雙氧水儲罐設計

趙紅喬

（中國輕工業長沙工程有限公司，湖南長沙 410114）

雙氧水是過氧化氫水溶液的俗稱，是一種重要的無機化工原料，它廣泛應用于造紙、紡織、化學品合成、軍工、電子、食品加工、醫藥、化妝品、環境保護、冶金等諸多領域[1]。

雙氧水是一種強氧化劑，性質極不穩定，對于促進雙氧水分解的引發劑目前研究較多，通常認為有堿液、重金屬離子、鐵銹等[2]。因為其分解反應是放熱反應，一旦發生，其反應速度會越來越快，如不能及時移出熱量，將會導致失控。

由于雙氧水貯罐一般為常壓儲罐，設計者在設計時對儲罐的安全性往往考慮不周全。本文根據雙氧水的特性，從材料選擇、結構設計及制造檢驗等多個環節出發，闡述了雙氧水貯罐設計需要注意的問題，提出了罐頂排氣口面積的計算方法，確保儲罐的安全操作性能。

1 材質選擇

雙氧水儲罐選擇使用的結構材料必須小心謹慎，否則將會遇到分解的問題。一定要考慮所選的材料與雙氧水相容性。

鋼制儲罐材質一般選用不銹鋼，通常使用全奧氏體不銹鋼。首選不銹鋼材料是S30403或S31603。高純度的鋁（99.5%）和Al-Mg 合金也可使用，但這些材料的制作遠比不銹鋼更為困難。所以通常設計選用不銹鋼材料。

小型儲罐（容積30m3以下），濃度在50%以下，也可采用高密度聚乙烯。但使用這種材料時必須特別注意，因為它的可靠性是隨著時間的延長而降低的，容易因碰撞而損壞。選用高密度聚乙烯時注意不要含有任何與雙氧水不相容的顏料、礦石填料催化殘渣。如果暴露在陽光下，應該添加適量的抗氧劑和適當的光穩定劑。

與雙氧水接觸的管道、管件及閥門等材質的選擇需引起足夠的重視。管道及管件通常采用S30403或S31603，墊片采用聚四氟乙烯，不能使用EPDM 及普通橡膠和石墨材料，普通橡膠為高分子可燃有機物質，可誘發雙氧水發生連鎖放熱分解反應，導致爆炸。特別在選用標準不銹鋼人孔及法蘭密封墊片采用纏繞墊時，務必把密封墊片及填充的材料改為聚四氟乙烯。

2 結構設計

雙氧水儲罐一般應至少包括：泄壓人孔，放空口，儀表液位計口，注水進口，雙氧水進口，現場（遠傳）測溫接口，人孔，降溫噴淋水收集槽出口，緊急排放口，排污口，雙氧水出口，降溫噴淋水入口，溢流口。見圖1。

圖1 雙氧水儲罐示意圖

為減少泄漏，雙氧水進口一般設置在罐頂，并使管口距離罐壁至少1 200mm。但有時由于條件限制，也將進口設置在靠近頂部的罐壁處。雙氧水進口一般應采用汲取管的方式，即將管口內伸至液面下。對側壁進口，則可用 90°彎頭使管線在罐內保持豎直狀態并達到上述要求。為保護罐底，在罐底正對進口管末端的相應位置設置防沖板。為防止介質的虹吸現象，雙氧水進口管線應開放空孔，一般只需要在管線的上部開一個 12mm 的孔即可。

為避免充液過多而引起雙氧水大量外溢，需要在罐壁的上部設置溢流口，該管口與罐壁內表面平齊；也可不設置該管口，而直接利用高液位儀表控制進料管線上的切斷閥來達到控制液位的目的。

2.1 緊急輔助放空口

為了及時排放雙氧水分解時的放空，儲存罐必須有一個未封閉的急停放空。最好還需配置一個泄壓人孔，它能在超壓下自由打開。

泄壓人孔和常壓人孔是不一樣的，設計人員在設計時要特別注意。

（1）標準不同

常壓人孔的現行執行標準HG/T21515—2014；儲罐泄壓人孔的現行執行標準為API2000 及SY/T0511.8—2010《石油儲罐附件 第8部分：鋼制孔類附件》。

（2）功能性不同

常壓人孔作為常壓儲罐頂部常見的開孔配件，安裝方式是焊接到儲罐頂部，其目的是為了檢查儲罐物料以及清洗物料；泄壓人孔越來越被廣泛應用到常壓儲罐頂部，是性價比極高的安全附件。其功用是在呼吸閥失靈以及發生火災等其他特殊情況下，短時間內將儲罐氣壓排出，保證儲罐不被破壞。

