油气回收装置系统改进与系统熵分析.pdf

第 3 3卷第 5期 上 海 理 工 大 学 学报 J ．U n i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V o 1 ． 3 3 N o ． 5 2 0 1 1 文章编号 1 0 0 7 6 7 3 5 2 0 1 1 0 5 0 4 9 5 0 4 油气 回收装置系统改进与系统熵分析 刘 亚 ， 余敏 ， 马龙 上海理工大学 动力 工程学 院，上海2 0 0 0 9 3 摘要 冷凝法油气回收系统是采用三级复叠式制冷系统， 油气温度通常要降到一1 6 0℃方可凝结 回收． 通过对油气在其安全范围内进行升压 ， 回收 系统改为两级复叠制冷， 使油气凝结温度 可上升 至一1 2 4℃左右， 同时对油气回收系统采用熵方法进行能耗分析， 比较得到在可行性范围内的最小 能耗． 研究表明 改进后的系统不仅简化了装置， 而且降低 了设备投资和运行成本． 关键词油气回收；防爆压缩机 ； 制冷 系统；熵产数 中图分类号 T K 1 2 4 文献标志码 A I m p r ov e m e nt of oi l r e c ov e r y s ys t e m and i t s e nt r o p y ana l ys i s L I U Y a ， Y U Mi n ， MA L o n g S c h o o l o f E n e r g y a n d P o w e r E n g i n e e r i n g， U n i v e r s i t y of S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 ， C h i n a Ab s t r a c t At p r e s e n t ， t h e t h r e e c a s c a d e t y p e r e f r i g e r a t i o n s y s t e m i s u s u a l l y u s e d t o c o n d e n s e t h e r e c o v e r e d o i l ． b y wh i c h t h e g a s e o u s o i l i s n o r ma l l y c o n d e n s e d u n t i l t h e t e mp e r a t u r e r e a c h e s 一 1 6 0℃ ． I n t h e a r t i c l e， t h e r e c o v e r y s y s t e m wa s i mp r o v e d b y a d o p t i n g t wo s t a g e c a s c a d e r e f r i g e r a t i o n t h r o u g h i n c r e a s i n g t h e p r e s s u r e wi t h i n i t s s e c u r i t y r a n g e ． Th e o i l c o n d e n sed t e mp e r a t u r e c a n r i s e t o 一1 2 4℃ a r o u n d ． Th e mi n i mu m e n e r g y c o n s u mp t i o n o f s y s t e m wa s a c h i e v e d i n t h e p o s s i b l e r a n g e b y u s i n g t h e e n t r o p y a n a l y s i s o n t h e o i l r e c o v e r y s y s t e m． Th e i mp r o v e d s y s t e m c a n s i mp l i f y t h e d e v i c e a n d a l s o r e d u c e t h e i n v e s t me n t a n d o p e r a t i o n c o s t ． K e y w o r d s v a p o r r e c o v e r y ；e x p l o s