制藥、食品工業(yè)埋地式乙醇儲罐工藝設計與分析

孫秀光

（中國船舶集團第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150036）

乙醇做為一種良好的液態(tài)有機溶劑，常用于制藥、食品工業(yè)中，做為有機溶媒來提取藥用或食用植物中的有效成分，對醇提取液進行蒸發(fā)濃縮分離提取物與乙醇溶媒，回收的乙醇溶液經(jīng)精餾后循環(huán)使用，性價比高。

在制藥、食品工業(yè)中有廣泛用途。做為溶媒，其缺點是易揮發(fā)、有潮解性、有毒性、一定濃度的液體可燃、揮發(fā)氣與空氣混合達到一定濃度遇明火燃燒爆炸。

埋地儲罐具有節(jié)省地面空間、結(jié)構(gòu)緊湊、埋地儲罐內(nèi)介質(zhì)溫度低、易于防火防爆、揮發(fā)性溶劑蒸發(fā)耗損小等優(yōu)點；又可縮小儲罐與相鄰建筑物、道路等防火間距且無需設置防火堤，又能提高儲罐的安全性；但同時需考慮儲罐外壓力、事故泄漏液體或水浮力及填充物腐蝕等因素影響。

埋地式儲罐工藝設計參照執(zhí)行的標準多，因此本文結(jié)合相關國家標準對埋地式乙醇儲罐工藝參數(shù)進行詳細的工藝設計計算并對工程數(shù)據(jù)的合理性取值給予分析，對埋地式乙醇儲罐的工藝設計在行業(yè)內(nèi)起到一定的指導意義。

1 乙醇物性與埋地式儲罐設備選型參數(shù)

1.1 乙醇物性見表1

表1 不同濃度乙醇物性表Tabl.1 Physical properties of ethanol with different concentrations

1.2 埋地式儲罐設計參數(shù)選取

本實例為中藥乙醇提取物生產(chǎn)過程之使用，故執(zhí)行GB 51283—2020《精細化工企業(yè)工程設計防火標準》[3]。

其中：第5 條第5.5.1 款：“1 每種物料的儲量不應超過生產(chǎn)設施1 d 的需求量或產(chǎn)出量，且可燃氣體總?cè)莘e不應大于1 000 m3，液化烴總?cè)莘e不應大于100 m3，可燃液體總?cè)莘e不應大于1 000 m3；”規(guī)定，其使用乙醇量較小，醇提罐、滲漉罐及醇沉罐全部生產(chǎn)設施1 天生產(chǎn)需求量最大為40 m3，故設計兩臺20 m3儲罐用來儲存外來槽車卸料新乙醇（濃度95%）見表2；設計22 臺3 m3儲罐用來儲存生產(chǎn)循環(huán)乙醇（濃度低于75%）。

表2 乙醇儲罐設備設計參數(shù)表Tab.2 Design parameters of ethanol storage tank equipment

本文重點討論和分析儲存新乙醇20 m3（濃度95%）儲罐的工藝設計。

1.3 埋地式乙醇儲罐布置、結(jié)構(gòu)設計及其安裝固定形式

1.3.1 埋地式儲罐布置

依據(jù)GB 50160—2018《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》[4]第3 章 火災危險性分類；確定本實例用乙醇液體介質(zhì)火災類別為甲B 類。

依據(jù)GB 50016—2014（2018年版）《建筑設計防火規(guī)范》[5]第4 條第4.1.1 款：“甲、乙、丙類液體儲罐（區(qū)）宜布置在地勢較低的地帶。當布置在地勢較高的地帶時，應采取安全防護設施?！币?guī)定。

由于建筑場地受限，為滿足建筑物的防火間距及生產(chǎn)需求，本實例乙醇儲罐全部做埋地式工藝設計。

依據(jù)GB 51283—2020《精細化工企業(yè)工程設計防火標準》第6 條第6.2.2 款：“單罐容積不小于100 m3的甲B、乙A 類液體儲存應選用內(nèi)浮頂罐。采用固定頂罐或低壓罐時，應采用氮氣或惰性氣體密封，并采取減少日曬升溫的措施?！币?guī)定。對本實例中藥醇提生產(chǎn)配套的埋地式乙醇儲罐（儲存95%濃度的新乙醇，設備編號R1011-2）可參考實施氮封工藝設計；其他埋地式乙醇儲罐（儲存濃度低于75%的稀乙醇）可采用常溫、常壓無氮封工藝設計；同時均應考慮揮發(fā)氣逃逸處理。

