可燃液体储罐氮封系统设计要点探讨

王绍宇 胡福恒 韩旭

（中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄 050021）

可燃液体储罐氮封系统设计要点探讨

王绍宇 胡福恒 韩旭

（中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄 050021）

介绍了可燃液体储罐氮封系统呼吸阀的选型、供氮系统供氮能力的计算以及排气过程可燃液体损失量的评估，提出了对不同沸点可燃液体氮封系统的设计原则及降低介质损失的方法。

氮封；呼吸阀；罐区

根据GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》[1]的要求，甲、乙A类可燃液体储罐应设置氮封装置，以降低罐区发生火灾和爆炸的风险。目前可燃液体罐区普遍设有氮封系统，氮封系统涉及呼吸阀排气压力的确定，排气回收方案的选择，供氮系统供氮能力的确定，以及对整个氮封系统溶媒损失量和回收率的评估。实践中经常遇到由于氮封系统设计不合理，导致溶媒损失量大，或供氮系统能力与罐区的实际需求量相差甚远的情况，给企业带来一定的经济损失。本文针对氮封系统的上述设计要点进行讨论，以期达到指导设计的目的。

1 氮封系统简介

设置氮封系统的目的是隔绝氧气和易燃易爆可燃液体的接触，从本质上避免火灾或者爆炸事故的发生。氮封系统的作用是在储罐的进、出料过程中，通过供氮系统和呼吸阀的配合，控制储罐内气相空间中氧的含量在安全的浓度。如图1所示，来自供氮系统的氮气经减压装置（一般为自力式减压阀）减压至pN0（压力单位Pa，绝压，下同）后充入储罐，此为充氮过程，当储罐压力p等于pN0时，充氮过程结束（储罐初次使用时应先进行氮气置换）；当储罐进料时，随着物料的加入，储罐气相空间压力p升高，当储罐压力p大于呼吸阀的排放开启压力pE时，呼吸阀开始排气，进料终止时储罐压力p等于pE，排气过程结束；当储罐出料时，随着物料的排出，储罐气相空间压力降低，当储罐压力p小于pN0时，系统开始充氮，出料终止时储罐压力p等于pN0。

图1 储罐充氮系统Fig.1 The diagram of nitrogen fi lling system

图中pN0为减压后充氮气源压力；p为储罐气相压力；pN为储罐气相中氮气的分压；pV为储罐气相中可燃液体的气相分压；pE为呼吸阀开启排气的压力。

2 呼吸阀通气量和开启压力的确定

2.1 呼吸阀通气量的确定

呼吸阀的通气量和开启压力直接影响呼吸阀的选型。呼吸阀的通气量除了和储罐的进、出料量有关外，还和储罐的热呼吸量有关。由于大气存在昼夜温差而导致储罐气相空间压力的变化，从而引起气相空间气体的吸入或者排出，称为热呼吸量。根据SH / T 3007—2007《石油化工储运系统罐区设计规范》的要求[2]，呼吸阀的吸入量应等于储罐出料时的最大出液量和热吸入量之和；呼吸阀的呼出量应等于储罐进料时的最大进液量和热呼出量之和。SH / T 3007—2007《石油化工储运系统罐区设计规范》规定，当液体闪点（闭口）高于45℃时，应按照最大进液量的1.07倍计算；当液体闪点（闭口）小于或等于45 ℃时，应按照最大进液量的2.14倍计算。

储罐的热呼吸量与气候条件、进出料量及可燃液体的蒸汽压有关，SH / T 3007—2007《石油化工储运系统罐区设计规范》根据储罐的容积和可燃液体的闪点（闭口），给出了储罐热呼吸量的推荐值，做为选用呼吸阀通气量的依据，见表1。

表1 储罐热呼吸通气量Tab.1 The ventilator capacity of thetank

根据储罐的进、出料最大量和热呼吸量，可以计算出呼吸阀的通气量，并依据通气量查呼吸阀通气量曲线确定呼吸阀公称直径。当缺乏呼吸阀通气量曲线时，可依据表2、表3确定呼吸阀规格。表2和表3列出了设阻火器和不设阻火器时，储罐容积、进出储罐的最大液体量和呼吸阀公称直径之间的关系。根据SH / T 3007—2007《石油化工储运系统罐区设计规范》的规定，设置氮封系统的可燃液体储罐排气可不设阻火器。

