高濃度甲醛罐區(qū)的設(shè)計(jì)分析

唐奕辰(中國(guó)化學(xué)賽鼎寧波工程有限公司，浙江 寧波 315040)

0 引言

甲醛是一種有機(jī)化學(xué)物質(zhì)，化學(xué)式是HCHO或CH2,分子量30.3，又稱乙醛。氣相密度為1.067 g/cm3(空氣=1 g/cm3)，液體密度為0.815 g/cm3(20 ℃)，易溶于水和乙醇。 水溶液的濃度最高可達(dá)55%，一般是35%～40%，通常為37%，稱作甲醛水，俗稱福爾馬林。甲醛蒸汽和空氣可形成爆炸性混合物，爆炸極限為7%～37%。遇明火、高熱能會(huì)引起爆炸。與氧化劑接觸會(huì)發(fā)生猛烈反應(yīng)。甲醛的閃點(diǎn)和濃度有很大關(guān)系。以55%甲醛溶液為例，其閃點(diǎn)為83 ℃。根據(jù)GB 50160—2018《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中第3.0.2條規(guī)定，其屬于丙A類可燃液體。甲醛的氣相屬于甲類可燃?xì)怏w(爆炸濃度下限＜10%)。甲醛作為一種非常重要的工業(yè)原料，一般以水溶液的方式儲(chǔ)存。在生產(chǎn)過程中對(duì)其儲(chǔ)存與輸送的工藝和生產(chǎn)管理[1]均有較高的要求。

1 儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)

高濃度甲醛溶液作為丙A類可燃液體可選擇固定頂儲(chǔ)罐儲(chǔ)存。儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中的高濃度甲醛極易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)儲(chǔ)罐造成損害。其中主要有以下兩種化學(xué)反應(yīng)需要注意。

(1)坎尼扎羅反應(yīng)：

這種反應(yīng)通常在堿性環(huán)境下十分迅速，但在酸性環(huán)境下十分緩慢。如果儲(chǔ)罐中的甲醛溶液溫度過高，就會(huì)發(fā)生這種反應(yīng)。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，這種反應(yīng)也會(huì)阻止儲(chǔ)罐溫度進(jìn)一步上升。

(2)聚合反應(yīng)：

這種反應(yīng)最初在儲(chǔ)罐中體現(xiàn)為云絮狀，然后漸漸聚合形成聚甲醛沉淀至罐底。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)溫度降低時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這種反應(yīng)。隨著溫度的降低這種反應(yīng)會(huì)漸漸加速。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這種反應(yīng)也會(huì)阻止溫度進(jìn)一步下降。

上述的第一種反應(yīng)，甲酸的含量會(huì)隨著反應(yīng)逐漸升高，而甲酸的含量越高對(duì)于儲(chǔ)罐的腐蝕性就越大。上述的第二種反應(yīng)，來自脫鹽水中的少量氯離子在多聚甲醛中積聚，也會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐造成腐蝕。因此儲(chǔ)罐的材質(zhì)推薦選用SS304或SS316。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，上述兩種反應(yīng)對(duì)于儲(chǔ)罐底部的腐蝕最明顯。為了節(jié)省投資，同時(shí)又要有更好的抗腐蝕性，最好將更容易發(fā)生腐蝕的儲(chǔ)罐底板和距離底板1 m以內(nèi)的側(cè)壁用SS316材質(zhì)。除此之外，儲(chǔ)罐的材質(zhì)也可以選擇碳鋼襯酚醛樹脂、碳鋼襯乙烯樹脂或加強(qiáng)聚酯。但是選用這些材質(zhì)的儲(chǔ)罐使用壽命較短，并且高濃度甲醛易滲入儲(chǔ)罐的裂縫中將其腐蝕破壞。

為了維持高濃度甲醛正常的操作溫度，儲(chǔ)罐的頂部、側(cè)壁及基礎(chǔ)均需要保溫。如果只對(duì)儲(chǔ)罐保溫而忽視罐基礎(chǔ)，罐基礎(chǔ)的混凝土在低溫環(huán)境中會(huì)形成冷橋促使儲(chǔ)罐底部的甲醛發(fā)生聚合反應(yīng)。保溫材料通?？梢赃x用巖棉或者離心玻璃棉。保溫厚度可根據(jù)所在具體地點(diǎn)的環(huán)境溫度確定。除了給儲(chǔ)罐保溫，還需要給儲(chǔ)罐設(shè)置伴熱系統(tǒng)，以便有效地控制和調(diào)整高濃度甲醛所需要的儲(chǔ)存溫度，避免高濃度甲醛發(fā)生上述兩種反應(yīng)。伴熱系統(tǒng)分為內(nèi)盤管伴熱和外部換熱器伴熱兩種。外部換熱器伴熱需要通過輸送泵不斷對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)的甲醛溶液進(jìn)行循環(huán)輸送，來達(dá)到控溫的目的。而內(nèi)盤管伴熱只需要在儲(chǔ)罐罐壁內(nèi)壁底部設(shè)置伴熱盤管即可。相比而言更加簡(jiǎn)便，所以通常推薦使用內(nèi)盤管伴熱。伴熱的介質(zhì)可以采用熱水或低壓蒸汽。在同等條件下應(yīng)優(yōu)先選用熱水伴熱。因?yàn)闊崴闊岣菀卓刂茰囟?，且?nèi)盤管表面的溫度比低壓蒸汽更低一些，有利于防止甲醛發(fā)生坎尼扎羅反應(yīng)。內(nèi)盤管的換熱面積通過計(jì)算后確定。根據(jù)換熱面積即可確定所需的伴熱管管長(zhǎng)。內(nèi)盤管的材質(zhì)須采用和輸送高濃度甲醛管道一樣的材質(zhì)，通常選用SS304或SS316。

