冷凝法油气回收技术中的油气冷凝特性分析_能源/化工_工程科技_专业资料。2009年第37卷第9期 文章编号: 1005---0329(2009)09—0067—04 流体机械 67 冷凝法油气回收技术中的油气冷凝特性分析 赵志伟,杜垲 (东南大学,江苏南京21009

  2009年第37卷第9期 文章编号: 1005---0329(2009)09—0067—04 流体机械 67 冷凝法油气回收技术中的油气冷凝特性分析 赵志伟,杜垲 (东南大学,江苏南京210096) 摘要:汽油等油品在储运过程中会有部分轻烃组分挥发进入大气,与空气混合成为油气。由于油气排放会产生污 染、能源浪费等问题,利用复叠式制冷循环制取低温来冷凝油气中的轻烃组分,实现油气回收正成为研究热点。本文利 用流程计算软件模拟r两种油气的冷凝过程,得出了温度不同时各组分以及非甲烷总烃含量的变化规律,发现不同种类 油气虽然组分相差较大,但在冷凝温度达到一100℃一一110。C时都可满足国家排放标准。模拟还得出r不同冷凝温度 下所需要的冷量。 关键词: 油气回收;油气排放浓度;冷凝特性;油气储运 文献标识码: A 中图分类号:TB65 doi:10.3969/j.issn.1005—0329.2009.09.018 Condensation Characteristics Analysis of Refueling Gas for Refueling Condensation Gas Recovery Technique ZHAO Zhi-wei,DU Kai (Southeast University,Nanjing 210096,China) Abstract:Light hydrocarbon components of petroleum products such stockpiling and transportation,which mix with air fueling gas reeovenr,which utilizes as gasoline evaporate into atmosphere in the process of re— as components of refueling gas.The low temperature condensation method of a cascade circulation technique,is becoming the research focus。With the help of two procedure the simulation software package,the condensing characteristics of 、iaxiation of components and flow meet the nents rate kinds of refueling gas were simulated in this paper.Then of hydrocarbons except methane are gained.Itg also found that vapor emission concentration national standards when the condeasation temperature is between——100"C—r——1 IO。C though the difference of compe— of refueling gas is concentration existing in different kinds obvious.The result also shows the cooling capacity’of various temperatures. Key words: refueling gas recovery;refueling gas emission concentration;condensing characteristics;refueling gas storage and transportation l前言 越来越多的国家制定了法律规范强制要求实 施油气处理,我国新的国家标准规定油品储运场 随着经济的迅猛发展,我国成品油消耗量剧 增,油库、加油站数量及规模也相应增加。