需要说明的是，表1中的热呼吸通量是为了确定呼吸阀规格而给出的推荐值，不能作为充氮量的依据。

表2 呼吸阀选用表（设阻火器）Tab.2 The selection of breathing valve（with fl ame arrester）

表3 呼吸阀选用表（未设阻火器）Tab.3 The selection of breathing valve（without fl ame arrester）

2.2 呼吸阀开启压力的确定

呼吸阀的作用是减少储罐内气相空间与外界大气之间的气体交换，从而减少挥发性液体的损失。由前面的介绍可知，随着大气温度的升高，储罐内气相压力升高，当储罐内气相压力p大于呼吸阀的排气开启压力时，储罐开始排气；随着大气温度的降低，储罐内气相压力降低，当储罐内气相压力p小于充氮压力时，储罐开始充氮。呼吸阀的选择原则是，在昼夜温差交替时，随着罐内压力升高或降低，呼吸阀应尽量少发生吸气或者排气，从而达到减排的作用。由图1可知，储罐气相空间压力p按式（1）计算。

pN为罐内氮气的分压，该值随着氮气的排出和补入而变化，最大值等于pN0；pV为储罐内液体的蒸汽分压，只与温度有关。纯液体不同温度下的蒸汽压可利用Antoine方程计算[3]，见式（2）。

式中，p*为温度T（温度单位，K，下同）时的纯液体蒸汽分压，单位为mmHg；A、B、C为Antoine常数。各种物质的Antoine常数可以查找文献[3]。

转化为标准压力单位Pa，见式（3）。

当p大于呼吸阀的排气压力pE时，储罐内的气体会排出，增加呼吸阀排气的开启压力可减少呼吸量。根据式（1），储罐气相空间的最大压力见式（4）。

式中pVH— 可燃液体在昼夜最高温度时的饱和蒸汽分压。

pmax的大小和可燃液体的沸点有关，沸点越低的介质pmax值越大。

呼吸阀的排气开启压力pE的确定应综合考虑介质特性、储罐容积的大小以及经济性。当pE大于pmax时，储罐不进料、出料时，罐内的气相和大气不发生气体交换，此时可燃液体的损失最小，氮封系统的充氮量也最小。但是对于大体积的储罐，选择的开启压力越高，储罐的造价也越高，对于体积较小的储罐，开启压力pE可适当选择大一些，而对于大体积的储罐，则应选择小一些。

对于设置氮封系统的储罐，储罐在压力低于充氮压力时即开始充氮，因此呼吸阀的吸气开启压力无需再进行计算。

3 氮封系统氮气消耗量的计算

储罐内液体的进、出以及随大气温度的变化而产生的呼吸，会导致储罐内的气相与外界大气进行气体交换。此过程中，充氮量等于储罐液体排出量Q1与昼夜气温变化导致的吸气量Q2之和。虽然表1给出了不同容积储罐的热呼吸通量，但该热呼吸通量数值远大于储罐的实际吸气量Q2，只能作为选择呼吸阀使用。实际的热呼吸量Q2的计算较为复杂，在储罐既不进料也不出料的情况下，储罐的气相空间V保持不变，而由于大气温度在一昼夜中的变化，会使得气相压力p随之改变，当p大于呼吸阀的开启压力pE时开始排气，排气过程中始终p=pE；当p小于充氮压力pN0时，充氮系统开始向储罐中充氮，充氮过程中始终p=pN0。

设一昼夜中最高温度为TH，最低温度为TL，由于可燃液体存在气液两相，在此过程中可燃液体的饱和蒸汽分压pV随着温度的变化而改变，同时随着可燃液体的蒸发和冷凝而存在气液两相之间的传质。首先判断当罐温由TH降低到TL时，是否会有充氮发生。选取温度最高点和最低点两个状态点计算。如图1，在温度最高点呼吸阀排气结束，此时p=pE=pNH+pVH，即pNH=pE-pVH，式中pNH和pVH为高温点氮气和可燃液体的分压；温度下降到最低温度点TL时，由气体的状态方程pV=nRT可以导出最低温度点时气相中氮气的分压PNL，见式（5）。

