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液体化工品密闭储存与气相控制



液体化工品储存基于安全和环保的要求实施密闭储存方式,通过对其气相进行密闭和控制、调节予以实现。液体化工品储存中的气相控制包括,液体进入储存装置时,气相受控排出,进入废气回收,或者气相连通管线;液体流出储存装置,对其气相进行补充(通常为惰性气体,氮气,或物料的气相挥发物)。另外,当外部温度变化传导到储存装置内部,液相和气相体积发生膨胀或收缩,也会有同样的排出和补充气相的过程。


液体化工品储存中气相控制不完善,会造成各类安全隐患。对生产现场可能造成极大的危害。比如,

液体流入储罐,呼吸阀启动不及时、流量不够、堵塞、失效等原因,致使罐内排气不及时,不足,造成安全卸放阀开启,气相物质放空进入大气,环境中形成爆炸性混合气氛

液体流出储罐,氮封阀启动不及时、流量不够、堵塞、失效等原因,致使罐内进气、补气不足,造成 1 罐内负压,呼吸阀吸入空气,罐内形成爆炸性混合气氛  2  瘪罐





液体化工品储存的基本要求
石油化工储运系统罐区设计规范 SH/T 3007-2014
4.2.3. 液化烃等甲A类液体常温储存应选用压力储罐。
4.2.4. 储存沸点低于45℃或在38℃时饱和蒸汽压大于88kPa的甲B类液体,应采用压力储罐、低压储罐或降温储存的常压储罐,并应符合下列规定:
a) 选用压力储罐或低压储罐时,应采取防止空气进入罐内的措施,并密闭收集处理罐内排出的气体;
b) 采用降温储存的常压储罐时,应采取下列措施之一:
- 选用内浮顶储罐,设置氮气或其他惰性气体密封保护系统,控制储存温度使液体蒸汽压不大于88kPa
- 选用固定顶储罐,设置氮气或其他惰性气体密封保护系统,控制储存温度低于液体闪点5℃及以下;
- 选用固定顶储罐,设置氮气或其他惰性气体密封保护系统,控制储存温度使液体蒸汽压不大于88kPa,密闭收集处理罐内排出的气体。
4.2.5. 储存沸点大于45℃或在38℃时饱和蒸汽压不大于88kPa的甲B、乙A类液体,应选用浮顶储罐或内浮顶储罐。其他甲B、乙A类液体化工品有特殊储存需要时,可以选用固定顶储罐、低压储罐和容量小于100m3的卧式储罐,但应采取下列措施之一:
- 设置氮气或其他惰性气体密封保护系统,密闭收集处理罐内排出的气体;
- 设置氮气或其他惰性气体密封保护系统,控制储存温度低于液体闪点5℃及以下。

     
             固定顶储罐(左)                                内浮顶储罐(右)                                          内浮顶储罐 - 液相空间 气相空间 与 内浮盘密封

内浮盘可以大幅减少储罐内液相物料挥发转变为气相,从而从根源上减少物料损失、废气产生、爆炸性气氛的形成。然而,内浮盘的效用,取决于其质量、制作、安装以及与储罐壁的密封。同时,物料在储罐壁的挂壁残余挥发,也会在气相空间残留一定量的挥发物。仍应该采用氮封或惰化的方式,尽量抑制储罐气相空间挥发物残余的隐患。


液体化工品储存的安全要求采用氮气或惰性气体密封
石油化工企业设计防火规范 GB 50160-2018
6.2 可燃液体的地上储罐
6.2.2 储存甲B、乙A类的液体应选用金属浮舱式的浮顶或内浮顶罐,对于有特殊要求的物料或储罐容积小于或等于200m3的储罐,在采取相应安全措施后可选用其他型式的储罐
6.2.3 储存沸点低于45℃的甲B类液体宜选用压力或低压储罐。
6.2.4 B类液体固定顶罐或低压储罐应采取减少日晒升温的措施。

