪費。

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

[2]SH / T 3007—2007，石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范[S].

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

[4]王紹宇.有機廢氣處理工藝的探討及處理效果的評價[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)計工作。