最低温度点时气相总压力pL见式（6）。

式中pL—最低温度点时气相总压；

pE—呼吸阀排气开启压力；

pVH和pVL— 最高温度点和最低温度点可燃液体的饱和蒸汽压；

TL和TH—一昼夜中储罐的最高和最低温度。

当pL小于pN0时，氮封系统向储罐充氮，充氮量计算如下。

设储罐的气相空间容积为V，温度最高点时氮气的分压为pNH=pE-pVH，氮气的摩尔数见式（7）。

式中R—气体常数，8.314 J/(mol·K)，nH单位 mol。

温度最低点时氮气的分压为pNL=pN0-pVL，氮气的摩尔数见式（8）。

充氮量见式（9）。

吸入氮气量折成标准体积见式（10）。

式中Q2—氮气吸入量，m3。

4 排气损失及冷凝回收率的计算

储罐排出的氮气量等于充氮系统充入的氮气量，低温段充氮必定导致高温段的排气，由于充氮导致的排气量见式（11）。

式中nE—排气摩尔数；

pV—排气温度下溶媒的饱和分压；

（nL-nH）—排出的氮气摩尔数。

为了减少VOC的排放，同时回收部分的有机溶媒，排气需加冷凝，冷凝回收率与所用的冷媒温度有关，冷凝回收率见式（12）[4]。

式中y—冷凝回收率，无量纲；

pV1和pV2—有机溶媒在冷凝前后的分压，Pa。

5 应用实例

某企业有100 m3的甲醇储罐一个，氮气经自力式减压阀减压到1 000 Pa 后，作为氮封的气源，储罐的最大进液出液量均为15 m3/h，日出料量为50 m3/d。现该甲醇储罐有一个排气开启压力为1 750 Pa的呼吸阀，若用 0 ℃制冷水冷凝回收储罐的排气，① 请计算该储罐呼吸阀的公称直径、氮封系统的充氮量及甲醇的日损失量；② 优化该储罐的呼吸阀选型，并计算该储罐氮封系统的充氮量及甲醇的日损失量。

解：（a）基础数据准备

查企业所在地区的气象资料，一昼夜最高温度按照40 ℃、最低温度按照20 ℃设计（按照夏季气象资料计算，有机溶媒的饱和蒸汽压夏季最高，呼吸阀的排气开启压力高）。

查《化学工程手册》[3]，甲醇的Antoine常数分别为：A= 18.587 5；B= 3 626.55；C= - 34.29。利用式（2）和式（3）分别计算甲醇在20 ℃和40 ℃时的饱和蒸汽压。

甲醇20 ℃时，

甲醇40 ℃时，

（b）呼吸阀型号确定

本设计由于设置氮封系统，可不设阻火器，查表3，选用DN50的呼吸阀可满足甲醇储罐的通气要求。

对问题 ① 进行计算：

本例问题 ① 选定的呼吸阀排气开启压力为1 750 Pa。

（a）热呼吸量及充氮量计算

由于热呼吸量和储罐的装料系数有关，取储罐容积的一半即50 m3作为平均气相体积进行计算。

利用式（6）计算最低温度时是否需要充氮， 最低温度时的罐压为：

充氮系统的压力为101 325 + 1 000 = 102 325 Pa，高于最低温度时的罐压pL，需充氮，充入量按照式（9）计算：

折成标准体积为531.6×0.022 4 = 11.9 Nm3，此为吸入氮气量。

氮封系统的充氮量等于出料量和由于昼夜温差而吸入的氮气量之和，根据大气温度的变化规律，一般最高温度出现在16时，最低温度出现在6时，其间相差14 h。但是由于排气压力和充氮压力之间的压力差，充氮时间实际上小于14 h，本例取6 h。故甲醇储罐的充氮气流量为：15×（101 325 + 1 750）/101 3 25 + 11.9 / 6 = 17.2 Nm3/h。

