油气密闭系统气液平衡问题的研究-.pdf

第 2 8卷第 5期 2 0 1 0年 1 O月 天 然 气 与 石 油 Na t u r a l Ga s An d Oi l Vo 1 ． 2 8． No ． 5 0c t ． 2 01 O 油气 密闭系统气液平衡 问题的研究 许行 ， 周绍骑 ， 焦光伟 中围人民解放 军后 勤工 程学 院， 再庆 4 0 0 0 1 6 摘要 油气密闭系统能否可靠运行 ， 关键在 于如何 解决好 系统的气液平衡 问题。在对现 行的油气密闭系统深入分析的基础上， 提 出油气密闭系统 自体平衡 的新观点， 导 出理论计算油 气密 闭 系统 气液 比的公 式 ， 提供 计算 实例 。 关键词 油 气密闭 系统 ； 气液 比 ； 排 放 ； 回收 文章编号 1 0 0 6 - 5 5 3 9 2 0 1 0 0 5 0 0 0 6 - 0 3 文献标 识码 A 由国家环保总局 、 国家质量监督检验检疫局颁 布的 储油库大气 污染物排放标准 、 加油站大 气污染物排放标准 、 汽油运输大气污染物排放 标准 于 2 0 0 7年 8月 1日起正式实施 ， 这标志着 我国石油储运行业油气 的无控制排放将成为历 史。 油气限量排放阶段的到来 ， 意味着炼油厂及从事油 品经营的油库 、 加油站等企业和单 位今后应按新标 准的规定 ， 在原有工艺系统上增没控制油气排放 的 装置。新标准的顺利施行有赖于对现行油气回收及 处理技术 的了解和认识。目前 ， 油品储存 、 运输 、 装 卸时排放的油气主要通过液化处理_ 4 。。 。 或是工艺系 统密闭来 控 制。前 者 如 吸 收法 、 吸附 法 、 膜 分 离 法 等需要很大的投资和运行费用 ； 后者简便易 行 ， 经济性好 ， 但技术上仍存在一些 问题。笔 哲 认 为 ， 油库 、 加油站等属间歇性的作业场所 ， 油品装卸 过程中油气排放的总量不大 ， 采用工艺系统密闭的 方式来控制油气 的排放比较适宜。但应该指 出 通 过工艺系统密闭来控制油气排放 ， 必须解决好系统 的气液平衡问题。 1 现行 油气密闭系统 的气液平衡过程 分析 所谓气液平衡是指在包含气液两相物质的密闭 系统内， 在循环流动过程中液相物质与气相物质同 体积相互置换 ， 保持压力平衡。 如图 1 所示 用容 器 A给容器 B装油或卸油时， 从容器 A流人到容器 B的油品与从容器 B流 出返 回到容器 A的油气体 积量相等 ， 因而， 在油品装车或卸车时， 油气在密闭 系统 内循环， 不会逸人到大气环境之中。 图 1 现行油气密闭系统气 液平衡 示意 图 管 应该指出， 上述平衡过程仅是一种 理想状况。 在实际的油库 、 J J f l 油站场所几乎不可能实现 ， 原因是 油品作为一种挥发性液体。装 卸作业时 ， 由于油 品 问的相互冲撞 、 搅拌甚至飞溅 ， 使其蒸发加剧 ， 将导 致密闭系统 的气体空 间内油蒸 气油组 分的分压增 大。此时， 装卸一个体积的油品， 所产生的油气大于 一 个体积 ， 即气液比大于 1 。由此可见， 如果对于油 品装卸工 艺系统只作简单地封闭， 那么， 在装卸作业 时势必会 出现密闭系统内的压力逐渐增高。当其压 力达到呼吸阀控制压力值时 ， 油气将呼出进入大气 ， 达不到控制油气排放的效果 。 近年来 ， 一些城市加油站安装 了从美国 H E A L Y 和 O P W 公司、 德国 B O R S I G公司I S ] 引进 的油气密闭 收稿 E t 期 2 0 1 0 - 0 2 0 4 作者简介 许行 1 9 5 8 一 ， 男 ， 浙汀永康 人 ， 教授 ， 硕i ， 主要从事 油气储运工程教学 与科研工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 8卷第5期 许 行 ， 等 油气密闭系统 气液平衡问题 的研究 7 系统。