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1  溶液的揮發(fā)和換氣

1.1  概述

       化學(xué)溶液（如鹽酸溶液）在儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存時(shí)，在其液面上方的空間內(nèi)，溶質(zhì)氣體在理論上應(yīng)處于分壓平衡的裝態(tài)；但是，該平衡氣氛含有對(duì)操作環(huán)境產(chǎn)生危害的組分（如溶質(zhì)氣體HCl），需對(duì)該平衡氣氛進(jìn)行負(fù)壓吸引，從而破壞了平衡分壓，導(dǎo)致溶液中該有害溶質(zhì)的持續(xù)揮發(fā)。

       使用化學(xué)溶液在敞口槽內(nèi)進(jìn)行酸洗等化學(xué)處理時(shí)，環(huán)境空氣流動(dòng)、氣壓變化等也會(huì)破壞液面上方的平衡分壓，造成化學(xué)溶液的持續(xù)揮發(fā)。

       當(dāng)化學(xué)溶液儲(chǔ)槽進(jìn)行加料或者排放時(shí)，溶液液面上方的空間體積減小或者增大，導(dǎo)致其空間氣體的壓力增大為正壓或減小為負(fù)壓，從而向槽外排放揮發(fā)氣體或向槽內(nèi)吸入環(huán)境氣體。如果換氣口（換氣量）設(shè)計(jì)不當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致槽內(nèi)的正壓或負(fù)壓（真空度）過高，從而損壞溶液儲(chǔ)罐，造成化學(xué)溶液的泄露，發(fā)生嚴(yán)重的事故。

       本文對(duì)溶液揮發(fā)、換氣量及溶液儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行初步的討論。

1.2  儲(chǔ)罐溶液的揮發(fā)量和換氣量

1.2.1  儲(chǔ)罐靜置狀態(tài)下的溶液揮發(fā)量

       通常情況下，可以根據(jù)《環(huán)境統(tǒng)計(jì)手冊(cè)》中“液體（除水以外）蒸發(fā)量的計(jì)算公式”匡算儲(chǔ)罐內(nèi)溶液的揮發(fā)量，如下公式1?！北居?jì)算方法適用于硫酸、硝酸、鹽酸等酸洗工藝中的酸液蒸發(fā)量的計(jì)算”^[1]，但也被應(yīng)用于溶液儲(chǔ)罐內(nèi)的溶液揮發(fā)量的計(jì)算^[2]。

 Gz=Mx(0.000352+0.000786V)xPxF（公式1）

其中：

GZ——液體的蒸發(fā)量  kg/h

M——液體的分子量

V——蒸發(fā)液體表面的空氣流速 m/s，一般可取0.2~0.5

P——相應(yīng)液體溫度下的蒸汽分壓 mmHg

F——液體蒸發(fā)面的面積  m²

       《環(huán)境統(tǒng)計(jì)手冊(cè)》給出了酸洗槽在槽邊抽風(fēng)條件下的液面風(fēng)速V的參考值，一般可取0.2~0.5 m/s。然而，對(duì)于儲(chǔ)罐等密閉或半密閉的槽體，該液面風(fēng)速則相對(duì)實(shí)際工況過大，應(yīng)注意選取。取較大值時(shí)，可以考慮閥門調(diào)節(jié)或風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)；配置相對(duì)較大的吸收系統(tǒng)對(duì)于工程設(shè)計(jì)亦無過大損害，成本增加也有限。故，儲(chǔ)罐在靜置狀態(tài)時(shí)，可利用該公式以0.2m/s的風(fēng)速進(jìn)行儲(chǔ)罐內(nèi)溶液揮發(fā)量的計(jì)算。

       同時(shí)，該計(jì)算公式得出的是酸霧蒸發(fā)量，“此酸霧是酸蒸汽和水蒸氣的混合物，當(dāng)酸液濃度較低時(shí)，水蒸氣是酸霧的主要成分。隨著酸洗濃度的提高，水蒸氣的濃度則逐漸降低，酸蒸汽的凈量則逐漸增高。所以，計(jì)算析出的酸霧量往往比用酸量大?！?span style="font-size: 14px;">^[3]

       公式中，相應(yīng)液體溫度下的空氣中的蒸汽分壓P，可查相關(guān)數(shù)據(jù)；當(dāng)液體的質(zhì)量濃度<10%時(shí)，可用水溶液的飽和蒸汽壓代替。

       舉例：對(duì)于直徑2.5m，有效高度2.8m，上部空間0.6m的15立方鹽酸儲(chǔ)罐，儲(chǔ)存40℃，20%質(zhì)量濃度的HCl時(shí)——

