高浓度甲醛罐区的设计分析

唐奕辰(中国化学赛鼎宁波工程有限公司，浙江 宁波 315040)

0 引言

甲醛是一种有机化学物质，化学式是HCHO或CH2,分子量30.3，又称乙醛。气相密度为1.067 g/cm3(空气=1 g/cm3)，液体密度为0.815 g/cm3(20 ℃)，易溶于水和乙醇。 水溶液的浓度最高可达55%，一般是35%～40%，通常为37%，称作甲醛水，俗称福尔马林。甲醛蒸汽和空气可形成爆炸性混合物，爆炸极限为7%～37%。遇明火、高热能会引起爆炸。与氧化剂接触会发生猛烈反应。甲醛的闪点和浓度有很大关系。以55%甲醛溶液为例，其闪点为83 ℃。根据GB 50160—2018《石油化工企业设计防火规范》中第3.0.2条规定，其属于丙A类可燃液体。甲醛的气相属于甲类可燃气体(爆炸浓度下限＜10%)。甲醛作为一种非常重要的工业原料，一般以水溶液的方式储存。在生产过程中对其储存与输送的工艺和生产管理[1]均有较高的要求。

1 储罐设计

高浓度甲醛溶液作为丙A类可燃液体可选择固定顶储罐储存。储存在储罐中的高浓度甲醛极易发生化学反应，对储罐造成损害。其中主要有以下两种化学反应需要注意。

(1)坎尼扎罗反应：

这种反应通常在碱性环境下十分迅速，但在酸性环境下十分缓慢。如果储罐中的甲醛溶液温度过高，就会发生这种反应。根据以往的经验，这种反应也会阻止储罐温度进一步上升。

(2)聚合反应：

这种反应最初在储罐中体现为云絮状，然后渐渐聚合形成聚甲醛沉淀至罐底。当储罐内温度降低时，就会产生这种反应。随着温度的降低这种反应会渐渐加速。根据经验，这种反应也会阻止温度进一步下降。

上述的第一种反应，甲酸的含量会随着反应逐渐升高，而甲酸的含量越高对于储罐的腐蚀性就越大。上述的第二种反应，来自脱盐水中的少量氯离子在多聚甲醛中积聚，也会对储罐造成腐蚀。因此储罐的材质推荐选用SS304或SS316。根据以往经验，上述两种反应对于储罐底部的腐蚀最明显。为了节省投资，同时又要有更好的抗腐蚀性，最好将更容易发生腐蚀的储罐底板和距离底板1 m以内的侧壁用SS316材质。除此之外，储罐的材质也可以选择碳钢衬酚醛树脂、碳钢衬乙烯树脂或加强聚酯。但是选用这些材质的储罐使用寿命较短，并且高浓度甲醛易渗入储罐的裂缝中将其腐蚀破坏。

为了维持高浓度甲醛正常的操作温度，储罐的顶部、侧壁及基础均需要保温。如果只对储罐保温而忽视罐基础，罐基础的混凝土在低温环境中会形成冷桥促使储罐底部的甲醛发生聚合反应。保温材料通常可以选用岩棉或者离心玻璃棉。保温厚度可根据所在具体地点的环境温度确定。除了给储罐保温，还需要给储罐设置伴热系统，以便有效地控制和调整高浓度甲醛所需要的储存温度，避免高浓度甲醛发生上述两种反应。伴热系统分为内盘管伴热和外部换热器伴热两种。外部换热器伴热需要通过输送泵不断对储罐内的甲醛溶液进行循环输送，来达到控温的目的。而内盘管伴热只需要在储罐罐壁内壁底部设置伴热盘管即可。相比而言更加简便，所以通常推荐使用内盘管伴热。伴热的介质可以采用热水或低压蒸汽。在同等条件下应优先选用热水伴热。因为热水伴热更容易控制温度，且内盘管表面的温度比低压蒸汽更低一些，有利于防止甲醛发生坎尼扎罗反应。内盘管的换热面积通过计算后确定。根据换热面积即可确定所需的伴热管管长。内盘管的材质须采用和输送高浓度甲醛管道一样的材质，通常选用SS304或SS316。

当储罐中存在有高浓度甲醛时需要持续搅拌。这样可以保证储罐内部各个位置的温度变化较小，也能有效地阻止储罐底部发生聚合反应。搅拌器可分为顶部搅拌器、侧入式搅拌器、底入式搅拌器、喷射搅拌器。这几种搅拌器各有优缺点，根据以往的经验如果储罐的容积较小，可以优先选用顶部搅拌器；如果储罐容积较大，可以优先选用侧入式搅拌器或底入式搅拌器；如果高浓度甲醛浓度高于50%时可优先选用喷射搅拌器。