1.3.2 埋地式乙醇儲罐外壓力與壁厚設計計算

（1）儲罐埋于地下，需考慮填充物對筒體外壓力，設計外壓力按以下公式計算[6]：

式中P——覆混土對儲罐筒體的靜壓力，MPa；

P0——修正后的覆混土對儲罐筒體的靜壓力，MPa；

R——儲罐筒體內(nèi)徑的一半，m；

H——儲罐頂部距離地面的距離，m；

K——覆混土的靜壓力系數(shù)，碎石土K= 0.18～0.25；砂土K= 0.25～0.33；粘土K= 0.33。

經(jīng)計算儲罐所受靜壓力：

由于覆混土層上方或加設一層防雨層或其他載荷，故對P值給予1.1 的系數(shù)修正，修正后的覆層對儲罐筒體的靜壓力：

P0= 0.040 7 MPa

經(jīng)過程設備強度計算軟件SW6 計算出所需筒體壁厚，20 m3儲罐壁厚δ= 6 mm。

（2）埋地式乙醇儲罐結(jié)構(gòu)設計

埋地式乙醇儲罐結(jié)構(gòu)見圖1 示，主要由筒體、封頭、鞍式支座、人孔、人孔封蓋、液位計、呼吸閥、阻火器等部件組成。

圖1 埋地乙醇儲罐結(jié)構(gòu)與工藝管路及儀表流程圖（無氮封設置）Fig.1 Structure,process pipeline and instrument flow diagram of buried ethanols torage tank (no nitrogen seal setting)

儲罐安裝位于地面±0.00 m 以下建筑物池井中并干砂質(zhì)實物填充，故障泄漏不易發(fā)現(xiàn)且檢修難度大，基于此特性，此類儲罐在結(jié)構(gòu)設計上應盡量減少罐體上的開孔和埋地管聯(lián)接；因此，罐體筒體長度小于6 m，設計一個人孔；進出管路、液位計及呼吸閥全部經(jīng)人孔蓋處接出，人孔內(nèi)外設直梯，便于進出檢修使用，為避免雨水灌注砼制孔內(nèi)，腐蝕人孔處管件閥門、儀表，砼制孔上方加防雨蓋板或擋雨棚；如儲罐筒體長度≥6 m 時，應做雙人孔設計，接管與檢修各自專用。

1.3.4 埋地式儲罐安裝固定形式

安裝儲罐的建筑物池井應考慮防地下水、雨水、事故泄漏等因素，設置積液池事故池，使用檢測管抽取積液周期性檢查，池井內(nèi)外做防水防腐涂層，池井底部留有一定坡度，便于流向積液事故池。工藝管路安裝后要求密封、穩(wěn)固并考慮突發(fā)性水位升高情況，池井內(nèi)的埋地儲罐與基礎必須固定，固定的方法如 下：

（1）儲罐本體無鞍座時，直接安裝在混凝土鞍座基礎上，罐體上安裝有襯板，襯板上焊接定位板防止儲罐滾動，設備就位后使用鋼制扁鋼為儲罐做圓周固定到砼基礎上，可采用鋼板焊接或螺栓聯(lián)接固定形式。

（2）儲罐本體設置鞍座時，鞍座底板水平徑向開螺栓孔，砼基礎平面上預埋設墊板并配裝地腳螺栓，儲罐就位時螺栓與鞍座螺栓孔對孔固定，并加裝防松動螺栓緊固。應注意儲罐鞍座一端為固定端，另一端為滑動端（加工長條形螺栓孔），減少溫度應力產(chǎn)生的脹縮。

（3）如果地下水位比較高或可能產(chǎn)生雨、水灌注時，應考慮計算儲罐抗浮力[7]，按下式計算：

F抗浮力=G罐+G覆混土-F浮≥0

式中G罐——儲罐空置重量，N；

G覆混土——儲罐半徑切面正上方覆混土重量，N；

F浮——系數(shù)修正后的水浮力，N，F(xiàn)浮=KV水ρ水g；

K——安全系數(shù)，一般取1.1～1.3；

V水——考慮儲罐浸入最高水位以下的體積，m3；

ρ水——水的密度值，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2。

本實例由于罐池頂部澆筑有一層砼防雨（亦可取消砼防雨層，改為全罐區(qū)防雨棚設計型式）、防水層，罐池井內(nèi)外設置防水層，所以可不考慮浮力的影響，對于未設置防雨、防水層的情況，需考慮并計算水浮力的影響。

2 埋地儲罐工藝管路設計

2.1 工藝管路及儀表流程圖設計（PID）

無氮封設置工藝管路及儀表流程圖見圖1；有氮封設置工藝管路及儀表流程圖見圖2。

圖2 工藝管路及儀表流程圖（有氮封設置）Fig.2 Process pipeline and instrument flow chart（with nitrogen seal setting）