汽油等 油品含有大量的轻烃组分,沸点低,挥发性强,在 储运过程中,有一部分轻烃组分汽化而逸人大气, 与空气混合形成油气。轻烃挥发造成严重的油品 蒸发损耗,大量油气直接排放到大气,带来了严重 的安全隐患、环境污染,因此,对油气中的轻烃组 分进行回收有着重要意义…。 收稿日期:2009—03一ll修稿Et期:2009—04—2l 所必须安装油气处理系统,且规定油气排放浓度 即尾气的非甲烷总烃含量≤259/m3。要达到国家 规定的油气排放标准必须安装油气处理装置对油 气中的轻烃组分进行处理旧“J。现有的油气处理 有冷凝法、吸附法、吸收法和膜法4种方法。谭胜 和赵德旭等对以上4种方法进行了分析比较,结 果只有冷凝法可以将油气中的轻烃组分转化为液 体回收利用,能达到控制污染的目的,并且关键技 基金项目:国家自然科学基金项目(50876020),“十一五”国家科技支撑计划重点项目(2008BMl2802) 万方数据 FLUID MACHINERY V01.37,No.9,2009 术成熟、维护容易、安全性好”再J。 冷凝法油气回收技术就是利用复叠式制冷循 环制取低温,分阶段地降低油气温度,将其中的轻 烃组分冷凝为液体加以回收的技术工艺。如图l 所示的一种冷凝法油气回收方案的流程,油气首 先通入由单级制冷系统提供冷量的前置预冷器, 前置预冷器的温度在lO℃一一10℃之间,此时可 以将大部分水蒸气和一部分轻烃冷凝为液体,并 将液体收集起来,然后将经过前置预冷器的油气 通人中置油气冷凝器,这时需要一个双级压缩制 冷系统使中置油气冷凝的温度保持在一30℃~一 80℃之间,从而将大部分轻烃冷凝为液体。末置 油气冷凝器的温度为一1000C一一120℃之间的某 汽油等成品油在储存运输过程中,挥发出来 的气态烃与空气混合成为油气。因为油气形成的 环境和过程不同,油气的组成及各组分含量也不 尽相同。文献[8]以及文献[13]公布的几种环境 下形成的油气中空气体积含量为65%一69%,而 文献[12]提及的油气中空气体积含量为88.7%。 2油气组成 组分含量不同会对露点造成影响,进而影响油气 的整个冷凝过程,对制冷装置以及换热装置的性 能和负荷产生影响,因此,研究组分含量不同的油 气的冷凝特性有重要意义。以空气体积含量为 一个温度点上,保证排放的尾气达到国家标准,一 般采用三复叠制冷系统来制取如此低的温度。 65.97%(见表1,以下称为I类油气)和空气体积 含量为88.7%(见表2,以下称为Ⅱ类油气)的两 种油气为对象,对其冷凝特性进行计算和比较。 表1 前置预冷器 10"E一10℃ I类油气组分及其体积含量 组分 体积比(%) 64.47 1.5l 巾置预冷器 末置预冷器 一300C一80℃一100℃一120℃ 分类 空气 水蒸气 CI l【~ 冷 l。一 冷 凝 却膏 敞 ll一一 冷 凝 液 甲烷C。H。 乙烷C2H6 丙烯C3H6 0.04 O.02 0.02 O.35 4.62 2.18 1.69 1.2 3.22 13.55 6.9l C, 1 lJ 液 1 } L【 } C3 丙烷C3Hs l一丁烯C4H8 反丁烯c。HB 顺丁烯c。H8 正丁烷C4HIo 异丁烷C4Hlo C4 图1油气回收系统流程 目前冷凝式油气回收装置正在成为国内油气 C5 >C5 正戊烷C5H12 已烷C6H14 储运行业油气处理技术研究的重点,并且已经有 相关的产品或者工程应用。冷凝式油气回收技术 有几个问题需要特别注意:第一个就是水蒸气结 霜的问题,考察水蒸气在不同温度下的浓度可以 表2 分类 空气 水蒸气 C3 II类油气组分及其体积含量 组分 体积比(%) 86.684 2.016 为设计除霜系统提供参照;其次是末置油气冷凝 器的温度选择问题,若选择的温度过低会浪费能 源,过高又不能满足排放标准,这就需要知道非甲 丙烷C3Hg 正丁烷C4Hlo 正戊烷C5H12 苯C6H6 已烯c6H12 已烷C6H14 甲苯C7H8 1.96 2.46 1.34 1.42 0.12 2.77 0.57 0.47 0.03 O.15 O.01 C4 C5 烷总烃含量随温度的变化情况;另外设计油气回 收的制冷系统时需要知道冷凝轻烃组分所需冷 量。鉴于以上问题,研究油气的冷凝特性就非常 必要,为了提高油气冷凝装置的效率和可靠性,本 文对油气的冷凝过程以及相关特性做初步探讨。 