i o n p r o o f c o mp r e s s o r ；r e f r i g e r a t i o n s y s t e m；n u mb e r o f e nt r o p y p r o d uc t i o n 油气回收 v a p o r r e c o v e r y c a r b o n u n i t ， V R U 是 指在装卸汽油和给车辆加油的过程 中， 将挥发 的汽 油油气收集起来， 通过吸收、 吸附或冷凝等工艺的一 种或两种方法 ， 使油气从气态转变为液态， 重新变为 汽油， 达到回收利用、 减少油气污染、 消除安全隐患 的目的． 笔者对冷凝法油气回收装置进行改造， 提高 对能源的利用率 ， 减小 经济损失 ， 从 而得到效益 回 报， 具有重要研究意义和工程价值． 1 油气 回收装置简介 a ．冷凝法 收稿 日期 2 0 1 1 0 1 1 2 基金项目 上海市宝山区产学研合作项 目 C X Y一2 0 1 01 2 作者简介 刘 1 9 8 6 一 ， 男 ， 硕士研究生． 研究方向 强化传热与节能． E - m a i l 1 9 8 6 1 0 2 6 1 i u y a ． 2 2 6 1 6 3 ． c o m 余敏 联系人 ， 女， 教授． 研究方向 强化传热与节能技术、 热力系统与设备优化． E - t rai l u s s t y u mi n m y a h o o ． c o m． c n 上 海 理 工 大 学 学 报 2 0 1 1 年 第 3 3卷 冷凝法是利用不同烃类物质具有不同饱和温度 的性质， 通过降温使某一压力下油气中一些烃类温 度达到过饱和状态 ， 冷凝成液态回收油气 的方法． 一 般采用三级连续冷却方法降低油气的温度， 使之冷 凝为液体 回收， 但是单一冷凝法需要降到很低的 温度． b ．吸收法 根据混合油气 中各组分在吸收剂中溶解度的大 小 ， 来分离油气和空气 ． 吸收法工艺简单 ， 成本低 ， 但 是 回收率较低． c ．吸附法 利用活性炭、 硅胶或活性纤维等吸附剂对油气 和空气混合气中各组分 吸附力 的差别 ， 实现油气和 空气的分离 ． 油气通过活性炭等吸附剂， 油气组分吸 附在吸附剂表面， 然后再经过减压脱附或蒸汽脱附， 收集的油气用真空泵抽吸到油罐或用其 它方法液 化． 其缺点是工艺复杂， 成本较高． d ．膜分离法 气体膜分离技术是一种基于溶解扩散机理的新 型气体分离技术， 其分离的推动力是气体各组分在 膜两侧的分压差， 利用气体各组分通过膜时渗透速 率的不同， 进行气体分离， 但是投资大， 并且存在安 全隐患． 目前在油气 回收系统 中用 的较多 的还是冷凝 法 ， 本文是对冷凝法油气回收装置进行系统改造． 2 油气回收装置系统改造 在大气压下， 冷凝法油气回收装置通常采用三 级复叠制冷系统 ， 冷凝温度通常要达到 一1 6 0℃方 可凝结回收， 达到这一低温付出的代价较大， 回收成 本相应提高 ， 属于能耗较大的节能措施． 由油气物性可知 ， 大部分成分是 四五个碳原子 的烃类化合物 ， 其冷凝温度 由对应 的冷凝压力所确 定． 表 1为油气 中不同的烃类在不同压力下所对应 的饱和温度 ， 表 2为烃类 化合 物在油 气 中的体积 分数 ． 由表 l中数据可知 ， 油气压力越高 ， 相对应 的饱 和温度也 越高 ， 当压力从 0 ． 1 MP a上升 到 1 MP a 时 ， 甲烷的凝结温度可从 一1 6 3℃提高到 一1 2 4℃ ， 若忽略含量很少的甲烷和乙烯 ， 凝结温度可 由原来 的 一8 9℃提高到 一3 2℃． 据此原理对现有 的油气 回收装置进行技术 改 造， 采取油气冷凝之前对其升压的方法提高冷凝温 度． 由于提高压力的过程 中会遇到油气燃点 和闪点 问题 ， 要保证安全 ， 提高后的压力必须避开其闪点范 围， 汽油通常的压比为 8 1 ～1 2 1 ， 所以油气在 1 0 个大气压范围内是安全的． 通过在装置前端加装 防 爆压缩机来提高压力 ， 提高蒸发冷凝温度 ， 降低蒸发 冷凝器热负荷 ， 使油气 回收制冷系统 由原来 的三级 变为两级得以实现 ， 相应降低了回收成本 ． 改造后的 装置如图 1 所示． 表 1 油气 中烃类化合物在不同压力下的饱和温度 Ta b． 