氮封技术控制固定顶储罐呼吸损耗探析

尹 柯 周桂青

（湖北君邦环境技术有限责任公司 湖北武汉 430000 武汉中质博测检测技术有限公司 湖北武汉 430000）

引言

储罐呼吸是石油化工行业物料储运过程中发生损耗的一个重要原因，储罐呼吸不仅造成资源的损失，同时，由于呼吸排放物料往往未经收集处理直接排至大气，将会对周边大气环境质量造成不利影响，对工人和周围群众的健康造成损害。

目前对于储罐呼吸损耗主要是采用保温罐、浮顶罐等措施，也有部分企业采用氮封拱顶罐来达到减少物料损耗的目的。然而氮封技术究竟在控制储罐呼吸损耗上如何起作用以及能够起到多大作用，目前尚未见较为充分可信的论证，较为常见的观点是“由于氮气密度比物料密度小，氮气可以浮在物料蒸汽上方，因此储罐呼吸时呼出的是氮气而非物料蒸汽”[1-4]，有文章甚至认为氮封技术能减少98%的呼吸损耗[5]。

本文认为上述观点的论据并不充分，为了搞清氮封技术在控制储罐呼吸损耗上的作用，本文将通过对比，对氮封技术的作用进行探析。

1 储罐呼吸过程条件设定

宁波市某化工液体仓储企业现有两座固定顶储罐，其中甲储罐无氮封措施，乙储罐采用了氮封技术，氮封压力为0.5kPa，储罐的其它参数及操作工况完全相同。储罐呼吸阀正负压力分别为1.5kPa和-0.03kPa（均为表压，以下同）。

条件假设既要保证结论的基本准确性，同时，由于影响储罐内液体蒸发损耗的因素的复杂性和不确定性[6]，条件假设也应使两种情况具备可比性。因此本文在进行比较时，重点关注了影响液体蒸发的决定性参数，如温度、风速等[7]，而弱化了对液体蒸发影响不明显的参数，如气体的密度和热膨胀系数的差异。依据理想气体状态方程、道尔顿分压定律、道尔顿蒸发定律，本文进行了以下假设：

（1）罐内气体可视为理想气体。

（2）物料的饱和蒸汽压只是温度的函数。

（3）罐内混合气体的浓度分布是均匀的。

（4）忽略温度变化的滞后性。

（5）不考虑收发物料过程中罐内湍流和风速的影响。

2 甲、乙储罐工作过程比较

2.1 储罐发料

储罐发料过程中两座储罐工作过程如下：

甲罐：在发料过程中，呼吸阀关闭，当压力降低到呼吸阀的压力下限-0.03kPa时，呼吸阀打开，储罐开始吸入空气，发料结束后，储罐内压力为-0.03kPa；此时罐内气体为空气和物料的混合气体。

乙罐：在发料过程中，呼吸阀关闭，罐内压力降低，当压力降低到氮封阀设定压力0.5kPa时，氮封阀打开，储罐开始吸入氮气，此时蒸汽分压继续降低，而氮气分压增加，发料结束后，储罐内压力为0.5kPa，此时罐内气体为氮气和物料的混合气体。

从上述过程可看出，发料过程二者的区别主要体现在发料结束时，甲罐的压力为-0.03kPa，乙罐压力为0.5kPa。

2.2 储罐收料

储罐收过程中两座储罐过程如下：

甲罐：初始压力为-0.03kPa，随着液面升高，罐内气体压力增大，当压力高于1.5kPa时，呼吸阀打开，向外呼出气体。

乙罐：初始压力为0.5kPa，随着液面升高，罐内气体压力增大，当压力高于1.5kPa时，呼吸阀打开，向外呼出气体。

从上述过程可看出，收料过程二者的区别主要体现在乙罐的初始压力为0.5kPa。

从以上比较可以看出，甲乙两座储罐工作过程中，唯一的区别在于压力的不同，这是由于设置氮封的乙储罐会向罐内补充氮气，使得乙储罐的罐内气体压力总是大于0.5kPa，可以理解为是将呼吸阀的压力下限提高到了0.5kPa，使得罐内气体空间能够维持一个“微正压”。

3 建立过程模型

通过甲乙两座储罐工作过程的比较，得出二者的主要差异在于乙罐内存在压力为0.5kPa的氮气，这样通过建立物理模型，分析该压力对储罐内液体蒸发的影响，便能判断氮封对储罐呼吸损耗的影响程度。

假设甲储罐罐内为空气，压力为常压（绝压为101.3kPa）乙储罐罐内为氮气，压力为0.5kPa（绝压为101.8kPa）。温度均为常温25℃，现以同样的速率往甲乙两座储罐内充装同种液体。