2.2 操用溫度、壓力的選擇

埋地儲罐地埋深度一般選擇在±0.00 mg下-1.0～-0.5 m；儲罐罐內(nèi)溫度與當?shù)丨h(huán)境溫度有關，罐內(nèi)溫度直接影響乙醇液體的飽和蒸汽壓力和揮發(fā)速率。同時環(huán)境溫度高低與操作壓力成正比關系，故控制埋地式儲罐的罐內(nèi)最高溫度有實用價值。本文論述的項目地在山西運城，年平均大氣溫度：白天21 ℃，夜間10 ℃，極端高溫42.7 ℃，極端低溫-18.9 ℃，判斷罐內(nèi)乙醇最高溫度應小于30 ℃。

根據(jù)SH/T 3007—2014《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設計規(guī)范》第4.2.5 條和第5.1.9 條，需要設置氮封、帶阻火器的單呼吸閥。根據(jù)第3.5 條，用氮氣密封保護的儲罐，其操作壓力宜為0.2～0.5 kPa[8]。

設置有呼吸閥的儲罐，其罐內(nèi)操作壓力選定范圍為1～1.5 kPa。

項目氮氣供源壓力選定0.3～0.6 MPa，選用自力式微壓調(diào)節(jié)供氮閥，控制罐內(nèi)氮封壓力在1.0～1.5 kPa范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)微正壓操作，阻斷空氣的進入，控制混合氣體的爆炸濃度。

依據(jù)SYT 0511.1—2010《石油儲罐附件 第一部分：呼吸閥》第4.5 條 表1 呼吸閥開啟壓力分級表的規(guī)定[9]，見表3。

表3 呼吸閥開啟壓力分級表Tab.3 Classification table for opening pressure of breather valve

無氮封設置時，選擇呼出壓力為D 級的單呼閥做為一級安全保護措施，進液超壓時單呼閥自動排氣（汽），排出的氣（汽）體進入螺冷水浴器回收至回收罐待處理。當儲罐壓力持續(xù)升高時，二級保護措施-呼吸閥開啟直排大氣環(huán)境；當儲罐出現(xiàn)事故壓力時，三級安全保護措施手動閥門人工開啟。

有氮封設置時，泄氮壓力應小于呼吸閥開啟壓力，泄氮閥后排出的混合氣優(yōu)先排入螺冷水浴回收器，吸收后待處理；泄氮閥出現(xiàn)失穩(wěn)時，二級保護措施呼吸閥啟動真排大氣環(huán)境；當儲罐出現(xiàn)事故壓力時，三級安全保護措施手動閥門人工開啟。

無論有無氮封設置，三級保護措施均可采用手動閥門或全自動開關閥門控制。

采用氮封措施加螺冷水浴回收尾氣的聯(lián)合處理，應視儲罐容積及數(shù)量確定，亦可二選一。

埋地儲罐設計壓力范圍：-0.098～0.095 MPa，依GB 50160—2008 2.0.28《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》低壓儲罐 設計壓力大于6.9 kPa 且小于0.1 MPa（罐頂表壓）的儲罐[10]。

因此本項目儲罐設計為低壓儲罐。

2.3 外來乙醇卸車灌注埋地儲罐

由于系統(tǒng)設計了回收器及多級安全保護，外來乙醇卸車時需要槽罐車的氣、液兩相管線與儲罐的氣、液兩相管線分別接通，使儲罐與槽罐車氣相平衡，利用槽罐車與埋地儲罐的液位差自流灌注。

2.4 埋地儲罐內(nèi)乙醇輸送至使用點

埋地式儲罐內(nèi)乙醇輸送到各使用點的形式可采用真空輸送、液下泵輸送、地面設置自吸泵輸送等多種形式，本文暫討論地面設置液環(huán)自吸離心泵的輸 送。

2.4.1 自吸離心泵輸送

自吸離心泵安裝高度驗算

（1）依據(jù)介質(zhì)物性，選用防爆液環(huán)自吸離心泵，額定流量Q= 12 m3/h；額定揚程H= 24 m 額定自吸程H吸程= 5 m。

依據(jù)泵制造商提供的數(shù)據(jù)，泵的必須汽蝕余量增加0.5～1 m 的富余能頭作為允許汽蝕余量（有效汽蝕余量），因此：

泵允許汽蝕余量NPSH= 泵必須汽蝕余量NPSHr+1 = 10.33-H吸程-0.5+1 = 10.33-5-0.5+1 = 5.83 m

（2）依自吸鶴管管路壓頭損失hf

依《化工工藝設計手冊》（第五版）下冊（表33-5 常用介質(zhì)流速的推薦值，離心泵吸入口，1～2 m/s），選取泵入口介質(zhì)流速u= 1.5 m/s[11]。

依GB/T 12771—2019 標準選用φ57 mm×1.5 mm不銹鋼衛(wèi)生管（06Cr19Ni10）[12]，其內(nèi)徑d= 54 mm。

校核管內(nèi)流速1.46 m/s；在推薦值范圍內(nèi)偏下，用于吸入管流速比較合適。

雷諾數(shù)Re=Duρ/μ= 0.054×1.46×811.44/1.434×10-3=0.446×105

（其中：乙醇黏度μ=（-0.006 0C2+ 0.650 6C+6.679）× 10-4，C-濃度值分母數(shù)。）[13]

