好科（上海）環(huán)保科技有限公司
1 溶液的揮發(fā)和換氣
化學溶液（如鹽酸溶液）在儲罐內儲存時，在其液面上方的空間內，溶質氣體在理論上應處于分壓平衡的裝態(tài)；但是，該平衡氣氛含有對操作環(huán)境產生危害的組分（如溶質氣體HCl），需對該平衡氣氛進行負壓吸引，從而破壞了平衡分壓，導致溶液中該有害溶質的持續(xù)揮發(fā)。
使用化學溶液在敞口槽內進行酸洗等化學處理時，環(huán)境空氣流動、氣壓變化等也會破壞液面上方的平衡分壓，造成化學溶液的持續(xù)揮發(fā)。
當化學溶液儲槽進行加料或者排放時，溶液液面上方的空間體積減小或者增大，導致其空間氣體的壓力增大為正壓或減小為負壓，從而向槽外排放揮發(fā)氣體或向槽內吸入環(huán)境氣體。如果換氣口（換氣量）設計不當，則會導致槽內的正壓或負壓（真空度）過高，從而損壞溶液儲罐，造成化學溶液的泄露，發(fā)生嚴重的事故。
本文對溶液揮發(fā)、換氣量及溶液儲罐的設計、結構和應用系統(tǒng)進行初步的討論。
1.2.1 儲罐靜置狀態(tài)下的溶液揮發(fā)量
通常情況下，可以根據《環(huán)境統(tǒng)計手冊》中“液體（除水以外）蒸發(fā)量的計算公式”匡算儲罐內溶液的揮發(fā)量，如下公式1?！北居嬎惴椒ㄟm用于硫酸、硝酸、鹽酸等酸洗工藝中的酸液蒸發(fā)量的計算”[1]，但也被應用于溶液儲罐內的溶液揮發(fā)量的計算[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)計手冊》給出了酸洗槽在槽邊抽風條件下的液面風速V的參考值，一般可取0.2~0.5 m/s。然而，對于儲罐等密閉或半密閉的槽體，該液面風速則相對實際工況過大，應注意選取。取較大值時，可以考慮閥門調節(jié)或風機變頻調節(jié)；配置相對較大的吸收系統(tǒng)對于工程設計亦無過大損害，成本增加也有限。故，儲罐在靜置狀態(tài)時，可利用該公式以0.2m/s的風速進行儲罐內溶液揮發(fā)量的計算。
同時，該計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，當酸液濃度較低時，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，計算析出的酸霧量往往比用酸量大。”[3]
公式中，相應液體溫度下的空氣中的蒸汽分壓P，可查相關數(shù)據；當液體的質量濃度<10%時，可用水溶液的飽和蒸汽壓代替。
舉例：對于直徑2.5m，有效高度2.8m，上部空間0.6m的15立方鹽酸儲罐，儲存40℃，20%質量濃度的HCl時——
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
（對應水蒸氣分壓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)據可知，其酸霧溶液的總的分壓為32mmHg，遠低于聯(lián)通的大氣壓760mmHg，因此，在儲罐靜置狀態(tài)下，基本無酸霧揮發(fā)出儲罐；如果考慮到換氣口的較小面積上的風速影響和環(huán)境壓力的正常波動，設置一個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（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
儲罐的換氣口可以采用蘑菇型通風口或U型通風口，參見圖2。
圖2 通風口類型示意圖
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，則抽氣流量應為約50m3/h。
1.2.2 向儲罐內加藥時的換氣量
儲罐靜置狀態(tài)時的揮發(fā)量較小，不是儲罐設計的重點項目。向儲罐加藥時，由于溶液上部體積改變（壓縮）較大，罐內壓力上升較高較快，儲罐在此時的換氣量應作為儲罐排氣設計的重點項目。
加藥換氣量的設計還要基于特定的儲罐系統(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罐加壓，將溶液卸至罐車的典型配置。