精细化工企业工程设计防火标准  GB 51283-2020
6.2  可燃液体储罐
6.2.1  储存沸点低于45℃或在37.8℃时饱和蒸气压大于88kPa(绝压)的甲B类液体,应采用压力储罐、低压储罐或降温储存的常压储罐。
6.2.2  单罐容积不小于100m3的甲B、乙A类液体储存应选用内浮顶罐。采用固定顶罐或低压罐时,应采用氮气或惰性气体密封,并采取减少日晒升温的措施。





液体化工品储存的环保要求采取气相密闭收集或平衡措施
挥发性有机物无组织排放控制标准  
GB 37822-2019 
5.2 
挥发性有机液体储罐
5.2.1  储罐控制要求
5.2.1.1  储存真实蒸气压≥76.6 kPa且储罐容积≥75 m3的挥发性有机液体储罐,应采用低压罐、压力罐或其他等效措施。
5.2.1.2  储存真实蒸气压≥27.6 kPa但<76.6 kPa且储罐容积≥75 m3的挥发性有机液体储罐,应符合下列规定之一:
a) 采用浮顶罐。对于内浮顶罐,浮顶与罐壁之间应采用浸液式密封、机械式鞋形密封等高效密封方式;对于外浮顶罐,浮顶与罐壁之间应采用双重密封,且一次密封应采用浸液式密封、机械式鞋形密封等高效密封方式。
b) 采用固定顶罐,排放的废气应收集处理并满足相关行业排放标准的要求(无行业排放标准的应满足GB 16297的要求),或者处理效率不低于80%
c) 采用气相平衡系统。
d) 采取其他等效措施。
5.2.2  储罐特别控制要求
5.2.2.1  储存真实蒸气压≥76.6 kPa的挥发性有机液体储罐,应采用低压罐、压力罐或其他等效措施。
5.2.2.2  储存真实蒸气压≥27.6 kPa但<76.6 kPa且储罐容积≥75 m3的挥发性有机液体储罐,以及储存真实蒸气压≥5.2 kPa但<27.6 kPa且储罐容积≥150 m3的挥发性有机液体储罐,应符合下列规定之一:
a) 采用浮顶罐。对于内浮顶罐,浮顶与罐壁之间应采用浸液式密封、机械式鞋形密封等高效密封方式;对于外浮顶罐,浮顶与罐壁之间应采用双重密封,且一次密封应采用浸液式密封、机械式鞋形密封等高效密封方式。
b) 采用固定顶罐,排放的废气应收集处理并满足相关行业排放标准的要求(无行业排放标准的应满足GB 16297的要求),或者处理效率不低于90%
c) 采用气相平衡系统。
d) 采取其他等效措施。

液体化工品储存的
质量要求:氮封
/惰化(二氧化碳、氩气等)
氮封、惰化,可以降低储罐气相空间中的氧含量,使之低于爆炸下限,降低爆炸风险;可以降低爆炸性气体环境风险等级,比如,从0区,减低为1区。
对于大量化工成品、中间体,比如,制药、黏胶、油墨、光化学、燃料等,氮封、惰化,可以降低氧化速率,延长产品效用期。
日化、食品行业采用氮封、惰化,以保持物料及产品的质量和风味。

需要注意的是,对于部分需要添加阻聚剂,防止自聚的化学品,比如,苯乙烯、丙烯酸及丙烯酸酯等,应该采用贫氧(氧含量<5%)氮封,以利于阻聚剂发挥作用。


液体化工品储罐的气相压力控制
储罐内部气相空间随着液体泵入受挤压而压力上升;随着储存液体泵出,气相空间扩大而压力下降;由于环境温度的上升或下降,储罐内部气相压力也会上升或下降。

储罐内部气相压力上升,需要及时、适量地呼出气体,避免压力上升超过储罐设计承压上限造成破损或爆裂;储罐内部气相压力下降,需要及时、适量地吸入气体,避免压力下降至低于储罐设计承压下限造成瘪罐或垮塌。



