氮封技術控制固定頂儲罐呼吸損耗探析

尹 柯 周桂青

（湖北君邦環境技術有限責任公司 湖北武漢 430000 武漢中質博測檢測技術有限公司 湖北武漢 430000）

引言

儲罐呼吸是石油化工行業物料儲運過程中發生損耗的一個重要原因，儲罐呼吸不僅造成資源的損失，同時，由于呼吸排放物料往往未經收集處理直接排至大氣，將會對周邊大氣環境質量造成不利影響，對工人和周圍群眾的健康造成損害。

目前對于儲罐呼吸損耗主要是采用保溫罐、浮頂罐等措施，也有部分企業采用氮封拱頂罐來達到減少物料損耗的目的。然而氮封技術究竟在控制儲罐呼吸損耗上如何起作用以及能夠起到多大作用，目前尚未見較為充分可信的論證，較為常見的觀點是“由于氮氣密度比物料密度小，氮氣可以浮在物料蒸汽上方，因此儲罐呼吸時呼出的是氮氣而非物料蒸汽”[1-4]，有文章甚至認為氮封技術能減少98%的呼吸損耗[5]。

本文認為上述觀點的論據并不充分，為了搞清氮封技術在控制儲罐呼吸損耗上的作用，本文將通過對比，對氮封技術的作用進行探析。

1 儲罐呼吸過程條件設定

寧波市某化工液體倉儲企業現有兩座固定頂儲罐，其中甲儲罐無氮封措施，乙儲罐采用了氮封技術，氮封壓力為0.5kPa，儲罐的其它參數及操作工況完全相同。儲罐呼吸閥正負壓力分別為1.5kPa和-0.03kPa（均為表壓，以下同）。

條件假設既要保證結論的基本準確性，同時，由于影響儲罐內液體蒸發損耗的因素的復雜性和不確定性[6]，條件假設也應使兩種情況具備可比性。因此本文在進行比較時，重點關注了影響液體蒸發的決定性參數，如溫度、風速等[7]，而弱化了對液體蒸發影響不明顯的參數，如氣體的密度和熱膨脹系數的差異。依據理想氣體狀態方程、道爾頓分壓定律、道爾頓蒸發定律，本文進行了以下假設：

（1）罐內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。

（3）罐內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）不考慮收發物料過程中罐內湍流和風速的影響。

2 甲、乙儲罐工作過程比較

2.1 儲罐發料

儲罐發料過程中兩座儲罐工作過程如下：

甲罐：在發料過程中，呼吸閥關閉，當壓力降低到呼吸閥的壓力下限-0.03kPa時，呼吸閥打開，儲罐開始吸入空氣，發料結束后，儲罐內壓力為-0.03kPa；此時罐內氣體為空氣和物料的混合氣體。

乙罐：在發料過程中，呼吸閥關閉，罐內壓力降低，當壓力降低到氮封閥設定壓力0.5kPa時，氮封閥打開，儲罐開始吸入氮氣，此時蒸汽分壓繼續降低，而氮氣分壓增加，發料結束后，儲罐內壓力為0.5kPa，此時罐內氣體為氮氣和物料的混合氣體。

從上述過程可看出，發料過程二者的區別主要體現在發料結束時，甲罐的壓力為-0.03kPa，乙罐壓力為0.5kPa。

2.2 儲罐收料

儲罐收過程中兩座儲罐過程如下：

甲罐：初始壓力為-0.03kPa，隨著液面升高，罐內氣體壓力增大，當壓力高于1.5kPa時，呼吸閥打開，向外呼出氣體。

乙罐：初始壓力為0.5kPa，隨著液面升高，罐內氣體壓力增大，當壓力高于1.5kPa時，呼吸閥打開，向外呼出氣體。

從上述過程可看出，收料過程二者的區別主要體現在乙罐的初始壓力為0.5kPa。

從以上比較可以看出，甲乙兩座儲罐工作過程中，唯一的區別在于壓力的不同，這是由于設置氮封的乙儲罐會向罐內補充氮氣，使得乙儲罐的罐內氣體壓力總是大于0.5kPa，可以理解為是將呼吸閥的壓力下限提高到了0.5kPa，使得罐內氣體空間能夠維持一個“微正壓”。

3 建立過程模型

通過甲乙兩座儲罐工作過程的比較，得出二者的主要差異在于乙罐內存在壓力為0.5kPa的氮氣，這樣通過建立物理模型，分析該壓力對儲罐內液體蒸發的影響，便能判斷氮封對儲罐呼吸損耗的影響程度。

假設甲儲罐罐內為空氣，壓力為常壓（絕壓為101.3kPa）乙儲罐罐內為氮氣，壓力為0.5kPa（絕壓為101.8kPa）。溫度均為常溫25℃，現以同樣的速率往甲乙兩座儲罐內充裝同種液體。