M——HCl的分子量，為36.5

V——蒸發(fā)液體表面的空氣流速 ，取0.2 m/s

P——40℃ 20%HCl的分壓，取2 mmHg

（對(duì)應(yīng)水蒸氣分壓30mmHg，故該條件下的揮發(fā)以水蒸氣為主）

F——液體蒸發(fā)面的面積，為5 m²

則，槽內(nèi)鹽酸溶液的蒸發(fā)量：

GZ=36.5x(0.000352+0.000786x0.2)x2x5=0.19 kg/h

       由上述數(shù)據(jù)可知，其酸霧溶液的總的分壓為32mmHg，遠(yuǎn)低于聯(lián)通的大氣壓760mmHg，因此，在儲(chǔ)罐靜置狀態(tài)下，基本無酸霧揮發(fā)出儲(chǔ)罐；如果考慮到換氣口的較小面積上的風(fēng)速影響和環(huán)境壓力的正常波動(dòng)，設(shè)置一個(gè)藥劑呼吸閥即可滿足靜置狀態(tài)下的吸收要求。藥劑呼吸閥示意圖參見圖1，選型表參見表1^[4]。

       以溶液蒸汽平均分子量19計(jì)（2mmHg HCl、30mmHg H₂O），則揮發(fā)廢氣體積流量約為：0.25m³/h

圖1 藥劑呼吸閥示意圖

表1 藥劑呼吸閥選型表

        儲(chǔ)罐的換氣口可以采用蘑菇型通風(fēng)口或U型通風(fēng)口，參見圖2。

圖2 通風(fēng)口類型示意圖

       上述蒸汽中，HCl的平衡濃度約為：1000x(2/32)/22.4x36.5=102g/m³。如果采用負(fù)壓吸引方式，則該濃度過高，酸蒸汽揮發(fā)流量過小，不便于后續(xù)吸收設(shè)備的處理。因此，需要增加換氣空氣量，減少濃度至500mg/m3，則抽氣流量應(yīng)為約50m3/h。

1.2.2  向儲(chǔ)罐內(nèi)加藥時(shí)的換氣量

       儲(chǔ)罐靜置狀態(tài)時(shí)的揮發(fā)量較小，不是儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的重點(diǎn)項(xiàng)目。向儲(chǔ)罐加藥時(shí)，由于溶液上部體積改變（壓縮）較大，罐內(nèi)壓力上升較高較快，儲(chǔ)罐在此時(shí)的換氣量應(yīng)作為儲(chǔ)罐排氣設(shè)計(jì)的重點(diǎn)項(xiàng)目。

       加藥換氣量的設(shè)計(jì)還要基于特定的儲(chǔ)罐系統(tǒng)，包括：酸液加入流量、加入方式（例如，采用泵加料還是壓縮空氣加壓加料）、加料管道的長度和規(guī)格，儲(chǔ)罐的壓力額定值等。

1） 壓縮空氣加壓加料

       圖3為采用壓縮空氣向儲(chǔ)罐加壓，將溶液卸至罐車的典型配置。

       有文獻(xiàn)^[5]對(duì)采用壓縮空氣從槽罐車向儲(chǔ)槽卸料做了分析說明：槽罐車用2Bar壓縮空氣通過2”橡膠軟管和2”UPVC硬管卸料至30m3的HDPE儲(chǔ)罐（D3m，H4.1m，內(nèi)部額定耐壓10’’水柱，0.025Bar），儲(chǔ)罐頂部設(shè)置150mm直徑PVC的排氣管，并以 6”水深（約150mm）沒入水吸收槽內(nèi)，如下圖4所示。

       在此條件下，根據(jù)伯努利方程，可初步推算，鹽酸排入量約為>50m3/h（壓差2-0.025=1.97Bar，壓頭損失1.84Bar，流速~4.6m/s），廢氣流量約為1,650m3/h（壓差10’’-6’’=4’’水柱約980Pa，壓頭損失約400Pa，氣速~26m/s）。

       該150mm排氣管直徑，已經(jīng)充分考慮到了罐車排酸結(jié)束后壓縮空氣閥門未及時(shí)關(guān)閉，大量氣體進(jìn)入儲(chǔ)罐的極端情況。正常情況下，對(duì)于該約50m3/h的加料流量，<100mm的換氣口便可以滿足罐內(nèi)的壓力平衡要求。