由于液体泵入、泵出产生的气相呼出、吸入,称为“大呼吸”。由于气温升降产生的气相呼出、吸入,称为“小呼吸”。


储罐呼出的气相物料,属于挥发性有机物(VOC)、易燃易爆、有毒有害、腐蚀性等的,均应通过单呼阀排入管道集中回收、处理。

单呼阀排出量达到最大而罐内压力继续上升、达到预置上限时,可通过罐顶呼吸阀直接排出。- 目前普遍采用直接排出至罐顶周围大气的方式,既不环保、更不安全;特别是在储罐周围已经发生灾害引起罐内压力上升的情况下。呼吸阀直接排出的气相物料,也应排入集中收集管道,引导到较远处焚烧、处理或排空。

呼吸阀排出量达到最大,罐内压力仍持续上升并达到紧急泄放阀开启压力的,罐内气相通过紧急泄放阀排处,以避免罐体损坏、爆裂。

储罐吸入气相,对于挥发性有机物(VOC)、易燃易爆、有毒有害、腐蚀性(往往也包含遇水、水汽发生反应的)等物料,或者需要隔绝空气保持产品品质的物料,均应通过氮封阀补充氮气。
氮封阀完全开通而罐内气压继续下降、达到预置下限时,可通过呼吸阀吸入空气,以避免储罐瘪罐或垮塌。

单罐单氮封,氮气接入口和引压口应位于罐顶;氮封阀宜选用先导式或自立式开关型调节阀;采用氮气密封系统的储罐应设事故泄压阀。
储罐氮封量考虑储罐出料及外界气温变化的影响,参考API2000-2014规定(第一级别)进行设计,并采取相应的工艺控制措施



       






单呼阀的泄漏
根据《石油化工储运罐区VOCs治理项目油气连通工艺实施方案及安全措施指导意见》20161025
氮封阀0.2kPa0.5kPa
单呼阀0.9kPa0.99kPa/回座压力0.675kPa~0.765kPa
呼吸阀1.350~1.485kPa/回座压力1.010~1.150kPa
紧急泄放阀1.800~1.980kPa/回座压力1.530~1.620kPa

弹簧或重力加载式单呼阀,在设定压力的75%上下,即已启动,产生排放量或泄漏量。对于设计及制造质量差的单呼阀,其密封面精度差,或由于锈蚀而失去密封作用,则单呼阀即使未启动,其自身存在较高的泄漏量。由于氮封阀的实际关闭压力与重力加载或弹簧加载式单呼阀的实际回座压力,精度均差,即会发生氮气补充尚未关闭,单呼阀仍旧开启,边补充氮气、边呼出储罐气相的情况。造成氮气长期、经常性地泄漏浪费。加重氮封系统的使用成本。
增加储罐连通后氮封消耗较大。部分企业储罐的氮封耗量比较高,有的储罐月平均耗量达到50万标立以上。已投用的罐顶气相连通系统,连通储罐没有设置单独、氮封耗量不能监控。

       

                                                                                    罐内正压(呼出)                                                      罐内负压(吸入)

呼吸阀的泄漏
按照美国石油协会API2000 7th/ ISO 28300要求:设定压力的75%时测定阀门的泄漏量,最大允许的泄漏量值为:

  • 阀门尺寸≤DN150最大允许泄漏量0.014m3/h

  • 阀门尺寸DN150-DN400:最大允许泄漏量0.142m3/h

  • 阀门尺寸>DN400:最大允许泄漏量0.566m3

按照美国环保总署EPA要求:测试压力为呼吸阀设定压力90%,呼吸阀泄漏量≤500 ppm,其中加州要求≤120 ppm

弹簧或重力加载式呼吸阀,在设定压力的75%上下,即已启动,产生排放量或泄漏量。对于设计及制造质量差的呼吸阀,其密封面精度差,或由于锈蚀而失去密封作用,则呼吸阀即使未启动,其自身存在较高的泄漏量,不但发生储罐排放超标的情况,造成环保监测不能达标的后果,还会吸入超量空气,逐步提升储罐气相空间氧含量;形成爆炸性气体环境的安全隐患。

容易锈蚀的重力加载呼吸阀



高质量的先导型氮封阀 单呼阀 呼吸阀


                                                    先导型单呼阀 (关闭状态)                                                                                  先导型单呼阀 (开启状态)