根据道尔顿蒸发定律：

W-液体蒸发速率；（E—e）为液面上方蒸汽不饱和程度，其中E为特定温度下液体的饱和蒸汽压，e为液面上蒸汽的实际蒸汽压；P为环境压力（绝压）；C为与风速有关的比例系数（根据本文假设，C设定为1）。

罐内液体的蒸发速率与蒸汽的不饱和程度及环境压力有关，甲乙两座储罐的蒸汽饱和程度是相同的，因此P为影响二者蒸发速率的唯一因素。对于本文中的甲乙储罐，环境压力对蒸发速率的影响程度用二者的速率差与甲储罐的蒸发速率比值F来表示。则

从计算结果可以看出乙储罐保持的“微正压”对液体蒸发速率的影响非常小，本文在对二者进行比较时，认为甲乙两座储罐内液体的初始蒸发速率是相同的。

随着收料的进行，储罐内液体的蒸发，罐内气体总压及蒸汽分压都会增加，由于蒸汽分压受蒸发作用和体积变化的双重影响，通过推导不难得出，罐内蒸汽分压与时间呈正比例关系，进而得出液体蒸发速率W为时间t的反比例函数。

图中红线表示甲罐内液体蒸发速率随时间的变化关系，设为W=W（t）；绿线表示乙罐内液体蒸发速率随时间的变化关系，设为W=W’（t）。根据蒸发量与蒸发速率的关系，则甲罐液体在此时间段内的蒸发量为罐液体在此时间段内的蒸发量为

表1 甲、乙罐内液体收料过程蒸发情况

从上表不难看出甲罐的总蒸发量为Q=Q1+Q2+Q3+Q4，乙罐的总蒸发量为Q'=Q1'+Q2'+Q3'+Q4'，Q'>Q，也即在此过程中乙罐的蒸发量要大于甲罐。

通过上述分析可看出，氮封措施并不能减少储罐收料时的蒸发损耗。

假设储罐收料结束后，又以相同的速率发料，可以看作是收料过程的一个逆过程。由于罐内气体压力较低，根据道尔顿分压定律，混合气体的总压等于各气体的分压之和，而根据理想气体状态方程可知，在温度恒定的情况下，气体的压力是其体积的函数，对于同样的物质，只要其体积变化率一致，则其压力变化率也是一致的。甲、乙两座储罐内的物料蒸汽，由于其发料速率相同，二者的体积变化率是相同的，因此甲乙两座储罐内蒸汽分压随体积的变化率也是相同的。又由于甲乙储罐发料前的初始蒸汽分压相同（E4=e4'），因此发料结束后甲乙储罐的蒸汽分压相同（E5=e5'），根据道尔顿蒸发定律，在此过程中，甲乙储罐液体蒸发量是相同的。因此氮封措施也不能减少储罐发料时的蒸发损耗。

综上可以看出，储罐氮封措施不能减少储罐的大呼吸。

假设发料结束后罐内仍有1/3的液体，此时储罐进入静置状态，储罐在静置状态下，罐内气体空间体积不变，罐内气体压力只是温度的函数，随着一天之内气温的升降，罐内气体压力将会发生周期性的变化。

当处于升温状态时，液体的饱和蒸汽压变大，蒸发速率变大，根据克拉佩龙方程，物料的饱和蒸汽压只与物料本身性质和温度有关，因此在此过程中，甲乙两罐内液体的饱和蒸汽压E是相同的，随着罐内气体压力增大，乙储罐呼吸阀先打开，呼出气体；温度进一步增加，甲储罐呼吸阀也打开，呼出气体；可以看出，升温过程和储罐的收料过程是相似的，同理，储罐的降温过程与发料过程相似。

由储罐收发料过程的结论可以推断，氮封措施不能降低储罐升温和降温时物料的蒸发损耗，也即不能减少储罐的小呼吸。

结语

从上述分析过程和结果可见，氮封带来的“微正压”无论是在储罐大呼吸过程还是在储罐小呼吸过程中都不能减少罐内液体的蒸发量。即使考虑到氮气与空气性质的差异，也不会对蒸发过程产生巨大影响。从氮封技术产生的历史背景来看，其主要目的也是防止储罐内物料被氧化以及保证储罐安全，安全意义远大于环保意义。因此，在设计储罐废气治理技术方案和评价储罐废气排放源强时，氮封技术是不应作为一项环保措施考虑的，更不能草率认为氮封技术能有效的减少储罐的呼吸损耗。