氮封技術(shù)控制固定頂儲(chǔ)罐呼吸損耗探析

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(cè)檢測(cè)技術(shù)有限公司 湖北武漢 430000）

引言

儲(chǔ)罐呼吸是石油化工行業(yè)物料儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中發(fā)生損耗的一個(gè)重要原因，儲(chǔ)罐呼吸不僅造成資源的損失，同時(shí)，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(huì)對(duì)周邊大氣環(huán)境質(zhì)量造成不利影響，對(duì)工人和周圍群眾的健康造成損害。

目前對(duì)于儲(chǔ)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(lái)達(dá)到減少物料損耗的目的。然而氮封技術(shù)究竟在控制儲(chǔ)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(jiàn)較為充分可信的論證，較為常見(jiàn)的觀點(diǎn)是“由于氮?dú)饷芏缺任锪厦芏刃。獨(dú)饪梢愿≡谖锪险羝戏剑虼藘?chǔ)罐呼吸時(shí)呼出的是氮?dú)舛俏锪险羝盵1-4]，有文章甚至認(rèn)為氮封技術(shù)能減少98%的呼吸損耗[5]。

本文認(rèn)為上述觀點(diǎn)的論據(jù)并不充分，為了搞清氮封技術(shù)在控制儲(chǔ)罐呼吸損耗上的作用，本文將通過(guò)對(duì)比，對(duì)氮封技術(shù)的作用進(jìn)行探析。

1 儲(chǔ)罐呼吸過(guò)程條件設(shè)定

寧波市某化工液體倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)現(xiàn)有兩座固定頂儲(chǔ)罐，其中甲儲(chǔ)罐無(wú)氮封措施，乙儲(chǔ)罐采用了氮封技術(shù)，氮封壓力為0.5kPa，儲(chǔ)罐的其它參數(shù)及操作工況完全相同。儲(chǔ)罐呼吸閥正負(fù)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(zhǔn)確性，同時(shí)，由于影響儲(chǔ)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(jìn)行比較時(shí)，重點(diǎn)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(duì)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(jìn)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(guò)程中罐內(nèi)湍流和風(fēng)速的影響。

2 甲、乙儲(chǔ)罐工作過(guò)程比較

2.1 儲(chǔ)罐發(fā)料

儲(chǔ)罐發(fā)料過(guò)程中兩座儲(chǔ)罐工作過(guò)程如下：

甲罐：在發(fā)料過(guò)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(shí)，呼吸閥打開(kāi)，儲(chǔ)罐開(kāi)始吸入空氣，發(fā)料結(jié)束后，儲(chǔ)罐內(nèi)壓力為-0.03kPa；此時(shí)罐內(nèi)氣體為空氣和物料的混合氣體。

乙罐：在發(fā)料過(guò)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(shí)，氮封閥打開(kāi)，儲(chǔ)罐開(kāi)始吸入氮?dú)猓藭r(shí)蒸汽分壓繼續(xù)降低，而氮?dú)夥謮涸黾樱l(fā)料結(jié)束后，儲(chǔ)罐內(nèi)壓力為0.5kPa，此時(shí)罐內(nèi)氣體為氮?dú)夂臀锪系幕旌蠚怏w。

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

2.2 儲(chǔ)罐收料

儲(chǔ)罐收過(guò)程中兩座儲(chǔ)罐過(guò)程如下：

甲罐：初始?jí)毫?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(shí)，呼吸閥打開(kāi)，向外呼出氣體。

乙罐：初始?jí)毫?.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(shí)，呼吸閥打開(kāi)，向外呼出氣體。

從上述過(guò)程可看出，收料過(guò)程二者的區(qū)別主要體現(xiàn)在乙罐的初始?jí)毫?.5kPa。

從以上比較可以看出，甲乙兩座儲(chǔ)罐工作過(guò)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(chǔ)罐會(huì)向罐內(nèi)補(bǔ)充氮?dú)猓沟靡覂?chǔ)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(gè)“微正壓”。