有文獻[5]對采用壓縮空氣從槽罐車向儲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儲罐（D3m，H4.1m，內部額定耐壓10’’水柱，0.025Bar），儲罐頂部設置150mm直徑PVC的排氣管，并以 6”水深（約150mm）沒入水吸收槽內，如下圖4所示。
在此條件下，根據伯努利方程，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，已經充分考慮到了罐車排酸結束后壓縮空氣閥門未及時關閉，大量氣體進入儲罐的極端情況。正常情況下，對于該約50m3/h的加料流量，<100mm的換氣口便可以滿足罐內的壓力平衡要求。
圖3 壓縮空氣卸料工藝示意圖
圖4 罐車空氣卸料實例示意圖
有文獻數(shù)據[6]：“當酸溶液采用壓縮空氣卸料時，在卸料結束后，槽罐內會突然產生空氣潮涌（surge）”（如文獻[5]所述），需要約2,500m3/h的換氣量（大于文獻[5]中的換氣量）；則，對于耐壓25’’水柱（約0.06bar）的儲罐，排放口要求3’’直徑（約80mm）；對于耐壓10’’水柱（約0.025bar）的儲罐，排放口要求10’’ 直徑（約250mm，也大于文獻[5]中的換氣管直徑）。
2） 泵加料
如果采用機械泵向儲罐內加料，則不存在使用壓縮空氣加料時可能產生的大量壓縮空氣瞬間進入儲罐的情況。所以，泵加料時，換氣口尺寸會相應減小。
有文獻[7]列出了機械泵加料和壓縮空氣加壓加料情況下對應不同容積儲罐的排放口尺寸要求，如下表2。
表2 儲罐排放口尺寸要求
可見，采用機械泵加料時，換氣口尺寸只和儲槽容積有關。當儲槽容積≤1000 gallons（約4立）時，換氣口直徑等于加料管或排料管中最大的直徑。當儲槽容積>1000 gallons時，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，換氣口選擇約100mm。
舉例：機械泵以20m3/h的流量向1.2.1項中30m3的儲罐內加入鹽酸，上部空間假設為2倍穹頂空間即5.9立方——
則空間壓縮速率約為5.6L/s，可以計算罐內壓升速率為96Pa/s；以罐內額定升壓限制500Pa計，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。如果罐內額定升壓控制在100mmH2O，則換氣量更低。
由上述內容可知，無論是儲罐在靜置時的溶液揮發(fā)，還是儲罐在加藥時的排氣，以及酸洗槽的槽邊排風，都需要對揮發(fā)溶液或換氣進行吸收處理。
對于較小的儲罐揮發(fā)量或者機械泵加料時的較小的排氣量，除了可以設置藥劑呼吸閥外，還可以采用簡易的水封裝置，如圖5所示。
有文獻[8]介紹了鹽酸儲罐正、逆水封的設計和應用。
已有技術將正、逆水封合為一個設備，如圖6。
圖5 儲罐換氣水封槽示意圖 |
圖6 儲罐正逆水封設備示意圖 |
對于較大流量的儲罐排氣，需要設置洗滌塔設備，如圖7所示。洗滌塔吸收工藝詳見好科科技的其他文獻，本文不再描述。
圖8顯示了機械泵給料條件下溶液儲罐的基本系統(tǒng)配置，主要包括：儲罐本體、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，根據實際需求，一般還應考慮液位測量、排放管路、溢流管路、保溫、檢修爬梯、安全措施、照明等的設置。
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圖7 儲罐吸收塔設備示意圖
圖8 儲罐系統(tǒng)的基本配置
儲罐容積根據實際工藝需求確定。確定儲罐容積和尺寸后，應根據溶液的特性來選用儲罐的材質，包括：溶液化學特性、濃度、溫度以及使用環(huán)境等。
對于鹽酸儲罐用的推薦材料，一般包括：玻璃鋼樹脂加強UPVC、HDPE、玻璃鋼樹脂加強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，有些塑料材料較脆易損壞。
對于硝酸儲罐用的推薦材料，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%的硝酸儲存；奧氏體不銹鋼（304L、316L和321）、不銹鋼樹脂加強的未塑化的UPVC（低溫易脆化）等可以滿足60~70%的硝酸的儲存。
對于壓縮空氣加料的儲罐，考慮到可能的正壓集聚，文獻[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
