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溶液储罐的设计和应用

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1  溶液的挥发和换气

1.1  概述

       化学溶液(如盐酸溶液)在储罐内储存时,在其液面上方的空间内,溶质气体在理论上应处于分压平衡的装态;但是,该平衡气氛含有对操作环境产生的危害组分(如溶质气体HCl),需对该平衡气氛进行负压吸引,从而破坏平了衡分压,导致溶液中该有害溶质的持续挥发。

       使用化学溶液在敞口槽内进行酸洗等化学处理时,环境空气流动、气压变化等也会破坏液面上方的平衡分压,造成化学溶液的持续挥发。

       当化学溶液储槽进行加料或者排放时,溶液液面上方的空间体积减小或者增大,导致其空间气体的压力增大为正压或减小为负压,从而向槽外排放挥发气体或向槽内吸入环境气体。如果换气口(换气量)设计不当,则会导致槽内的正压或负压(真空度)过高,从而损坏溶液储罐,造成化学溶液的泄露,发生严重的事故。

       本文对溶液挥发、换气量及溶液储罐的设计、结构和应用系统进行初步的讨论。

1.2  储罐溶液的挥发量和换气量

1.2.1  储罐静置状态下的溶液挥发量

       通常情况下,可以根据《环境统计手册》中“液体(除水以外)蒸发量的计算公式”匡算储罐内溶液的挥发量,如下公式1。”本计算方法适用于硫酸、硝酸、盐酸等酸洗工艺中的酸液蒸发量的计算”[1],但也被应用于溶液储罐内的溶液挥发量的计算[2]

 Gz=Mx(0.000352+0.000786V)xPxF(公式1)

其中:

GZ——液体的蒸发量  kg/h

M——液体的分子量

V——蒸发液体表面的空气流速 m/s,一般可取0.2~0.5

P——相应液体温度下的蒸汽分压 mmHg

F——液体蒸发面的面积  m2

       《环境统计手册》给出了酸洗槽在槽边抽风条件下的液面风速V的参考值,一般可取0.2~0.5 m/s。然而,对于储罐等密闭或半密闭的槽体,该液面风速则相对实际工况过大,应注意选取。取较大值时,可以考虑阀门调节或风机变频调节;配置相对较大的吸取系统对于工程设计亦无过大损害,成本增加也有限。故,储罐在静置状态时,可利用该公式以0.2m/s的风速进行储罐内溶液挥发量的计算。

       同时,该计算公式得出的是酸雾蒸发量,“此酸雾是酸蒸汽和水蒸气的混合物,当酸液浓度较低时,水蒸气是酸雾的主要成分。随着酸洗浓度的提高,水蒸气的浓度则逐渐降低,酸蒸汽的净量则逐渐增高。所以,计算析出的酸雾量往往比用酸量大。”[3]

       公式中,相应液体温度下的空气中的蒸汽分压P,可查相关数据;当液体的质量浓度<10%时,可用水溶液的饱和蒸汽压代替。

       举例:对于直径2.5m,有效高度2.8m,上部空间0.6m的15立方盐酸储罐,储存40℃,20%质量浓度的HCl时——

M——HCl的分子量,为36.5

V——蒸发液体表面的空气流速 ,取0.2 m/s

P——40℃ 20%HCl的分压,取2 mmHg

(对应水蒸气分压30mmHg,故该条件下的挥发以水蒸气为主)

F——液体蒸发面的面积,为5 m2

则,槽内盐酸溶液的蒸发量:

GZ=36.5x(0.000352+0.000786x0.2)x2x5=0.19 kg/h

       由上述数据可知,其酸雾溶液的总的分压为32mmHg,远低于联通的大气压760mmHg,因此,在储罐静置状态下,基本无酸雾挥发出储罐;如果考虑到换气口的较小面积上的风速影响和环境压力的正常波动,设置一个药剂呼吸阀即可满足静置状态下的吸取要求。药剂呼吸阀示意图参见图1,选型表参见表1[4]