先导型氮封阀、单呼阀、呼吸阀,带有一个先导机构。储罐或管道压力被引入先导机构内的膜片下方,产生上推力,作用于预置弹簧力加载的先导膜片上。
当储罐或管道的压力上升,先导膜片上的上推力大于弹簧加载力时,先导机构的活塞上升,接通先导机构内部的卸压孔,瞬时泄放压力,使先导机构内的压力,小于储罐或管道的压力。
先导机构瞬时卸压,带动阀体主膜上升,连通储罐或管道,与外部,可以使储罐与管道瞬时泄放内部压力。
先导型呼吸阀,相比重力或弹簧直接加载的呼吸阀,具有到压瞬时动作的优点,可以避免预定压力以下很大范围内渐行动作的缺点。减少不必要的泄漏、泄放和排放。

中间罐等容积较小的储罐,氮封阀与单呼阀、呼吸阀之间的压力设定值间隔可以大一些,不一定要求氮封阀到压瞬时动作;且氮封与气相的流量不是很大,则可以选用弹簧作用式氮封阀和单呼阀,也可以实现精确、低泄漏的氮封气相压力控制。






 



液体化工品储罐的气相收集处理
当罐内气相压力上升超过定值时,单呼阀开启并泄放压力,经管道收集输送至回收处理系统。
多罐罐组分别经单呼阀控制,再集中收集,即为VOCs收集处理的罐组非直接连通方式 - 也可采用单罐单控的非直接连通方式。
罐组直接连通方式,则是各罐管道汇总到主管,经切断阀输送到回收处理装置;或将各罐由气相平衡管连通后,再由一根管道输送到回收处理装置。
直接连通方式虽然经济,但安全性较差;事故状况下,易发生群罐灾害。所以,
连通储罐应为同罐组内储罐,连通储罐的数量应符合规定,根据单罐容积确定连通数量限制。
不能气相直接连通的储罐:
I. 性质不同的储罐
II. 火灾危险性不同的储罐
III. 物料毒性程度不同的储罐
IV.不同罐组内的储罐
V. 不同罐型(拱顶罐、内浮顶等)储罐
VI. 成品储罐与其他非同类储罐

特殊物料:苯乙烯、高温物料储罐、高含硫储罐、发生化学反应的物料储罐单独收集或预处理





高含氧物料:装车、装船、未设氮封储罐、需与氧接触的物料单独收集。当需要与罐区共用收集管道时要增加联锁补氮等措施确保收集管网内不形成爆炸性气体。
高风险设施:污水池、装置内储罐等设施不应和罐区储罐气相连通。

实施罐顶气相连通改造时,罐顶增设阻火器、切断阀、氮封阀组、紧急泄压阀等设备,对储罐本体和罐顶的强度影响较大。对储罐强度及罐顶承重能力必须进行校核。

实施密闭改造的储罐内压产生的举升力应以储罐罐体不被提离为原则确定储罐的设计压力,根据储罐现场实测数据对罐内的举升力重新核算。 不能满足设计要求时,储罐应对锚栓和锚固附件进行加固处理。

储罐的油气支管道应从罐顶沿罐壁敷设至储罐底部,与罐区的油气总管连接,保证油气支管道具有足够的柔性。如果采用罐顶部直接连接方式,存在事故状态下收集管线位移变化对相邻储罐造成机械破坏的风险。

事故状态下,如储罐发生内部闪爆,连通线发生位移导致的机械损坏。储罐罐顶与罐壁连接处一般作为薄弱环节(如采用弱顶结构)会撕裂,导致罐顶掀起而不破坏储罐罐壁,掀开的罐顶短时间内的发生较大位移,容易造成罐顶气相连通管路的整体位移,从而对连通相邻储罐的罐顶安全性造成影响。














罐体沉降带来管线位移风险,主要是指储罐使用过程中会发生基础继续下沉的现象。此外,在地震烈度大于或等于7度、地质松软的情况下,储罐会发生相应的翘离效应,若储罐与附属管道是刚性连接,会加大储罐的损坏。万向球接 














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