圖3 壓縮空氣卸料工藝示意圖

圖4 罐車空氣卸料實(shí)例示意圖

       有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)^[6]：“當(dāng)酸溶液采用壓縮空氣卸料時(shí)，在卸料結(jié)束后，槽罐內(nèi)會(huì)突然產(chǎn)生空氣潮涌（surge）”（如文獻(xiàn)[5]所述），需要約2,500m3/h的換氣量（大于文獻(xiàn)^[5]中的換氣量）；則，對(duì)于耐壓25’’水柱（約0.06bar）的儲(chǔ)罐，排放口要求3’’直徑（約80mm）；對(duì)于耐壓10’’水柱（約0.025bar）的儲(chǔ)罐，排放口要求10’’ 直徑（約250mm，也大于文獻(xiàn)^[5]中的換氣管直徑）。

2） 泵加料

       如果采用機(jī)械泵向儲(chǔ)罐內(nèi)加料，則不存在使用壓縮空氣加料時(shí)可能產(chǎn)生的大量壓縮空氣瞬間進(jìn)入儲(chǔ)罐的情況。所以，泵加料時(shí)，換氣口尺寸會(huì)相應(yīng)減小。

       有文獻(xiàn)^[7]列出了機(jī)械泵加料和壓縮空氣加壓加料情況下對(duì)應(yīng)不同容積儲(chǔ)罐的排放口尺寸要求，如下表2。

                                                                                        表2 儲(chǔ)罐排放口尺寸要求

       可見，采用機(jī)械泵加料時(shí)，換氣口尺寸只和儲(chǔ)槽容積有關(guān)。當(dāng)儲(chǔ)槽容積≤1000 gallons（約4立）時(shí)，換氣口直徑等于加料管或排料管中最大的直徑。當(dāng)儲(chǔ)槽容積>1000 gallons時(shí)，換氣口直徑在加料管或排料管中最大的直徑上增加1’’（約25mm）。那么，以一般重力排放口80mm計(jì)，換氣口選擇約100mm。

       舉例：機(jī)械泵以20m3/h的流量向1.2.1項(xiàng)中30m3的儲(chǔ)罐內(nèi)加入鹽酸，上部空間假設(shè)為2倍穹頂空間即5.9立方——

則空間壓縮速率約為5.6L/s，可以計(jì)算罐內(nèi)壓升速率為96Pa/s；以罐內(nèi)額定升壓限制500Pa計(jì)，只需要約5s排完即可，即排氣流量為4m3/h。那么，40~60mm換氣管道便完全可以滿足換氣要求。如果罐內(nèi)額定升壓控制在100mmH2O，則換氣量更低。

2  儲(chǔ)罐揮發(fā)溶液和換氣的吸收

       由上述內(nèi)容可知，無論是儲(chǔ)罐在靜置時(shí)的溶液揮發(fā)，還是儲(chǔ)罐在加藥時(shí)的排氣，以及酸洗槽的槽邊排風(fēng)，都需要對(duì)揮發(fā)溶液或換氣進(jìn)行吸收處理。

       對(duì)于較小的儲(chǔ)罐揮發(fā)量或者機(jī)械泵加料時(shí)的較小的排氣量，除了可以設(shè)置藥劑呼吸閥外，還可以采用簡易的水封裝置，如圖5所示。

       有文獻(xiàn)^[8]介紹了鹽酸儲(chǔ)罐正、逆水封的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

       已有技術(shù)將正、逆水封合為一個(gè)設(shè)備，如圖6。

       對(duì)于較大流量的儲(chǔ)罐排氣，需要設(shè)置洗滌塔設(shè)備，如圖7所示。洗滌塔吸收工藝詳見好科科技的其他文獻(xiàn)，本文不再描述。

3  溶液儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

       圖8顯示了機(jī)械泵給料條件下溶液儲(chǔ)罐的基本系統(tǒng)配置，主要包括：儲(chǔ)罐本體、雙向安全閥、卸料入口管道、蒸汽回流管路、換氣管路及小型洗滌塔等。除此之外，根據(jù)實(shí)際需求，一般還應(yīng)考慮液位測量、排放管路、溢流管路、保溫、檢修爬梯、安全措施、照明等的設(shè)置。

                                                                             圖7 儲(chǔ)罐吸收塔設(shè)備示意圖 

圖8 儲(chǔ)罐系統(tǒng)的基本配置

3.1  儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)及其附件

       儲(chǔ)罐容積根據(jù)實(shí)際工藝需求確定。確定儲(chǔ)罐容積和尺寸后，應(yīng)根據(jù)溶液的特性來選用儲(chǔ)罐的材質(zhì)，包括：溶液化學(xué)特性、濃度、溫度以及使用環(huán)境等。