1 S a t ur a t e d t e mp e r a t u r e o f d i f f e r e n t h y d r o c a r b o ns i n d i f f e r e n t p r e s s u r e s ℃ p ／ MP a C I - h c 2 H s c 2 I- h C 3 C 3 H 6 c 4 H1 0 烃类 化合物 C H 4 C 2 H6 c 2 H 4 C 3 H 8 c 3 H 6 C 4 I -I 1 0 体积分数 O ． 0 4 0 ． 0 2 O ． 0 1 0 ． 3 5 0 ． 2 4 1 4 防爆压缩机 一级 二级 汽液储油罐 蒸发冷凝器 蒸发器分离器 图 1 改造后的二级制冷油气回收装置 Fi g ． 1 Tr a n s f o r med t wo - c as c a d e - t y p e r e f r i g e r a t i o n g a s c o l l e c t i o n d e v i c e 收集好 的油气先经过防爆压缩机升压后进入第 一 级制冷系统的一级蒸发冷凝器 ， 初步冷却后进人 第二级制冷系统 的蒸发器 ， 油气凝结后经过汽液分 离器进人储油罐． 整个制冷系统为复叠式系统[ 2 ] ， 第 一 级制冷剂为乙烯， 第二级制冷剂为甲烷， 乙烯经过 一 级制冷压缩机后进入冷凝器， 再过节流阀， 然后进 入一级蒸发冷凝器冷却油气和甲烷； 甲烷在经过第 二级压缩机后进入冷凝器， 再进入第一级制冷系统 的蒸发冷凝器进一步冷却 ， 然后经过节流阀， 最后进 入二级蒸发器和油气换热达到凝结油气的目的． 第 5 期 刘亚， 等 油气回收装置系统改进与系统熵分析 4 9 7 3 油气回收装置实际循环的熵分析 由图 1可知整个油气 回收系统为二级复叠式制 冷系统， 经过一系列的换热达到冷凝油气的目的， 传 递过程中存在着不可避免 的热量损失． 熵是与热力 学第二定律紧密相关联的状态参数， 是研究能量品 质的一个重要指标 ， 反映了过程 的方 向性和实际过 程不可逆程度的大小． 图 2和图 3 见下 页 为改造 前后 的复 叠式制 冷循环 T S图． 图 3中 5 ， _1 为一级 制冷剂压缩 过程 ， 1 一3 为一级 制冷剂 冷却 过程 ， 3 一4 为一 级制冷剂节流过程 ， 4 一5 为一级制冷剂初步冷却 经防爆压缩 机升 压后 的油气 ， 同时冷却 二级 制冷 剂 甲烷的过程 ； 5 一l为二级制冷剂压缩过程 ， 1 7 为二级制冷剂 在冷凝器 中的冷却过 程 ， 73为二 级制冷剂在一级 蒸发冷 凝器 中 的冷 却过 程 ， 34 为二级制冷剂节流过程 ， 45为冷凝油气 的过程 ． 由图 3可知 ， 完成循 环还要有冷源 和热源 ， 从 热源 吸热和对冷源放热是不可逆过程， 就必定伴随着 熵 的变化． 将整个 油气 回收系统 、 冷源和热 源看作 一 个孤立体系， 整个体系的熵产存在于与外部的 换热以及 压缩机 的散 热损失 ， 即一级 冷凝 器与外 界的换热 、 一级蒸发 冷凝 器与油气 的换热 、 一级压 缩机的散热损失 、 二 级冷凝 器与外界 的换 热 、 二级 蒸发器 与油气的换热 、 二级压缩机 的散热 损失． 根 据热力学第二定律 ， 孤立体 系的熵产为_ 3 ] 、 A S A S z fi △ s ln i △ s j1j ／ S y si n 2、 3 式 中， AS 扒 AS 11 1 为蒸 发器 、 冷 凝器 熵 产， k J ／ K S ； AS ． 1 、 AS 为节流、 压缩散热熵产 ， k J ／ K S ． 将 复叠式制冷系统看作是一个整体 ， 是介于低 温热源和高温热源之 间的二级复叠式制冷循环 ． 将 整个制冷循环的放热量和吸热量看做整体 ， 此时孤 立体系的熵产为 A S - Q 1 去一 去 Q z 去一 麦 A S xt 式中， Q 、 Q z为吸热量和放热量 ， k J ／ S ； T 、 T z为平 均吸热和放 热温度 ， K； T n 、 T 为高温 和低 温热源 平均温度， K； A S 虹 为系统熵产， k J ／ K S ． 由于复叠式制冷循环是一完整的循环， 所 以 AS 为 0 ． 引入无因次熵产数_ 4 ] Ns 7 Y t C - 去 一 去 H 7ftC 去 去 2 m C p 、 』 l 』 曲 、 』 L 』 式中， 为油气的质量流量 ， k g ／ s ； C 为 1 0个大气 压下油气第一级冷却时 的比定压热容， 取 C 0 ． 