所選用不銹鋼衛(wèi)生管屬于水力光滑管，3×103＜Re ＜1×105。

不銹鋼衛(wèi)生管的摩擦因子：

泵吸入管直管與管件、閥門當量長度和L+Le=15+9.96 = 24.96 m（見表4）。

表4 直管與管件、閥門當量計算表Tab.4 Calculation of equivalent of straight pipe，pipe fittings and valves

泵吸入管路總壓頭損失：hf=λΣLi/D×u2/2g =0.021 8×24.96/0.054×1.462/2 g = 1.10 m。

泵允許安裝高度Hg=（P罐-Pv）/NPSHhf=（102 705-5 800）/811.44 g-5.83-1.10 = 5.25 m。

（其中：罐內(nèi)液面壓力取值P罐= 102.705×103Pa；乙醇飽和蒸汽壓Pv= 5.8×103Pa。）

泵的實際安裝高度H= 3.8 m ＜Hg；設計高度滿足需求。

2.5 埋地儲罐高低液位及DCS 系統(tǒng)控制

2.5.1 埋地儲罐高、低液位設計

（1）儲罐高液位h高應滿足高液位報警時，10～15 min 儲罐最大進液量時儲罐不溢出，h高=H-（h2+h3），乙醇儲罐不考慮泡沫影響，忽略h1；20 m3儲罐內(nèi)乙醇存量高位應為2～3 m3，液位控制在0.32～0.42 m 之間比較安全，h2折算高度取值0.32；h3安全裕量取值0.2 m。

h高= 2.0 -（0.32 + 0.2）= 1.48 m。此時充裝體積16.3 m3；充裝系數(shù)η= 16.3/20 = 0.815 ＜0.85。

充裝系數(shù)滿足安全要求。

（2）儲罐低液位h低應滿足10～15 min 內(nèi)乙醇輸送泵不會發(fā)生汽蝕。低液位報警時，20 m3儲罐內(nèi)乙醇存量應為2～3 m3，液位控制在0.32～0.42 m 之間比較安全。

根據(jù)GB 50160 —2008《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》第6.2.24 條，乙醇進料管從上部接入，延伸至距乙醇儲罐罐底0.2 m，h低時進料仍處于液面下，滿足要求。

2.5.2 DCS 系統(tǒng)控制

（1）乙醇儲罐的控制并用醇提車間DCS 控制系統(tǒng)，兩地報警設置（現(xiàn)場與上位機顯示）。

①儲罐設置壓力變送器、就地壓力表。自力式氮封閥、泄氮閥通過壓力表的變化來調(diào)節(jié)氮封系統(tǒng)的微正壓系統(tǒng)穩(wěn)定性。

②儲罐設置了高、低液位，高液位聯(lián)鎖切斷進液保護，低液位聯(lián)鎖停泵保護；泵啟動故障報警控制等。

③模擬量、其他運行數(shù)據(jù)的操作通過SQL Server 數(shù)據(jù)庫讀寫來完成運行數(shù)據(jù)報表。

（2）乙醇屬于甲B 類易燃液體，根據(jù)GB 50493—2009《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢報警設計規(guī)范》設置可燃氣體檢測器[14]，信號傳給就地與控制室，就地采用聲光報警；控制室采用閃爍與語音報警。

（3）揮發(fā)性可燃氣體檢測點布置在可能泄漏的位置如：輸送泵 、儲罐人孔、事故池口處等，并對事故池應單獨設置池內(nèi)液體濃度在線監(jiān)測，數(shù)據(jù)上傳給DCS 控制系統(tǒng)，信號用于其報警及事故應急處理。

（4）乙醇屬于可燃、易爆液體，揮發(fā)性強，根據(jù)GB 18218—2018《危險化學品重大危險源辨識》乙醇臨界量為500 t[15]。

3 結(jié)束語

根據(jù)乙醇火災危險性特點和揮發(fā)性與溫度關系原則，采用臥式埋地儲罐，降低工作溫度，控制揮發(fā)性乙醇氣體聚集濃度；通過詳細計算泵安裝高度、氮封壓力、高低液位設定等工藝參數(shù)和工程數(shù)據(jù)合理取值，優(yōu)化工藝設計；擬增設螺冷水浴回收裝置，解決呼出混合乙醇氣（汽）體的分離回收；設置氮封和泄壓安全的多級保護；采用DCS 系統(tǒng)，保證儲罐進料和出料的流量、液位控制，設置可燃氣檢測報警，確保儲罐區(qū)（危險源）安全有效、環(huán)保運行。