當(dāng)儲(chǔ)罐中存在有高濃度甲醛時(shí)需要持續(xù)攪拌。這樣可以保證儲(chǔ)罐內(nèi)部各個(gè)位置的溫度變化較小，也能有效地阻止儲(chǔ)罐底部發(fā)生聚合反應(yīng)。攪拌器可分為頂部攪拌器、側(cè)入式攪拌器、底入式攪拌器、噴射攪拌器。這幾種攪拌器各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)如果儲(chǔ)罐的容積較小，可以優(yōu)先選用頂部攪拌器；如果儲(chǔ)罐容積較大，可以優(yōu)先選用側(cè)入式攪拌器或底入式攪拌器；如果高濃度甲醛濃度高于50%時(shí)可優(yōu)先選用噴射攪拌器。

考慮到甲醛氣體火災(zāi)危險(xiǎn)性類別屬于甲類，在儲(chǔ)罐的頂部需要設(shè)置氮封系統(tǒng)和防超壓裝置。氮封系統(tǒng)可以使儲(chǔ)罐維持一定的壓力(正壓)，防止儲(chǔ)罐內(nèi)的甲醛氣體和外界氣體接觸形成爆炸混合物。氮封系統(tǒng)中閥組的材質(zhì)應(yīng)和高濃度甲醛物料管道材質(zhì)一致，在閥組邊界處改為氮?dú)庵鞴艿牟馁|(zhì)。超壓泄放裝置通常使用泄壓閥，此閥可以防止甲醛氣體爆炸使儲(chǔ)罐超壓。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)的高濃度甲醛被輸送泵抽出或由于外界溫度降低使儲(chǔ)罐內(nèi)氣體收縮時(shí)，氮封系統(tǒng)可以優(yōu)先補(bǔ)氮，避免儲(chǔ)罐內(nèi)負(fù)壓過大使呼吸閥吸入大量空氣。當(dāng)輸送泵將高濃度甲醛溶液送入儲(chǔ)罐使液位升高或外界環(huán)境溫度上升時(shí)，可以通過通氣管送至風(fēng)機(jī)加壓再輸送至尾氣吸收塔處理。如果呼出的尾氣量過大導(dǎo)致儲(chǔ)罐正壓上升，可再通過呼吸閥泄放至外界。呼吸閥的通氣量可通過查詢SH/T 3007—2014《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》中表5.1.6得到，也可以通過API2000計(jì)算得到，后者更為精確?？紤]到甲醛氣體很可能會(huì)在呼吸閥和泄壓閥口處因?yàn)榈蜏囟l(fā)生聚合，堵住泄放通道或閥瓣，影響閥門的正常開啟。因此呼吸閥和泄壓閥必須設(shè)置伴熱，同時(shí)呼吸閥和泄壓閥需要具有全天候防凍能力。

以上總結(jié)了設(shè)計(jì)高濃度甲醛儲(chǔ)罐時(shí)需要考慮的幾方面要點(diǎn)。除此之外，還需要注意以下幾點(diǎn)問題：(1)為了方便將儲(chǔ)罐里的甲醛排放干凈，在儲(chǔ)罐底部應(yīng)設(shè)置1%～2%的坡度，坡向排液口；(2)在儲(chǔ)罐底部宜設(shè)置一個(gè)取樣口，方便取樣分析；(3)儲(chǔ)罐另需設(shè)置液位計(jì)、壓力表和溫度計(jì)。

2 泵及風(fēng)機(jī)的選擇與設(shè)計(jì)