       以溶液蒸汽平均分子量19计(2mmHg HCl、30mmHg H2O),则挥发废气体积流量约为:0.25m3/h

图1 药剂呼吸阀示意图

表1 药剂呼吸阀选型表


        储罐的换气口可以采用蘑菇型通风口或U型通风口,参见图2。

图2 通风口类型示意图


       上述蒸汽中,HCl的平衡浓度约为:1000x(2/32)/22.4x36.5=102g/m3。如果采用负压吸引方式,则该浓度过高,酸蒸汽挥发流量过小,不便于后续吸取设备的处理。因此,需要增加换气空气量,减少浓度至500mg/m?,则抽气流量应为约50m?/h。

 

1.2.2  向储罐内加药时的换气量

       储罐静置状态时的挥发量较小,不是储罐设计的重点项目。向储罐加药时,由于溶液上部体积改变(压缩)较大,罐内压力上升较高较快,储罐在此时的换气量应作为储罐排气设计的重点项目。

       加药换气量的设计还要基于特定的储罐系统,包括:酸液加入流量、加入方式(例如,采用泵加料还是压缩空气加压加料)、加料管道的长度和规格,储罐的压力额定值等。

1) 压缩空气加压加料

       图3为采用压缩空气向储罐加压,将溶液卸至罐车的典型配置。

       有文献[5]对采用压缩空气从槽罐车向储槽卸料做了分析说明:槽罐车用2Bar压缩空气通过2”橡胶软管和2”UPVC硬管卸料至30m?的HDPE储罐(D3m,H4.1m,内部额定耐压10’’水柱,0.025Bar),储罐顶部设置150mm直径PVC的排气管,并以 6”水深(约150mm)没入水吸取槽内,如下图4所示。

       在此条件下,根据伯努利方程,可初步推算,盐酸排入量约为>50m?/h(压差2-0.025=1.97Bar,压头损失1.84Bar,流速~4.6m/s),废气流量约为1,650m?/h(压差10’’-6’’=4’’水柱约980Pa,压头损失约400Pa,气速~26m/s)。

       该150mm排气管直径,已经充分考虑到了罐车排酸结束后压缩空气阀门未及时关闭,大量气体进入储罐的极端情况。正常情况下,对于该约50m?/h的加料流量,<100mm的换气口便可以满足罐内的压力平衡要求。


图3 压缩空气卸料工艺示意图

 

 

图4 罐车空气卸料实例示意图


       有文献数据[6]:“当酸溶液采用压缩空气卸料时,在卸料结束后,槽罐内会突然产生空气潮涌(surge)”(如文献[5]所述),需要约2,500m?/h的换气量(大于文献[5]中的换气量);则,对于耐压25’’水柱(约0.06bar)的储罐,排放口要求3’’直径(约80mm);对于耐压10’’水柱(约0.025bar)的储罐,排放口要求10’’ 直径(约250mm,也大于文献[5]中的换气管直径)。

2) 泵加料

       如果采用机械泵向储罐内加料,则不存在使用压缩空气加料时可能产生的大量压缩空气瞬间进入储罐的情况。所以,泵加料时,换气口尺寸会相应减小。

       有文献[7]列出了机械泵加料和压缩空气加压加料情况下对应不同容积储罐的排放口尺寸要求,如下表2。

      


                                                                                        表2 储罐排放口尺寸要求

       可见,采用机械泵加料时,换气口尺寸只和储槽容积有关。当储槽容积≤1000 gallons(约4立)时,换气口直径等于加料管或排料管中最大的直径。当储槽容积>1000 gallons时,换气口直径在加料管或排料管中最大的直径上增加1’’(约25mm)。那么,以一般重力排放口80mm计,换气口选择约100mm。

       举例:机械泵以20m?/h的流量向1.2.1项中30m?的储罐内加入盐酸,上部空间假设为2倍穹顶空间即5.9立方——

则空间压缩速率约为5.6L/s,可以计算罐内压升速率为96Pa/s;以罐内额定升压限制500Pa计,只需要约5s排完即可,即排气流量为4m?/h。那么,40~60mm换气管道便完全可以满足换气要求。如果罐内额定升压控制在100mmH2O,则换气量更低。