H E A L Y公司为了有效回收油气 ， 在加油枪内 设置 了油气 流速控制 阀， 该控 制阀随着加 油的速度 变化调节 ， 达到气液 比 A ／ L 为 1 1 的回收。O P W 公 司的油气回收系统由真空泵控制板 、 真空泵 、 油气 回收管路 、 油气 回收枪组成。真空泵控制板 与加油 机脉冲发生器连接 ， 获得加油时的脉 冲信号启 动真 空泵 ， 而停止加油时脉冲信号中断真空泵同时关闭。 根据加油机不同的脉 冲分辨率 ， 真空泵控制板调节 加 油枪 的气 液 比至 0 ． 9 5 1 ～1 1 ． 0 5之 间 。 仔细分析能够发现 无论美 国还是德国引进 的 油气密闭系统 ， 从 功能上讲 ， 都只是在密闭条件下 ， 当受油容器压力大于规定值时 ， 即时抽排油气来保 持密闭系统的气液平 衡 ， 而不能改变油 品装卸时本 身的气液比。在这种情况下 ， 系统要保持压力平衡 ， 只能吸入空气或 呼出油气 。显然 ， 若系统不对呼出 的那部分油气进一步 的处理 ， 严格意义上讲 ， 就无法 达到所谓 的“ 零排放” 。 2 基 于气体 分子运动论 的 自体平衡 油 气 密闭系统 从 述分析我们清楚地看到 ， 简单地将工艺 系 统封闭或是借助靠外 动力控制气液 比， 都无法达 到 真正意 义上油气密闭的效果 。但这并不表明系统油 气密闭的过程不能实现 。下面我们 以汽车油品灌装 为例 ， 以气体分子运动论 的观点 ， 对油气密闭平衡 的 全过程作进一步分析和阐述 。 油品装卸作业是 一个动 态 的过 程 。当高位 罐和待装油 的汽车油罐车密闭并连通后 ， 就构成 了 一 个油气密闭的工艺系统。在被连通高位罐和汽车 油罐车的气体空间内， 表征气体平衡状态 的压力 、 温 度 、 体积三个参量符合气体状态方程的描述。显然 ， 油品在灌装作业初始 ， 高位罐油品 的流 出使液位下 降 ， 高位罐上部气体空 间的压力会 降低 ； 与此 同时 ， 汽车油罐车内油品流人使液位上 升 ， 罐车上部气体 空问的压力会增大 。由于高位罐与汽车油罐车之问 压力差作用 ， 罐 车内油气必然 向高位罐流动。前 已 述及 ， 油品装卸作业时， 油品问的相互冲撞 、 搅拌 ， 油 面蒸发加剧 ， 致使气液 比往往大于 1 ， 即产生的油气 多于所加注的油品 ， 油气 的平衡似乎无法建立。但 从油品灌装的全过程来看 ， 由于密闭系统 的气 体空 问体积未发生变化 ， 灌装作业 时间通 常不会超过半 小时 ， 作业前后 的油蒸气温度可视为不变。因而我 们完全 可以推断 ， 假如有足够 长的停滞时间， 作业过 程 中由于油品问的相互 冲撞 、 搅拌引起 的压力变化 最终将恢复到初始状态。也 就是说 ， 油气 密闭系统 的平衡其实并不需要借助于外力。 以t仅是理论分析 ， 实际的油气密闭系统 自体 平衡过程极其缓慢 ， 它远 比油 品灌装时问长。但这 一 分析结果可作为现行油气密闭系统技术改进的理 论依据 。我们只需在现行的油气密闭系统上增设一 压力真空阀和缓冲罐 如 图 2所示 。图 2中增加 的缓冲罐设置在靠 高位罐一侧 ， 主要用于容纳装油 期间因急剧蒸发所产生的大于油 品的那一部分油气 体积量 ， 避免作业时段 内密 闭气体空 间压力上升而 使油气呼出进 入大气 中。