高濃度甲醛溶液的職業(yè)接觸毒性分類為極度危害。如果泄露會(huì)造成人員急性中毒，主要表現(xiàn)為對(duì)皮膚、粘膜的刺激作用。吸入高濃度甲醛可導(dǎo)致呼吸道激惹癥狀，打噴嚏、咳嗽并伴有鼻和喉嚨的灼燒感；此外，還可誘發(fā)支氣管哮喘、肺炎、肺水腫。經(jīng)消化道一次性大量攝入甲醛可引起消化道及全身中毒癥狀，口腔、咽喉和消化道的腐蝕性燒傷，腹痛，抽搐甚至死亡。因此對(duì)泵和風(fēng)機(jī)的密封性有很高的要求。通常推薦使用屏蔽泵，若使用離心泵則需要選擇密閉離心泵。其葉輪和軸心材質(zhì)選用SS304或SS316。風(fēng)機(jī)的型式根據(jù)實(shí)際情況選擇，如果輸送距離遠(yuǎn)，所需風(fēng)壓大選擇羅茨風(fēng)機(jī)；如果輸送距離近所需的風(fēng)壓較小也可以選擇離心風(fēng)機(jī)。和儲(chǔ)罐一樣，泵和風(fēng)機(jī)均需要伴熱以防止設(shè)備內(nèi)甲醛聚合。并且泵和風(fēng)機(jī)的電機(jī)均應(yīng)設(shè)為防爆。

輸送泵的數(shù)量應(yīng)設(shè)為一開一備。所有泵應(yīng)在罐區(qū)外統(tǒng)一布置成為泵區(qū)。泵區(qū)根據(jù)具體所在的環(huán)境可設(shè)泵房、半露天布置或露天布置。所有泵在泵區(qū)中應(yīng)單排布置，相鄰泵機(jī)組之間的凈距宜不小于0.8 m。為了避免泵出口管道因下游誤操作而引起管道超壓進(jìn)而出現(xiàn)事故，在泵出口主管上應(yīng)設(shè)置聯(lián)通跨線接至進(jìn)罐管道上。在跨線管道上應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)閥組，通過調(diào)節(jié)閥組可調(diào)節(jié)泵出口管道流量，既能保證正常操作的安全，也保護(hù)泵不會(huì)受到管道超壓帶來的損害，泵進(jìn)出口管道上的儀表及倒淋間距要盡量縮短，這樣可以避免高濃度甲醛發(fā)生聚合反應(yīng)。在泵出口的切斷閥后宜設(shè)置固定式的吹掃接頭，以確保密閉吹掃。

3 管道及閥門的相關(guān)設(shè)計(jì)

在高濃度甲醛的管材及閥門的選用中，應(yīng)著重考慮甲醛有極度危害的毒性且易聚合、易腐蝕的特性。所以管道材質(zhì)應(yīng)選擇SS304或SS316，閥門應(yīng)選用高密封性閥門。高濃度甲醛溶液在輸送過程中也需要保持合適的溫度，所以輸送管線需要保溫并伴熱。保溫厚度可根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境具體分析確定。伴熱管道的有效伴熱長(zhǎng)度及分配站、收集站的設(shè)計(jì)可按SH/T 3040—2012《石油化工管道伴熱和夾套管設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行。伴熱管材質(zhì)優(yōu)先考慮紫銅，也可以選擇SS304或者碳鋼。

輸送管道在高點(diǎn)和低點(diǎn)應(yīng)設(shè)置放空和倒淋，所有放空和倒淋均需設(shè)置雙閥。當(dāng)管線中斷輸送或需要檢修時(shí)，可通過放空排液口將高濃度甲醛排放至密閉容器內(nèi)，或用氮?dú)獯祾呋貎?chǔ)罐內(nèi)。這樣可以避免高濃度甲醛靜止后發(fā)生聚合堵塞閥門和管道。

4 其他需注意的問題

在罐區(qū)和泵區(qū)內(nèi)需設(shè)置氮?dú)狻⑸a(chǎn)水等軟管站并設(shè)洗眼淋浴器。其有效半徑可按15 m考慮。所有儲(chǔ)罐、泵、風(fēng)機(jī)及管道均應(yīng)做好靜電接地，防止靜電或雷擊產(chǎn)生火花引起爆炸。泵區(qū)及罐區(qū)的地坪均需進(jìn)行防滲防腐處理。在泵區(qū)外沿處需設(shè)置高100 mm的圍堰，防止泵區(qū)內(nèi)的含高濃度甲醛液體溢流至泵區(qū)外造成危害。

除了必要的工藝管道外，甲醛罐區(qū)還需設(shè)置儀表空氣、氮?dú)狻崴?、生活水等公用工程管道。罐區(qū)內(nèi)應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)置管墩，在需要增加管架的情況下，應(yīng)該充分考慮方便人員通行及操作[2]。

5 結(jié)語

文章通過以上論述，總結(jié)了高濃度儲(chǔ)罐、泵、風(fēng)機(jī)和工藝管道的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)和需要注意的問題。在甲醛罐區(qū)實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，在滿足現(xiàn)有的防火技術(shù)規(guī)范和安全標(biāo)準(zhǔn)的前提下，應(yīng)具體情況具體分析，不斷優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)以滿足日益擴(kuò)大的生產(chǎn)管理需求，最終為獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益創(chuàng)造條件。