2  储罐挥发溶液和换气的吸取

       由上述内容可知,无论是储罐在静置时的溶液挥发,还是储罐在加药时的排气,以及酸洗槽的槽边排风,都需要对挥发溶液或换气进行吸取处理。

       对于较小的储罐挥发量或者机械泵加料时的较小的排气量,除了可以设置药剂呼吸阀外,还可以采用简易的水封装置,如图5所示。

       有文献[8]先容了盐酸储罐正、逆水封的设计和应用。

       发明专利(CN 102520131 A)将正、逆水封合为一个设备,如图17-6。

                        图5 储罐换气水封槽示意图 

                        图6 储罐正逆水封设备示意图

       对于较大流量的储罐排气,需要设置洗涤塔设备,如图7所示。洗涤塔吸取工艺详见好科科技的其他文献,本文不再描述。

3  溶液储罐的设计和应用

       图8显示了机械泵给料条件下溶液储罐的基本系统配置,主要包括:储罐本体、双向安全阀、卸料入口管道、蒸汽回流管路、换气管路及小型洗涤塔等。除此之外,根据实际需求,一般还应考虑液位测量、排放管路、溢流管路、保温、检修爬梯、安全措施、照明等的设置。

                                                                             图7 储罐吸取塔设备示意图 


图8 储罐系统的基本配置

3.1  储罐的设计及其附件

       储罐容积根据实际工艺需求确定。确定储罐容积和尺寸后,应根据溶液的特性来选用储罐的材质,包括:溶液化学特性、浓度、温度以及使用环境等。

       对于盐酸储罐用的推荐材料,一般包括:玻璃钢树脂加强UPVC、HDPE、玻璃钢树脂加强PP、钢衬橡胶[9]以及FRP[10]。需要注意的是,尽管塑料有很好的化学防腐性能,但是他们也存在较多的物理限制。例如,耐压、耐热、耐冷和耐紫外线方面的局限;同时,有些塑料材料较脆易损坏。

       对于硝酸储罐用的推荐材料,一般包括:纯铝、某些铝合金(不含铜)、某些奥氏体不锈钢(如304L)等,可以满足大于90%的硝酸储存;奥氏体不锈钢(304L、316L和321)、不锈钢树脂加强的未塑化的UPVC(低温易脆化)等可以满足60~70%的硝酸的储存。

       对于压缩空气加料的储罐,考虑到可能的正压集聚,文献[5]建议采用铰链盖板作为人孔或手孔门,便于泄压。如图17-9所示。


图17-9 人孔或手孔的铰链盖板示意图

       根据上文所述,储罐应配置合适口径的排气孔,以避免在加药过程中的储罐压力过高,或在清空储罐时产生的真空。排气孔的设计和尺寸根据储罐类型、材质结构和溶液的加、排方式(采用泵或压缩空气)进行确定。通常情况下,排气孔直径不小于100~150mm。或者,可设置密闭循环的管路系统来回流挥发废气(例如,从储罐卸载酸液至罐车时,罐车内的废气回流至储罐)。

       溢流口在满足储罐的溢流作用外,通常也可以起到防止储罐压力过高或过低的作用。溢流口的直径应大于入口管路直径,一般不小于100mm,位于排放孔至少350mm下方。溢流管底部出口应尽可能接近容器、地坑或地面等容纳区域。为了防止冒烟,溢流口也可设置小型水封装置。

       对于容积大的储罐,可单独设置吸取塔连接排气管,以应对较多的酸雾挥发和罐内较大的压力变化。

       应格外注意酸液管道的连接、固定和支撑,避免由于泵启动、气动阀开闭时造成的管道振动破裂和材料疲劳破裂。关键部位可采用膨胀节连接,如图10。

                          图10 酸管路膨胀节示意图


                              图11 酸管路万向节示意图


       管道可以采用焊接或法兰连接的方式,连接处下方尽量避免安装设备和设置操作区域、行人通道等。法兰连接应配套使用合适的螺母、垫片和密封材料(异丁橡胶垫片可用于盐酸管道、PTFE垫片可用于硝酸管道)。连接处还可以考虑套管保护措施。