3 建立過(guò)程模型

通過(guò)甲乙兩座儲(chǔ)罐工作過(guò)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?dú)猓@樣通過(guò)建立物理模型，分析該壓力對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)液體蒸發(fā)的影響，便能判斷氮封對(duì)儲(chǔ)罐呼吸損耗的影響程度。

假設(shè)甲儲(chǔ)罐罐內(nèi)為空氣，壓力為常壓（絕壓為101.3kPa）乙儲(chǔ)罐罐內(nèi)為氮?dú)猓瑝毫?.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(chǔ)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(shí)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(chǔ)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(duì)于本文中的甲乙儲(chǔ)罐，環(huán)境壓力對(duì)蒸發(fā)速率的影響程度用二者的速率差與甲儲(chǔ)罐的蒸發(fā)速率比值F來(lái)表示。則

從計(jì)算結(jié)果可以看出乙儲(chǔ)罐保持的“微正壓”對(duì)液體蒸發(fā)速率的影響非常小，本文在對(duì)二者進(jìn)行比較時(shí)，認(rèn)為甲乙兩座儲(chǔ)罐內(nèi)液體的初始蒸發(fā)速率是相同的。

隨著收料的進(jìn)行，儲(chǔ)罐內(nèi)液體的蒸發(fā)，罐內(nèi)氣體總壓及蒸汽分壓都會(huì)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(guò)推導(dǎo)不難得出，罐內(nèi)蒸汽分壓與時(shí)間呈正比例關(guān)系，進(jìn)而得出液體蒸發(fā)速率W為時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間段內(nèi)的蒸發(fā)量為罐液體在此時(shí)間段內(nèi)的蒸發(fā)量為

表1 甲、乙罐內(nèi)液體收料過(guò)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(guò)程中乙罐的蒸發(fā)量要大于甲罐。

通過(guò)上述分析可看出，氮封措施并不能減少儲(chǔ)罐收料時(shí)的蒸發(fā)損耗。

假設(shè)儲(chǔ)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(guò)程的一個(gè)逆過(guò)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(duì)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)罐的蒸汽分壓相同（E5=e5'），根據(jù)道爾頓蒸發(fā)定律，在此過(guò)程中，甲乙儲(chǔ)罐液體蒸發(fā)量是相同的。因此氮封措施也不能減少儲(chǔ)罐發(fā)料時(shí)的蒸發(fā)損耗。

綜上可以看出，儲(chǔ)罐氮封措施不能減少儲(chǔ)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(shí)儲(chǔ)罐進(jìn)入靜置狀態(tài)，儲(chǔ)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(huì)發(fā)生周期性的變化。

當(dāng)處于升溫狀態(tài)時(shí)，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(guò)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(chǔ)罐呼吸閥先打開(kāi)，呼出氣體；溫度進(jìn)一步增加，甲儲(chǔ)罐呼吸閥也打開(kāi)，呼出氣體；可以看出，升溫過(guò)程和儲(chǔ)罐的收料過(guò)程是相似的，同理，儲(chǔ)罐的降溫過(guò)程與發(fā)料過(guò)程相似。

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

結(jié)語(yǔ)

從上述分析過(guò)程和結(jié)果可見(jiàn)，氮封帶來(lái)的“微正壓”無(wú)論是在儲(chǔ)罐大呼吸過(guò)程還是在儲(chǔ)罐小呼吸過(guò)程中都不能減少罐內(nèi)液體的蒸發(fā)量。即使考慮到氮?dú)馀c空氣性質(zhì)的差異，也不會(huì)對(duì)蒸發(fā)過(guò)程產(chǎn)生巨大影響。從氮封技術(shù)產(chǎn)生的歷史背景來(lái)看，其主要目的也是防止儲(chǔ)罐內(nèi)物料被氧化以及保證儲(chǔ)罐安全，安全意義遠(yuǎn)大于環(huán)保意義。因此，在設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐廢氣治理技術(shù)方案和評(píng)價(jià)儲(chǔ)罐廢氣排放源強(qiáng)時(shí)，氮封技術(shù)是不應(yīng)作為一項(xiàng)環(huán)保措施考慮的，更不能草率認(rèn)為氮封技術(shù)能有效的減少儲(chǔ)罐的呼吸損耗。