（b）排气回收率及损失量计算

热呼出量按照式（11）计算：

每天的总排气量为日进料量与热呼出量之和：

其中含甲醇：

采用0 ℃的制冷水回收排气，其回收率按式（12）计算，0 ℃ 时甲醇的饱和蒸汽分压为4 012 Pa：

甲醇实际损失量为33.7× ( 1 - 0.92 ) = 2.7 kg/d。

对问题 ② 进行计算：

（a）呼吸阀排气压力的确定

根据式（4），pmax=pN0+pV= 1 000 + 35 193 =36 193 Pa，由于该甲醇储罐体积较小，适当增加排气压力不会过多地增加设备造价，故选用排气开启压力为39 200 Pa的呼吸阀。

（b）热呼吸量及充氮量计算

利用式（6）计算最低温度时是否需要充氮， 最低温度时的罐压为：

充氮系统的压力为101 325 + 1 000 = 102 325 Pa，低于最低温度时的罐压pL，不需充氮。

其中含甲醇：

采用0 ℃的制冷水回收排气，其回收率按式（12）计算，0 ℃时甲醇的饱和蒸汽分压为4 012 Pa。

甲醇实际损失量为24.8×( 1-0.91 ) = 2.2 kg/d。

由于热呼吸量为0，甲醇储罐的充氮气流量等于最大出料量，即。当一个罐区有多个储罐需要充氮时，充氮量应为各储罐同时最大出料量和各储罐由于热呼吸导致的充氮量之和。同时最大出料量应根据生产的实际情况确定，一般小于各储罐的出料量之和。氮封系统的充氮量还应考虑充氮系统管道、管件及呼吸阀的泄漏量，设计时充氮能力应留有一定的余量。

6 结论

氮封系统的设计包括充氮量的计算、呼吸阀公称直径的确定、呼吸阀排气开启压力的确定、排气损失量和回收率的计算等。通过以上分析可见，呼吸阀的排气开启压力直接影响到充氮量和排气损失。排气开启压力越高，所需充氮量越小，溶媒损失也越少；沸点越低的可燃液体，应尽量选择排气开启压力大的呼吸阀以降低排气损失和充氮量。确定呼吸阀的开启压力时要考虑经济性，对于大容积的储罐，开启压力选择过大，会增加设备的造价。

热呼吸量与溶媒的沸点、蒸汽分压等可燃液体特性有关，是确定充氮系统充氮量的重要依据。表1依据储罐容积的大小给出了热呼吸通量，据此可确定呼吸阀的公称直径，但此热呼吸通量不能作为充氮量的依据。比如按照表1中100 m3的储罐热吸入量为16.9 Nm3/h，而根据示例中的计算结果，对于甲醇一昼夜的热吸入量为11.9 Nm3，远小于表1中的数据。如果按照表1中的热呼吸通量设计充氮量，将造成很大的浪费。

[1]GB 50160—2008，石油化工企业设计防火规范[S].

[2]SH / T 3007—2007，石油化工储运系统罐区设计规范[S].

[3]化学工程手册编辑委员会. 化学工程手册[M]. 北京：化学工业出版社，1979.

[4]王绍宇.有机废气处理工艺的探讨及处理效果的评价[J] .化工与医药工程，2015，36（3）：53-58.

[5]SY/T 6673—2013，常压与低压储罐通风安全规范[S].

Discussion of Key Points in Design of Nitrogen Sealing System in Flammable Liquid Storage Tank

Wang Shaoyu, Hu Fuheng, Han Xu
（The Fourth Research and Design Engineering Co. of CNNC, Shijiazhuang050021）

In this article, for fl ammable liquid storage tank, the methods for the selection of breather valve in nitrogen seal system,the calculation of the capacity of nitrogen supply and the assessment of fl ammable liquid loss were introduced. The principle of designing nitrogen seal system for fl ammable liquids with different boiling points and the method of reducing medium loss were presented.

nitrogen seal system; breather valve; tank farm

TQ 086.2

A

2095-817X（2017）06-0044-006

2017-05-16

王绍宇（1969—），男，研究员，现从事医药化工的设计工作。