根據上文所述，儲罐應配置合適口徑的排氣孔，以避免在加藥過程中的儲罐壓力過高，或在清空儲罐時產生的真空。排氣孔的設計和尺寸根據儲罐類型、材質結構和溶液的加、排方式（采用泵或壓縮空氣）進行確定。通常情況下，排氣孔直徑不小于100~150mm?；蛘?，可設置密閉循環(huán)的管路系統(tǒng)來回流揮發(fā)廢氣（例如，從儲罐卸載酸液至罐車時，罐車內的廢氣回流至儲罐）。
溢流口在滿足儲罐的溢流作用外，通常也可以起到防止儲罐壓力過高或過低的作用。溢流口的直徑應大于入口管路直徑，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，溢流口也可設置小型水封裝置。
對于容積大的儲罐，可單獨設置吸收塔連接排氣管，以應對較多的酸霧揮發(fā)和罐內較大的壓力變化。
應格外注意酸液管道的連接、固定和支撐，避免由于泵啟動、氣動閥開閉時造成的管道振動破裂和材料疲勞破裂。關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備和設置操作區(qū)域、行人通道等。法蘭連接應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措施。
水平管道的布置應有一定的傾角，盡量避免急彎等易積存酸液的管路設置，以便管道內酸液可以完全排凈。對于非標準彎，可采用萬向節(jié)進行連接，如圖11所示。
槽罐的排放口應就近設置切斷閥，大型槽罐可以連續(xù)設置兩個切斷閥。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，避免隔膜破損導致的酸液泄露。閥門開閉狀態(tài)應在現(xiàn)場做實時的標識?？煽紤]對重要閥門設置遠程開閉功能。
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、磁力耦合浮動式液位計等。與大氣聯(lián)通的儲罐，也可以采用隔膜背壓式液位計。通常情況下，浸入式液位計和視鏡液位計應避免采用。
儲罐應安裝在合適的基礎之上。儲罐區(qū)域應做適當高度和強度的圍堰，以避免儲罐大量泄漏后的溶液向區(qū)域外漫溢?；A及安裝區(qū)域應做適當?shù)姆栏胧?。如有必要，儲罐外圍區(qū)域須設置防撞欄、柵欄等安全措施。如果采用雙層筒體，圍堰等措施可以相應簡化。雙層筒體參見圖12。
圖12 雙層筒體儲罐的示意圖
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。吸附后的材料單獨存放進行后續(xù)處理，泄露區(qū)域最終用水沖洗干凈。對于少量泄露，在上述處理前，也可以直接用水先進行稀釋，或者先用蘇打粉（碳酸鈉）或石灰進行中和。使用碳酸鹽或碳酸氫鹽進行中和時，應注意通風，以避免反應產生的CO2在區(qū)域內局部飽和造成窒息。禁止使用中和反應過于激烈的NaOH，劇烈反應會造成酸液的大量揮發(fā)和飛濺，造成人員危害。對于鹽酸酸液，還必須禁止與氧化劑混合，避免有害的氯氣產生。
大型儲罐應設置維修爬梯，爬梯應支撐于地面或基礎之上，不能以儲罐本體作為承重載體，如圖13。儲罐須進行位置固定，避免位移，如圖14。
圖13 儲罐爬梯示意圖
圖 14 儲罐定位措施示意圖
進行酸液處理操作時，應穿戴安全防護裝置，包括：酸防護服、眼鏡或全面防護罩、活性炭呼吸罩、PVC手套和橡膠鞋等。操作區(qū)域還應設置洗眼器和淋浴器。操作人員必須進行充分的安全培訓。
其他儲罐設計內容和安全事項，詳見文獻[9]及其他專業(yè)書籍[11]、文獻和設計手冊等。
[1] 《環(huán)境統(tǒng)計手冊》 P72
[2] 《鹽酸儲罐尾氣吸收系統(tǒng)的應用》 劉玉香 《化工管理》 2016年1月
[3] 《環(huán)境統(tǒng)計手冊》 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] 《鹽酸儲罐正、逆水封的設計、改進與應用》 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 06/2013
[11] 《氯化氫生產與操作》 化學工業(yè)出版社