装油开始时 ， 密闭系统压 力增大 ， 大于气液比的多余油蒸气进入缓 冲罐 ； 装油 结束后 ， 随着油面恢复平静 ， 气相的过饱和油蒸气将 重新凝结 回到液相。此时 ， 密闭系统 内压力下降 ， 缓 冲罐 内的气体返 回到密闭的气体空问内， 系统最终 恢复平衡 。 缓冲罐 的容积大小取决于气液 比， 而气液 比与 装卸作业时密闭系统 的气体空问体积 、 油品温度 、 油 气浓度变化等因素有关 。 厂⋯一厂一 一⋯⋯] } f f 图 2 罐车装油油气密 闭系统 示意图 3 油气密闭系统气液 比的计算方法 3 ． 1 假设条件及公式推导 在油气 密闭系统内蒸发的油气随温度和压力而 动 态 变化 且呈 非线 性 特征 ， 为求 其 气液 比 ， 我们将 油 品装卸作业 的油气密闭平衡全过程分为两个 阶段 第一 阶段指从吸气终 了到开始呼气 的时段 ， 初 始状态参数用角标 “ 1 ” 表示 。在这一 阶段 ， 密闭系 统 中气体空 间体积不变 ， 温度 和油气浓度 的增加只 能使气体空 间压力 上升， 但没有油气 呼出。因为是 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 天然气 与 石油 2 0 1 0 生 等答 过程 ， 空气 的分J 土为 Pk l T o 1 第二阶段指从开始呼气到呼气终 了的时段 ， 状 态参数用角标“ 2 ” 表示。在这一阶段 ， 呼吸阀开启 ， 密闭系统中部分油气进入缓冲罐 ， 密闭系统气体空 间的压力空气质量不断减少。若将第一阶段终了或 第二阶段开始 的状态参数用角标 “ 0 ” 表示。此 时， 对于给定的油气分压 P 的任一时刻， 密闭系统 内空 气质量为 PK V I K 2 任一时刻密闭系统空气质量的变化为 一 d 3 密闭系统内单位体积的空气质量为 ⋯ ㈩ m 『 - 一 L 斗 由式 3 ～ 4 得呼气全过程从密闭系统排出 的的油气体积量 一 J 一 d c ， 一 丽 d 5 用油气分压 P 式 5 可表示为 ⋯ c ， T P ． O 0 ‘ ， ‘ ⋯n c ㈩ 用油气浓度 C 式 6 可表示为 ⋯ 1 2 , C2 圳n ‘ n c ㈩ 所以， 油气密闭系统气液比 7 7 可表示为 8 o 3 ． 2 计算实例 某油库汽车装油作业采用密闭系统控制油气排 放 ， 假设密闭系统空间总体积为 4 5 m ， 油气温度 2 4 ℃ ． 装油 前油 气 体 积 浓 度 为 2 0 ％ 装 油 时 ． 密 闭 系 统 向缓冲罐呼气的时段 ， 油气体积浓度从过饱和状 态的 5 2 ％降至 4 0 ％ ， 因单车装油作业时间 比较短 ， 温度可视为不变。试确定该系统的气液比。 由式 7 ， 得 1 一 AV ‘ 4 5 I n _ 9 ． 2 8 m 3 由此得到气液比 叼 2 0 6 叼 一 一 L 0 若汽车油罐车 的容积为 8 m ， 按以上计算 ， 则 要保持油气密闭系统 的气液平衡 ， 缓冲罐容积只要 不小于 1 ． 6 5 m。 ， 就可满足要求。 几 点说 明 a ． 虽然仅从计算结果上看 ， 密闭系统 的空间体 积的大小与气液 比无关 ， 但 空间大小实际会影响到 油气的体积浓度变化值 ； b ． 气液 比是确定缓 冲罐容积大小 的主要依据 ， 为确保油品装卸作业结束后缓冲罐中的油气返 回到 密闭系统中去 ， 缓冲罐应采用可伸缩的软体容器； c ． 油气密闭系统向缓 冲罐呼出或吸人气体的时 机由压力真空阀调节 ， 其控制压力应小于油罐 呼吸 阀工作压力。 4 结论 与建议 利用 自体平衡实现油气密闭系统油气排放的控 制。