       水平管道的布置应有一定的倾角,尽量避免急弯等易积存酸液的管路设置,以便管道内酸液可以完全排净。对于非标准弯,可采用万向节进行连接,如图11所示。

       槽罐的排放口应就近设置切断阀,大型槽罐可以连续设置两个切断阀。旋塞阀是酸液管路系统常用的阀门形式。蝶阀、球阀和闸阀等也可酌情使用,但是切断效果不如旋塞阀。禁止采用隔膜阀,避免隔膜破损导致的酸液泄露。阀门开闭状态应在现场做实时的标识。可考虑对重要阀门设置远程开闭功能。

       酸泵可以采用塑料离心泵、钢衬PTFE离心泵或无轴封的磁力泵。泵的密封可采用机械密封或氟碳材料的密封。

       液位测量可以采用超声波、磁力耦合浮动式液位计等。与大气联通的储罐,也可以采用隔膜背压式液位计。通常情况下,浸入式液位计和视镜液位计应避免采用。

3.2  储罐的安装和安全操作

       储罐应安装在合适的基础之上。储罐区域应做适当高度和强度的围堰,以避免储罐大量泄漏后的溶液向区域外漫溢。基础及安装区域应做适当的防腐措施。如有必要,储罐外围区域须设置防撞栏、栅栏等安全措施。如果采用双层筒体,围堰等措施可以相应简化。双层筒体参见图12。


图12 双层筒体储罐的示意图

       少量泄露的酸液或大量泄露后的残余酸液可以用沙子或泥土或其他合适的材料来吸附。吸附后的材料单独存放进行后续处理,泄露区域最终用水冲洗干净。对于少量泄露,在上述处理前,也可以直接用水先进行稀释,或者先用苏打粉(碳酸钠)或石灰进行中和。使用碳酸盐或碳酸氢盐进行中和时,应注意通风,以避免反应产生的CO2在区域内局部饱和造成窒息。禁止使用中和反应过于激烈的NaOH,剧烈反应会造成酸液的大量挥发和飞溅,造成人员危害。对于盐酸酸液,还必须禁止与氧化剂混合,避免有害的氯气产生。

       大型储罐应设置维修爬梯,爬梯应支撑于地面或基础之上,不能以储罐本体作为承重载体,如图13。储罐须进行位置固定,避免位移,如图14。


图13 储罐爬梯示意图

图                                                                                      14 储罐定位措施示意图

       进行酸液处理操作时,应穿戴安全防护装置,包括:酸防护服、眼镜或全面防护罩、活性炭呼吸罩、PVC手套和橡胶鞋等。操作区域还应设置洗眼器和淋浴器。操作人员必须进行充分的安全培训。

       其他储罐设计内容和安全事项,详见文献[9]及其他专业书籍[11]、文献和设计手册等。



[1] 《环境统计手册》 P72

[2] 《盐酸储罐尾气吸取系统的应用》 刘玉香 《化工管理》 20161

[3] 《环境统计手册》 P73

[4] Techap企业样本。

[5] HCL UNLOADING STUDY for Poly Processing Company by R-S-H Engineering  June 14, 2005

[6] Hudrochloric Acid Venting Hydrochloric Acid Tanks   OXY企业资料

[7] Chemical Stroage Tank System And Accessories PolyProcessing企业资料

[8] 《盐酸储罐正、逆水封的设计、改进与应用》 罗勇 《氯碱工业》 20109

[9] Bulk storage of acids HSE Books  ISBN 978 0 7176 2683

[10] Hydrochloric Acid Handbook OxyChem企业文献  06/2013

[11] 《氯化氢生产与操作》 化学工业出版社









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