（3）開啟方式不同

常壓人孔開啟必須在檢查或清洗儲罐的時候人為手動打開；泄壓人孔開啟是靠自身的結構自行打開，且在打開排氣后自動回落，回落后使儲罐內外隔絕。

緊急放空需要的面積要考慮到雙氧水分解最壞情況。除了溫度變化的因素外，還要考慮強烈分解催化劑的污染，包含典型的堿產品（例如燒堿）及鐵離子的污染。

在條件允許下，輔助放空的設計應該與雙氧水產品的生產商一起協商確定。

為了降低罐體爆炸的后果，確保罐頂承受盡可能低的壓力。建議罐頂與罐壁采用弱連接結構。在輔助放空不能遏止嚴重超壓的情況下，罐頂能打開作為安全放空，預防了罐體的爆炸。

2.2 罐頂排氣口

雙氧水由于具有易分解的特性，分解后將放出大量的熱和氧氣，且隨著分解的進行其分解速度呈級數遞增，如不能控制，嚴重時將產生爆炸。雙氧水儲罐一般為常壓儲罐，盡管如此，根據雙氧水分解的特性，其排氣口比一般的常壓罐的排氣口要大得多，因此不能按HG 20559—1993《化工裝置工藝系統工程設計規定》（三）中《儲罐基本單元模式》第5部分內容進行排氣口的設計，但雙氧水分解速度難以確定，設計者對泄放量的計算比較困難。

根據可預見的最大污染情況，本文提出了放空面積的計算方法，根據這種方法，所需的放空面積可通過下列關系式獲得：

式中：A為放空面積，cm2/t H2O2100%；

c為雙氧水濃度，%（重量）；

p為最大操作壓力，mbar（g）；

kF為雙氧水分解率的系數（見表1及表2）；

表1 Fe2+污染程度 kF值

表2 堿污染程度 kF值

p是指最大操作壓力，必須低于或等于設計壓力。選取雙氧水分解率的系數有點困難。本方法主要考慮以下因素：污染物的類型及最大量。

2.3 注水口及緊急卸料口

為了保證雙氧水分解的情況下的安全，通過風險分析，設計時應考慮緊急情況的操作措施，設計注水口和緊急卸料口是必要的。注水流量依據罐體的大小和其他保護設計（輔助放空和緊急排空）的情況。為了保證混合注入水通過注入管從罐頂部注入，管線必須在正常位置且能安全操作。

為了防止罐體超壓，儲罐應設置緊急卸料口，特別緊急的情況下將罐體中雙氧水罐體卸料排空至事故池內，把雙氧水轉移到安全地帶。

2.4 液位和溫度控制

雙氧水儲罐設置高低液位報警、高高液位聯鎖，同時設置溫度計[3]，在雙氧水分解條件下的監測和分析中，溫度是最重要的參數。監測溫度是永久監測參數，溫度計具有檢測和報警功能，設定報警和在測量偏差范圍內監測溫度的變化。

由于雙氧水存在不均勻分解的情況下。因此根據儲罐體積的大小，安裝多個溫度測點是必要的。為了得到充足的監測數據，推薦的溫度監測器的數量為：儲罐容積V＜100m3可設置1個溫度測點；100m3＜儲罐容積V＜500m3應設置2個溫度測點；500m3＜儲罐容積V＜1 000m3應設置3個溫度測點；儲罐容積V＞1 000m3應設置4個溫度測點

由于液體表面具有最高的溫度，所以測量儲罐的表面溫度時（例如通過紅外線測溫），測量單元的數量可減少至1～2個。

報警：分解速率隨著溫度增加，根據相應的標準規范設置報警信號，設定報警信號應當盡可能的低。報警開關和熱電偶禁止使用水銀式，熱電偶中使用的液體應該很好地與雙氧水相容。

2.5 噴淋系統

雙氧水儲罐設置水噴淋系統，當儲罐溫度達到設定值時，水噴淋系統打開給雙氧水儲罐噴淋降溫，噴淋強度可取6L/（m2·min），減緩雙氧水分解速度，從而降低事故發生風險。

2.6 防靜電接地

靜電是物體與物體之間的相互接觸、摩擦快速分解而產生的，雙氧水分解產生的氧氣屬于助燃劑，因此，在儲罐設計過程中，需要消除靜電的積累，將靜電荷接地導入大地。設備和管線均需用銅線或銅板靜電接地，法蘭與法蘭之間也應用銅線連通。

3 制造及檢驗的要求

焊接質量是儲罐制造的重要環節。不銹鋼之間的焊接采用氬弧焊打底，凡與物料接觸部分的焊縫全部采用氬弧焊，以免影響金屬的純度。

儲罐在制造完后內表面必須打磨光滑，不得有焊瘤、焊渣、尖角、毛刺等異物。在焊接或制造過程中產生的氧化膜、焊接熔渣殘留物，不是鈍化層。這些降低了鋼的耐化學性，就像嵌入的異物，因此必須將其清除。

酸洗的目的是通過溶解去除金屬表面層，通常用酸洗液或酸洗膏進行酸洗。酸洗液或酸洗膏是一種含氟硝酸溶液。但溶液含鐵量不得高于8g/L。通過噴涂或完全浸漬進行酸洗處理。酸洗完成后，使用噴霧槍進行沖洗。

鈍化工藝有助于在金屬表面形成氧化膜，建議使用硝酸溶液進行鈍化。最后用雙氧水處理其表面。

4 結論

為了保證雙氧水儲罐的安全運行，從設計階段開始就應全面考慮，防患于未然。正確的選材、合理的結構設計、罐頂排氣口面積的計算、液位及溫度的監測、輔助安全措施（緊急輔助放空口、注水口及緊急卸料口）的設置及制造檢驗過程中應注意的問題等，為雙氧水儲罐的設計和生產管理提供參考。