它既不象吸收 、 吸附等方法那样 ， 需要复杂的工 艺和设备把油气作液化处理 ， 也不是简单地将装卸 油工艺系统密闭连通。而是考虑易挥发油品组分物 理特征， 充分利用工艺流程和场所的特定条件 ， 通过 缓 冲方式来实现油气的自体平衡。 储油库 、 加油站 、 汽油运输 的大气污染物排放 国 家标准相继出台， 对油品储存 、 运输 、 装卸过程 中油 气 的排放实行 限量控制 ， 具有环保 和安全的双重意 义 ， 油库、 加油站等石油经营企业应对油气排放控制 理论和技术有更为全面的 了解 和认识 ， 只有这样才 能正确理解新标准 ， 并在油气排放控制方法的选择 和设备的选型时， 科学决策和有效投资。 参考文献 [ 1 ] G B 2 0 9 5 0 2 0 0 7 ， 储 油库 大气 污染物排放标准 [ S ] ． 下转第 3 6页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 天 然 气 与 石 油 2 0 1 0 年 表4 使用甲醇燃料汽车加速时间 能降低尾气排放量 ， 减少环境的污染。 从表 4的数据看 ， 9 0 MI O甲醇汽油燃料和 9 0 M2 0甲醇汽油燃料加速性能与市售 9 O 汽油相当。 2 ． 4 尾气排放 由于 甲醇本身即具有一定的毒性 ， 因此其作为 混合组分的车用汽油尾气排放组成测定是值得高度 关注的问题。研究者委托新疆喀什地区机动车检测 中心检测 同一辆车试用 9 0 M1 0和 9 0 M2 0两种 甲 醇汽油燃料时排放尾气中 H C和 C O含量 ， 检测结果 见表 5 。 表 5 汽车排放尾 气 H C和 C O含 量表 从表 5的数据可 以看 出， 汽车使用 9 0 M1 0甲 醇汽油燃料和 9 0 M 2 0甲醇汽油燃料后 ， 尾气 中 HC 和 C O 含 量 均 少 于 市 售 9 0 汽 油。多 种 文 献 数 据 也表明， 使用 甲醇7 昆 合 汽油燃料可 以减少尾 气排放中的 H C和 C O污染物， 这是由于 甲醇的燃烧 速率快、 效率高燃烧充分 ， 燃料 自身携带的氧要 比空 气中的氧更加有助于燃烧 。由此可 以得出结论 ， 使 用 9 0 M1 0甲醇 汽油燃料和 9 0 M 2 0甲醇汽油燃料 3 结论 a ． 控制 甲醇 中杂质 含量， MI O 、 M1 5和 M2 0甲 醇汽油产品质量符合 国家标准， 微量水存在并不影 响甲醇汽油的储存性能和行车安全。 b ． 9 0 M1 0和 9 0 M 2 0两种 甲醇汽油燃 料质量 好 ， 作为燃料百公里油耗低 、 加速性能好且尾气排放 H C和 C O含量小 ， 能减轻对环境的污染。 综合 以上结论 ， 低 比例甲醇汽油燃料适合在夏 季时问较长 、 气候干燥 的新疆地区使用。 参考文献 [ 1 ] 梁玮． 甲醇汽油的研究开发及应用现状[ J ] ． 中外能 源 ， 2 0 0 6， 1 1 2 9 5 1 0 0 ． [ 2 ] 罗陶涛 ， 杨林， 杨世光， 等． 基础汽油对 甲醇汽油气 阻影响研究 [ J ] ． 化工时刊 ， 2 0 0 4， 1 9 4 3 4． [ 3 ] 王志成． MI 8甲醇汽油燃料技术研究[ J ] ． 化学工程 师 ， 2 0 0 6 ， 1 2 9 6 5 3 ． 5 5 ． [ 4 ] 刘圣华 ， 李 晖， 吕胜春， 等． 甲醇一汽油混合燃料对 汽油机性能和排放的影响 [ J ] ． 西安交通大学学报， 2 0 0 6 ， 4 0 1 1 - 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