       對(duì)于鹽酸儲(chǔ)罐用的推薦材料，一般包括：玻璃鋼樹脂加強(qiáng)UPVC、HDPE、玻璃鋼樹脂加強(qiáng)PP、鋼襯橡膠^[9]以及FRP^[10]。需要注意的是，盡管塑料有很好的化學(xué)防腐性能，但是他們也存在較多的物理限制。例如，耐壓、耐熱、耐冷和耐紫外線方面的局限；同時(shí)，有些塑料材料較脆易損壞。

       對(duì)于硝酸儲(chǔ)罐用的推薦材料，一般包括：純鋁、某些鋁合金（不含銅）、某些奧氏體不銹鋼（如304L）等，可以滿足大于90%的硝酸儲(chǔ)存；奧氏體不銹鋼（304L、316L和321）、不銹鋼樹脂加強(qiáng)的未塑化的UPVC（低溫易脆化）等可以滿足60~70%的硝酸的儲(chǔ)存。

       對(duì)于壓縮空氣加料的儲(chǔ)罐，考慮到可能的正壓集聚，文獻(xiàn)^[5]建議采用鉸鏈蓋板作為人孔或手孔門，便于泄壓。如圖17-9所示。

圖17-9 人孔或手孔的鉸鏈蓋板示意圖

       根據(jù)上文所述，儲(chǔ)罐應(yīng)配置合適口徑的排氣孔，以避免在加藥過程中的儲(chǔ)罐壓力過高，或在清空儲(chǔ)罐時(shí)產(chǎn)生的真空。排氣孔的設(shè)計(jì)和尺寸根據(jù)儲(chǔ)罐類型、材質(zhì)結(jié)構(gòu)和溶液的加、排方式（采用泵或壓縮空氣）進(jìn)行確定。通常情況下，排氣孔直徑不小于100~150mm。或者，可設(shè)置密閉循環(huán)的管路系統(tǒng)來回流揮發(fā)廢氣（例如，從儲(chǔ)罐卸載酸液至罐車時(shí)，罐車內(nèi)的廢氣回流至儲(chǔ)罐）。

       溢流口在滿足儲(chǔ)罐的溢流作用外，通常也可以起到防止儲(chǔ)罐壓力過高或過低的作用。溢流口的直徑應(yīng)大于入口管路直徑，一般不小于100mm，位于排放孔至少350mm下方。溢流管底部出口應(yīng)盡可能接近容器、地坑或地面等容納區(qū)域。為了防止冒煙，溢流口也可設(shè)置小型水封裝置。

       對(duì)于容積大的儲(chǔ)罐，可單獨(dú)設(shè)置吸收塔連接排氣管，以應(yīng)對(duì)較多的酸霧揮發(fā)和罐內(nèi)較大的壓力變化。

       應(yīng)格外注意酸液管道的連接、固定和支撐，避免由于泵啟動(dòng)、氣動(dòng)閥開閉時(shí)造成的管道振動(dòng)破裂和材料疲勞破裂。關(guān)鍵部位可采用膨脹節(jié)連接，如圖10。

圖10 酸管路膨脹節(jié)示意圖

圖11 酸管路萬向節(jié)示意圖

       管道可以采用焊接或法蘭連接的方式，連接處下方盡量避免安裝設(shè)備和設(shè)置操作區(qū)域、行人通道等。法蘭連接應(yīng)配套使用合適的螺母、墊片和密封材料（異丁橡膠墊片可用于鹽酸管道、PTFE墊片可用于硝酸管道）。連接處還可以考慮套管保護(hù)措施。

       水平管道的布置應(yīng)有一定的傾角，盡量避免急彎等易積存酸液的管路設(shè)置，以便管道內(nèi)酸液可以完全排凈。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)彎，可采用萬向節(jié)進(jìn)行連接，如圖11所示。

       槽罐的排放口應(yīng)就近設(shè)置切斷閥，大型槽罐可以連續(xù)設(shè)置兩個(gè)切斷閥。旋塞閥是酸液管路系統(tǒng)常用的閥門形式。蝶閥、球閥和閘閥等也可酌情使用，但是切斷效果不如旋塞閥。禁止采用隔膜閥，避免隔膜破損導(dǎo)致的酸液泄露。閥門開閉狀態(tài)應(yīng)在現(xiàn)場做實(shí)時(shí)的標(biāo)識(shí)。可考慮對(duì)重要閥門設(shè)置遠(yuǎn)程開閉功能。