3 6 8 2 k J ／ k g k ． 改造后两级制冷油气回收装置的熵产数分别为 m cp m c p1 0 m1 [ h 5 ， 一h ， 一 h 7 ～h 3 ] mc p T Ns 2 AS 2 lm ep m 2 h1一 h7 mc p To m 2 h 5一 h4 m c 改造后装置的熵产数经整理 ， 得到 Ⅳ sz 赫 ml E h 5 ， 一 4， 一 7 一h 3 ] A 5 一 4 mcp T 僦p 式中， m 、m 为一二级制冷装置制冷剂的质量流 量 ， k g ／ s ； T 、 为一二级蒸发冷凝器冷却油气时 油气的平均放热温度 ， K； 为环境温度， K； h 为 图 2和图 3 见下页 中对应各点的焓值 ． 为比较起 见 ， 原油气 回收装置的熵产数经整理后 ， 得到 Ns 1 № m 0 1 h i ．一 忍 m0 2 h 1 ， 一 7 ， mo 3 h 1一 h 7 mc p T o mo 1 [ 一 一 7 ， 一 ] mc p T o 1 m0 2 I- h 5 ， 一h 4 一 7一h 3 ] 0 3 5 一h 4 f Y t C p To 2 僦p 式 中， m。 、 mo z 、 mo 。 为一二三级制冷油气 回收装置 的制冷剂的质量流量 ， k g ／ s ； T T T 0 3 为一二三 级蒸发器冷却油气时油气的平均温度 ， K． 图2 三级复叠式制冷 T S图 Pi g ． 2 Th e T S fig u r e o ft wo - e a s e a d e - t y p e r e f r i g e r a t i o n 4 9 8 上 海 理 工 大 学 学 报 2 0 1 1年 第 3 3卷 图 3 两级复叠式制冷 T S图 Fi g ． 3 Th e T S fig u r e o f t wo - c a s c a d e - t y p e r e f r i g e r a t i o n 根据计算得到油气 回收装置在不同压力下 的系 统熵产数 Ns ， 原三级油气 回收装置 的系统熵产数 Ns 未经升压处于大气压 0 ． 1 MP a 与加装防爆压缩 机后 的两级 油气 回收装置的系统熵产数 Ns 压 力 0 ． 3 ～1 MP a 比较如表 3和图 4 所示 由表 3和 图 4可以得到 ， 在复叠式油气 回收制 冷系统中蒸发冷凝器压力越高， 对应温度相应升高， 偏离环境的温差越小 ， 熵产越小 ； 1 MP a时两级复叠 制冷系统熵产数约 为原油气 回收装置在 0 ． 1 MP a 下的三级复叠制冷系统熵产数 的5 0 ％， 大大降低 了 表 3 不 同压 力下油气 回收 系统熵产数 Ta b． 3 En t r o p y p r o d uc t i o n n u mb e r o f o i l a n d g a s r e c o v e r y s y s t e m i n d i f f e r e n t p r e s s ur e { 君 } 1 1 ． 0 4 结 论 对现有的油气 回收制冷装置进行技术改造 ， 在 油气 回收系统前加装防爆压缩机， 提高油气压力 ， 相 应提高了冷凝温度 ， 使得油气 回收系统 由原来 的三 级复叠制冷变为两级， 计算得到提高压力降低了油 气回收系统的熵产 ， 且压力越高 ， 熵产越小 ． 事实表 明， 在安全范围内压力的提高降低了能耗和熵产数 ， 简化了回收装置， 降低了整个油气回收系统的投资 和运行成本， 符合当前节能减排的方针国策． 参考文献 l 1 ] 赵志伟， 杜凯． 冷凝法油气回收技术中心的油气冷凝特 性分析口] ． 流体机械， 2 0 0 9 ， 3 7 9 6 7 7 0 ． [ 2 ] 张祉祜， 石秉三． 制冷及低温技术[ M] ． 1 版． 北京 机械 工业出版社 ， 1 9 8 1 ． [ 3 ] 沈维道， 蒋智敏， 童钩耕。 工程热力学[ M] ． 3版． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 1 ． [ 4 ] 傅秦生． 能量系统的热力学分析方法[ M] ． 1版． 西安 西安交通大学 出版社 ， 2 0 0 6 ．