高濃度甲醛罐區的設計分析

唐奕辰(中國化學賽鼎寧波工程有限公司，浙江 寧波 315040)

0 引言

甲醛是一種有機化學物質，化學式是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、高熱能會引起爆炸。與氧化劑接觸會發生猛烈反應。甲醛的閃點和濃度有很大關系。以55%甲醛溶液為例，其閃點為83 ℃。根據GB 50160—2018《石油化工企業設計防火規范》中第3.0.2條規定，其屬于丙A類可燃液體。甲醛的氣相屬于甲類可燃氣體(爆炸濃度下限＜10%)。甲醛作為一種非常重要的工業原料，一般以水溶液的方式儲存。在生產過程中對其儲存與輸送的工藝和生產管理[1]均有較高的要求。

1 儲罐設計

高濃度甲醛溶液作為丙A類可燃液體可選擇固定頂儲罐儲存。儲存在儲罐中的高濃度甲醛極易發生化學反應，對儲罐造成損害。其中主要有以下兩種化學反應需要注意。

(1)坎尼扎羅反應：

這種反應通常在堿性環境下十分迅速，但在酸性環境下十分緩慢。如果儲罐中的甲醛溶液溫度過高，就會發生這種反應。根據以往的經驗，這種反應也會阻止儲罐溫度進一步上升。

(2)聚合反應：

這種反應最初在儲罐中體現為云絮狀，然后漸漸聚合形成聚甲醛沉淀至罐底。當儲罐內溫度降低時，就會產生這種反應。隨著溫度的降低這種反應會漸漸加速。根據經驗，這種反應也會阻止溫度進一步下降。

上述的第一種反應，甲酸的含量會隨著反應逐漸升高，而甲酸的含量越高對于儲罐的腐蝕性就越大。上述的第二種反應，來自脫鹽水中的少量氯離子在多聚甲醛中積聚，也會對儲罐造成腐蝕。因此儲罐的材質推薦選用SS304或SS316。根據以往經驗，上述兩種反應對于儲罐底部的腐蝕最明顯。為了節省投資，同時又要有更好的抗腐蝕性，最好將更容易發生腐蝕的儲罐底板和距離底板1 m以內的側壁用SS316材質。除此之外，儲罐的材質也可以選擇碳鋼襯酚醛樹脂、碳鋼襯乙烯樹脂或加強聚酯。但是選用這些材質的儲罐使用壽命較短，并且高濃度甲醛易滲入儲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，儲罐的頂部、側壁及基礎均需要保溫。如果只對儲罐保溫而忽視罐基礎，罐基礎的混凝土在低溫環境中會形成冷橋促使儲罐底部的甲醛發生聚合反應。保溫材料通常可以選用巖棉或者離心玻璃棉。保溫厚度可根據所在具體地點的環境溫度確定。除了給儲罐保溫，還需要給儲罐設置伴熱系統，以便有效地控制和調整高濃度甲醛所需要的儲存溫度，避免高濃度甲醛發生上述兩種反應。伴熱系統分為內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儲罐內的甲醛溶液進行循環輸送，來達到控溫的目的。而內盤管伴熱只需要在儲罐罐壁內壁底部設置伴熱盤管即可。相比而言更加簡便，所以通常推薦使用內盤管伴熱。伴熱的介質可以采用熱水或低壓蒸汽。在同等條件下應優先選用熱水伴熱。因為熱水伴熱更容易控制溫度，且內盤管表面的溫度比低壓蒸汽更低一些，有利于防止甲醛發生坎尼扎羅反應。內盤管的換熱面積通過計算后確定。根據換熱面積即可確定所需的伴熱管管長。內盤管的材質須采用和輸送高濃度甲醛管道一樣的材質，通常選用SS304或SS316。

當儲罐中存在有高濃度甲醛時需要持續攪拌。這樣可以保證儲罐內部各個位置的溫度變化較小，也能有效地阻止儲罐底部發生聚合反應。攪拌器可分為頂部攪拌器、側入式攪拌器、底入式攪拌器、噴射攪拌器。這幾種攪拌器各有優缺點，根據以往的經驗如果儲罐的容積較小，可以優先選用頂部攪拌器；如果儲罐容積較大，可以優先選用側入式攪拌器或底入式攪拌器；如果高濃度甲醛濃度高于50%時可優先選用噴射攪拌器。