       酸泵可以采用塑料離心泵、鋼襯PTFE離心泵或無軸封的磁力泵。泵的密封可采用機(jī)械密封或氟碳材料的密封。

       液位測量可以采用超聲波、磁力耦合浮動(dòng)式液位計(jì)等。與大氣聯(lián)通的儲(chǔ)罐，也可以采用隔膜背壓式液位計(jì)。通常情況下，浸入式液位計(jì)和視鏡液位計(jì)應(yīng)避免采用。

3.2  儲(chǔ)罐的安裝和安全操作

       儲(chǔ)罐應(yīng)安裝在合適的基礎(chǔ)之上。儲(chǔ)罐區(qū)域應(yīng)做適當(dāng)高度和強(qiáng)度的圍堰，以避免儲(chǔ)罐大量泄漏后的溶液向區(qū)域外漫溢?；A(chǔ)及安裝區(qū)域應(yīng)做適當(dāng)?shù)姆栏胧?。如有必要，?chǔ)罐外圍區(qū)域須設(shè)置防撞欄、柵欄等安全措施。如果采用雙層筒體，圍堰等措施可以相應(yīng)簡化。雙層筒體參見圖12。

圖12 雙層筒體儲(chǔ)罐的示意圖

       少量泄露的酸液或大量泄露后的殘余酸液可以用沙子或泥土或其他合適的材料來吸附。吸附后的材料單獨(dú)存放進(jìn)行后續(xù)處理，泄露區(qū)域最終用水沖洗干凈。對(duì)于少量泄露，在上述處理前，也可以直接用水先進(jìn)行稀釋，或者先用蘇打粉（碳酸鈉）或石灰進(jìn)行中和。使用碳酸鹽或碳酸氫鹽進(jìn)行中和時(shí)，應(yīng)注意通風(fēng)，以避免反應(yīng)產(chǎn)生的CO₂在區(qū)域內(nèi)局部飽和造成窒息。禁止使用中和反應(yīng)過于激烈的NaOH，劇烈反應(yīng)會(huì)造成酸液的大量揮發(fā)和飛濺，造成人員危害。對(duì)于鹽酸酸液，還必須禁止與氧化劑混合，避免有害的氯氣產(chǎn)生。

       大型儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)置維修爬梯，爬梯應(yīng)支撐于地面或基礎(chǔ)之上，不能以儲(chǔ)罐本體作為承重載體，如圖13。儲(chǔ)罐須進(jìn)行位置固定，避免位移，如圖14。

圖13 儲(chǔ)罐爬梯示意圖

圖                                                                                      14 儲(chǔ)罐定位措施示意圖

       進(jìn)行酸液處理操作時(shí)，應(yīng)穿戴安全防護(hù)裝置，包括：酸防護(hù)服、眼鏡或全面防護(hù)罩、活性炭呼吸罩、PVC手套和橡膠鞋等。操作區(qū)域還應(yīng)設(shè)置洗眼器和淋浴器。操作人員必須進(jìn)行充分的安全培訓(xùn)。

       其他儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)內(nèi)容和安全事項(xiàng)，詳見文獻(xiàn)^[9]及其他專業(yè)書籍^[11]、文獻(xiàn)和設(shè)計(jì)手冊(cè)等。

[1] 《環(huán)境統(tǒng)計(jì)手冊(cè)》 P72

[2] 《鹽酸儲(chǔ)罐尾氣吸收系統(tǒng)的應(yīng)用》 劉玉香 《化工管理》 2016年1月

[3] 《環(huán)境統(tǒng)計(jì)手冊(cè)》 P73

[4] Techap公司樣本。

[5] 《HCL UNLOADING STUDY for Poly Processing Company》 by R-S-H Engineering  June 14, 2005

[6] 《Hudrochloric Acid Venting Hydrochloric Acid Tanks》   OXY公司資料

[7] 《Chemical Stroage Tank System And Accessories》 PolyProcessing公司資料

[8] 《鹽酸儲(chǔ)罐正、逆水封的設(shè)計(jì)、改進(jìn)與應(yīng)用》 羅勇 《氯堿工業(yè)》 2010年9月

[9] 《Bulk storage of acids》 HSE Books  ISBN 978 0 7176 2683

[10] 《Hydrochloric Acid Handbook》 OxyChem公司文獻(xiàn)  06/2013

[11] 《氯化氫生產(chǎn)與操作》 化學(xué)工業(yè)出版社