考虑到甲醛气体火灾危险性类别属于甲类，在储罐的顶部需要设置氮封系统和防超压装置。氮封系统可以使储罐维持一定的压力(正压)，防止储罐内的甲醛气体和外界气体接触形成爆炸混合物。氮封系统中阀组的材质应和高浓度甲醛物料管道材质一致，在阀组边界处改为氮气主管的材质。超压泄放装置通常使用泄压阀，此阀可以防止甲醛气体爆炸使储罐超压。根据以往经验，当储罐内的高浓度甲醛被输送泵抽出或由于外界温度降低使储罐内气体收缩时，氮封系统可以优先补氮，避免储罐内负压过大使呼吸阀吸入大量空气。当输送泵将高浓度甲醛溶液送入储罐使液位升高或外界环境温度上升时，可以通过通气管送至风机加压再输送至尾气吸收塔处理。如果呼出的尾气量过大导致储罐正压上升，可再通过呼吸阀泄放至外界。呼吸阀的通气量可通过查询SH/T 3007—2014《石油化工储运系统罐区设计规范》中表5.1.6得到，也可以通过API2000计算得到，后者更为精确。考虑到甲醛气体很可能会在呼吸阀和泄压阀口处因为低温而发生聚合，堵住泄放通道或阀瓣，影响阀门的正常开启。因此呼吸阀和泄压阀必须设置伴热，同时呼吸阀和泄压阀需要具有全天候防冻能力。

以上总结了设计高浓度甲醛储罐时需要考虑的几方面要点。除此之外，还需要注意以下几点问题：(1)为了方便将储罐里的甲醛排放干净，在储罐底部应设置1%～2%的坡度，坡向排液口；(2)在储罐底部宜设置一个取样口，方便取样分析；(3)储罐另需设置液位计、压力表和温度计。

2 泵及风机的选择与设计

高浓度甲醛溶液的职业接触毒性分类为极度危害。如果泄露会造成人员急性中毒，主要表现为对皮肤、粘膜的刺激作用。吸入高浓度甲醛可导致呼吸道激惹症状，打喷嚏、咳嗽并伴有鼻和喉咙的灼烧感；此外，还可诱发支气管哮喘、肺炎、肺水肿。经消化道一次性大量摄入甲醛可引起消化道及全身中毒症状，口腔、咽喉和消化道的腐蚀性烧伤，腹痛，抽搐甚至死亡。因此对泵和风机的密封性有很高的要求。通常推荐使用屏蔽泵，若使用离心泵则需要选择密闭离心泵。其叶轮和轴心材质选用SS304或SS316。风机的型式根据实际情况选择，如果输送距离远，所需风压大选择罗茨风机；如果输送距离近所需的风压较小也可以选择离心风机。和储罐一样，泵和风机均需要伴热以防止设备内甲醛聚合。并且泵和风机的电机均应设为防爆。

输送泵的数量应设为一开一备。所有泵应在罐区外统一布置成为泵区。泵区根据具体所在的环境可设泵房、半露天布置或露天布置。所有泵在泵区中应单排布置，相邻泵机组之间的净距宜不小于0.8 m。为了避免泵出口管道因下游误操作而引起管道超压进而出现事故，在泵出口主管上应设置联通跨线接至进罐管道上。在跨线管道上应设置调节阀组，通过调节阀组可调节泵出口管道流量，既能保证正常操作的安全，也保护泵不会受到管道超压带来的损害，泵进出口管道上的仪表及倒淋间距要尽量缩短，这样可以避免高浓度甲醛发生聚合反应。在泵出口的切断阀后宜设置固定式的吹扫接头，以确保密闭吹扫。

3 管道及阀门的相关设计

在高浓度甲醛的管材及阀门的选用中，应着重考虑甲醛有极度危害的毒性且易聚合、易腐蚀的特性。所以管道材质应选择SS304或SS316，阀门应选用高密封性阀门。高浓度甲醛溶液在输送过程中也需要保持合适的温度，所以输送管线需要保温并伴热。保温厚度可根据当地环境具体分析确定。伴热管道的有效伴热长度及分配站、收集站的设计可按SH/T 3040—2012《石油化工管道伴热和夹套管设计规范》执行。伴热管材质优先考虑紫铜，也可以选择SS304或者碳钢。

输送管道在高点和低点应设置放空和倒淋，所有放空和倒淋均需设置双阀。当管线中断输送或需要检修时，可通过放空排液口将高浓度甲醛排放至密闭容器内，或用氮气吹扫回储罐内。这样可以避免高浓度甲醛静止后发生聚合堵塞阀门和管道。

4 其他需注意的问题

在罐区和泵区内需设置氮气、生产水等软管站并设洗眼淋浴器。其有效半径可按15 m考虑。所有储罐、泵、风机及管道均应做好静电接地，防止静电或雷击产生火花引起爆炸。泵区及罐区的地坪均需进行防渗防腐处理。在泵区外沿处需设置高100 mm的围堰，防止泵区内的含高浓度甲醛液体溢流至泵区外造成危害。

除了必要的工艺管道外，甲醛罐区还需设置仪表空气、氮气、热水、生活水等公用工程管道。罐区内应优先考虑设置管墩，在需要增加管架的情况下，应该充分考虑方便人员通行及操作[2]。

5 结语

文章通过以上论述，总结了高浓度储罐、泵、风机和工艺管道的一些设计要点和需要注意的问题。在甲醛罐区实际设计工作中，在满足现有的防火技术规范和安全标准的前提下，应具体情况具体分析，不断优化工艺设计以满足日益扩大的生产管理需求，最终为获得良好的经济效益创造条件。