考慮到甲醛氣體火災危險性類別屬于甲類，在儲罐的頂部需要設置氮封系統和防超壓裝置。氮封系統可以使儲罐維持一定的壓力(正壓)，防止儲罐內的甲醛氣體和外界氣體接觸形成爆炸混合物。氮封系統中閥組的材質應和高濃度甲醛物料管道材質一致，在閥組邊界處改為氮氣主管的材質。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罐超壓。根據以往經驗，當儲罐內的高濃度甲醛被輸送泵抽出或由于外界溫度降低使儲罐內氣體收縮時，氮封系統可以優先補氮，避免儲罐內負壓過大使呼吸閥吸入大量空氣。當輸送泵將高濃度甲醛溶液送入儲罐使液位升高或外界環境溫度上升時，可以通過通氣管送至風機加壓再輸送至尾氣吸收塔處理。如果呼出的尾氣量過大導致儲罐正壓上升，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《石油化工儲運系統罐區設計規范》中表5.1.6得到，也可以通過API2000計算得到，后者更為精確。考慮到甲醛氣體很可能會在呼吸閥和泄壓閥口處因為低溫而發生聚合，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置伴熱，同時呼吸閥和泄壓閥需要具有全天候防凍能力。

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

2 泵及風機的選擇與設計

高濃度甲醛溶液的職業接觸毒性分類為極度危害。如果泄露會造成人員急性中毒，主要表現為對皮膚、粘膜的刺激作用。吸入高濃度甲醛可導致呼吸道激惹癥狀，打噴嚏、咳嗽并伴有鼻和喉嚨的灼燒感；此外，還可誘發支氣管哮喘、肺炎、肺水腫。經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。因此對泵和風機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。其葉輪和軸心材質選用SS304或SS316。風機的型式根據實際情況選擇，如果輸送距離遠，所需風壓大選擇羅茨風機；如果輸送距離近所需的風壓較小也可以選擇離心風機。和儲罐一樣，泵和風機均需要伴熱以防止設備內甲醛聚合。并且泵和風機的電機均應設為防爆。

輸送泵的數量應設為一開一備。所有泵應在罐區外統一布置成為泵區。泵區根據具體所在的環境可設泵房、半露天布置或露天布置。所有泵在泵區中應單排布置，相鄰泵機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而出現事故，在泵出口主管上應設置聯通跨線接至進罐管道上。在跨線管道上應設置調節閥組，通過調節閥組可調節泵出口管道流量，既能保證正常操作的安全，也保護泵不會受到管道超壓帶來的損害，泵進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生聚合反應。在泵出口的切斷閥后宜設置固定式的吹掃接頭，以確保密閉吹掃。

3 管道及閥門的相關設計

在高濃度甲醛的管材及閥門的選用中，應著重考慮甲醛有極度危害的毒性且易聚合、易腐蝕的特性。所以管道材質應選擇SS304或SS316，閥門應選用高密封性閥門。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。保溫厚度可根據當地環境具體分析確定。伴熱管道的有效伴熱長度及分配站、收集站的設計可按SH/T 3040—2012《石油化工管道伴熱和夾套管設計規范》執行。伴熱管材質優先考慮紫銅，也可以選擇SS304或者碳鋼。

輸送管道在高點和低點應設置放空和倒淋，所有放空和倒淋均需設置雙閥。當管線中斷輸送或需要檢修時，可通過放空排液口將高濃度甲醛排放至密閉容器內，或用氮氣吹掃回儲罐內。這樣可以避免高濃度甲醛靜止后發生聚合堵塞閥門和管道。

4 其他需注意的問題

在罐區和泵區內需設置氮氣、生產水等軟管站并設洗眼淋浴器。其有效半徑可按15 m考慮。所有儲罐、泵、風機及管道均應做好靜電接地，防止靜電或雷擊產生火花引起爆炸。泵區及罐區的地坪均需進行防滲防腐處理。在泵區外沿處需設置高100 mm的圍堰，防止泵區內的含高濃度甲醛液體溢流至泵區外造成危害。

除了必要的工藝管道外，甲醛罐區還需設置儀表空氣、氮氣、熱水、生活水等公用工程管道。罐區內應優先考慮設置管墩，在需要增加管架的情況下，應該充分考慮方便人員通行及操作[2]。

5 結語

文章通過以上論述，總結了高濃度儲罐、泵、風機和工藝管道的一些設計要點和需要注意的問題。在甲醛罐區實際設計工作中，在滿足現有的防火技術規范和安全標準的前提下，應具體情況具體分析，不斷優化工藝設計以滿足日益擴大的生產管理需求，最終為獲得良好的經濟效益創造條件。