根據道爾頓蒸發定律：

W-液體蒸發速率；（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為液面上蒸汽的實際蒸汽壓；P為環境壓力（絕壓）；C為與風速有關的比例系數（根據本文假設，C設定為1）。

罐內液體的蒸發速率與蒸汽的不飽和程度及環境壓力有關，甲乙兩座儲罐的蒸汽飽和程度是相同的，因此P為影響二者蒸發速率的唯一因素。對于本文中的甲乙儲罐，環境壓力對蒸發速率的影響程度用二者的速率差與甲儲罐的蒸發速率比值F來表示。則

從計算結果可以看出乙儲罐保持的“微正壓”對液體蒸發速率的影響非常小，本文在對二者進行比較時，認為甲乙兩座儲罐內液體的初始蒸發速率是相同的。

隨著收料的進行，儲罐內液體的蒸發，罐內氣體總壓及蒸汽分壓都會增加，由于蒸汽分壓受蒸發作用和體積變化的雙重影響，通過推導不難得出，罐內蒸汽分壓與時間呈正比例關系，進而得出液體蒸發速率W為時間t的反比例函數。

圖中紅線表示甲罐內液體蒸發速率隨時間的變化關系，設為W=W（t）；綠線表示乙罐內液體蒸發速率隨時間的變化關系，設為W=W’（t）。根據蒸發量與蒸發速率的關系，則甲罐液體在此時間段內的蒸發量為罐液體在此時間段內的蒸發量為

表1 甲、乙罐內液體收料過程蒸發情況

從上表不難看出甲罐的總蒸發量為Q=Q1+Q2+Q3+Q4，乙罐的總蒸發量為Q'=Q1'+Q2'+Q3'+Q4'，Q'>Q，也即在此過程中乙罐的蒸發量要大于甲罐。

通過上述分析可看出，氮封措施并不能減少儲罐收料時的蒸發損耗。

假設儲罐收料結束后，又以相同的速率發料，可以看作是收料過程的一個逆過程。由于罐內氣體壓力較低，根據道爾頓分壓定律，混合氣體的總壓等于各氣體的分壓之和，而根據理想氣體狀態方程可知，在溫度恒定的情況下，氣體的壓力是其體積的函數，對于同樣的物質，只要其體積變化率一致，則其壓力變化率也是一致的。甲、乙兩座儲罐內的物料蒸汽，由于其發料速率相同，二者的體積變化率是相同的，因此甲乙兩座儲罐內蒸汽分壓隨體積的變化率也是相同的。又由于甲乙儲罐發料前的初始蒸汽分壓相同（E4=e4'），因此發料結束后甲乙儲罐的蒸汽分壓相同（E5=e5'），根據道爾頓蒸發定律，在此過程中，甲乙儲罐液體蒸發量是相同的。因此氮封措施也不能減少儲罐發料時的蒸發損耗。

綜上可以看出，儲罐氮封措施不能減少儲罐的大呼吸。

假設發料結束后罐內仍有1/3的液體，此時儲罐進入靜置狀態，儲罐在靜置狀態下，罐內氣體空間體積不變，罐內氣體壓力只是溫度的函數，隨著一天之內氣溫的升降，罐內氣體壓力將會發生周期性的變化。

當處于升溫狀態時，液體的飽和蒸汽壓變大，蒸發速率變大，根據克拉佩龍方程，物料的飽和蒸汽壓只與物料本身性質和溫度有關，因此在此過程中，甲乙兩罐內液體的飽和蒸汽壓E是相同的，隨著罐內氣體壓力增大，乙儲罐呼吸閥先打開，呼出氣體；溫度進一步增加，甲儲罐呼吸閥也打開，呼出氣體；可以看出，升溫過程和儲罐的收料過程是相似的，同理，儲罐的降溫過程與發料過程相似。

由儲罐收發料過程的結論可以推斷，氮封措施不能降低儲罐升溫和降溫時物料的蒸發損耗，也即不能減少儲罐的小呼吸。

結語

從上述分析過程和結果可見，氮封帶來的“微正壓”無論是在儲罐大呼吸過程還是在儲罐小呼吸過程中都不能減少罐內液體的蒸發量。即使考慮到氮氣與空氣性質的差異，也不會對蒸發過程產生巨大影響。從氮封技術產生的歷史背景來看，其主要目的也是防止儲罐內物料被氧化以及保證儲罐安全，安全意義遠大于環保意義。因此，在設計儲罐廢氣治理技術方案和評價儲罐廢氣排放源強時，氮封技術是不應作為一項環保措施考慮的，更不能草率認為氮封技術能有效的減少儲罐的呼吸損耗。