在烃类混合物的冷凝特性研究方面,晋新桥、石玉 美和刘铭刚对混合制冷剂热力状态参数以及气液 平衡进行了计算,Je—Lueng Shie模拟了某种油气 的冷凝特性一叫21。 >C5 庚烷C7H16 乙苯c8Hlo 二甲苯C8Hlo 辛烷C8H18 万方数据 2009年第37卷第9期 流体机械 2、3可看出,分子中碳原子数在5个以上的烃组 3数学模型 假设油气在冷凝过程中,压力为大气压力。 由于油气为气态混合物,计算气体状态时将油气 各组分参数按照一定的规则混合,从而将混合物 作为假想的纯物质计算。状态方程选用彭和鲁宾 逊于1976年提出的Peng—Robinson方程,该状态 分冷凝速度较快,I类油气和Ⅱ类油气中的这两 种组分虽然浓度较高,但都会在一50℃~一60℃ 之间每小时摩尔流量达到10。级。分子中碳原 子数在4个以下的轻烃组分由于初始蒸汽分压小 于冷凝压力,会经历一个组分浓度不变的过程。 总体来看,油气各组分的含量会在一1000C一 一110℃达到较低水平。 方程可以很好地预测较宽温度区域的烃类状 态㈨: P 一Rr 2F万一页丙面i订F酉 口(r) 2 式中口(丁)——混合气体温度函数 o(T)叫/严5 芎 兰100 嘲 斌 n、6——混合气体的范德瓦尔常数 a,b按照以下规则混合: 0 口=.Y.Yxixj(ai6『)l/2(1一k耐) 220 b:鼢一(华) 式中名;、菇i——组分i√在混合物中的摩尔分数 oi、bi、ai、6j——组分i√的范德瓦尔常数 后。和记娱乐手机appii——组分i√的二元交互参数 在冷凝过程中存在气液共存的状态,其平衡 80 冷凝温度∞ 图2 I类油气各组分的含量变化 条件为/净,:,由此条件联立Peng—Robinson,即 可计算各温度下的气液平衡。由于在实际的油气 处理装置中,油气是被分级冷凝的,即油气的温度 j 赢40 媛 逐渐降低的,因此,在进行模拟时每隔10℃计算 一个点,得到油气组分的变化规律及所耗冷量。 4结果及讨论 图3 O 300 220 140 冷凝温度(K) Ⅱ类油气各组分的含量变化 模拟计算使用的是化工流程模拟软件的换热 器模块。设定多个温度不同的油气冷凝器,其压 力均为大气压力,模拟油气冷凝器中的油气状态 以及冷凝负荷就可得到油气各组分含量随冷凝温 度的变化规律如图2、3所示。虽然模拟是对各组 分的冷凝过程进行计算,但考虑到分子中碳原子 数相同的组分物理性质的相似性及计算结果表达 的方便,按照碳原子数分类表达。 知,油气各轻烃组分浓度均随温度的降低而减少。 由于水蒸气分压低,水蒸气含量在一30。C才降到 较低水平,而水蒸气达到0℃以下时会结霜,承载 薯“”’ 嵩 嚣。nn 絮 监 220 通过对油气随温度的变化进行模拟计算可0 冷凝温度(K) 此段油气冷凝负荷的装置须有除霜能力。从图 图4非甲烷总烃含量随温度的变化 万方数据 70 FLUID MACHINERY V01.37,No.9,2009 (2)如果单纯依靠冷凝法去除油气中的水蒸 气,0℃以下时水蒸气的含量依然显著,因此,该温 度段油气冷凝换热器要有除霜功能,否则这个温 度段的油气冷凝换热效果会受到霜层的影响; 芭 衄1 (3)通过模拟结果进行分析,得出了各温度 段油气冷凝负荷的变化规律,这对根据油气冷凝 温度合理分配制冷负荷有实际指导意义。 220 佥 楗 瑟 参考文献 冷凝温度(K) [1]Xoehitl Cruz—Nafiez,Jos6 M.Hem6ndez—Soils, 图5所需冷量随温度的变化 Luis G.Ruiz—Suarez.Evaluation of vapor recovery systems efficiency stations in Mexico and personal exposure in service 由图4可看出,虽然两种油气初始轻烃含量 相差较大,但在一70℃后两条非甲烷总烃含量变 化线基本重合。I类油气在一100℃时,菲甲烷烃 总烃含量降低到15.89/m3,Ⅱ类油气在一lIO。C 下,非甲烷总烃含量降低到19.5s/m3,低于国家 标准259/m3(图3中横线线)。 根据复叠式制冷装置的原理,制取的温度越 低,消耗的能量越多,因此对于油气冷凝装置来 [6] [2] [3] [4] [5] City[J].The Science of the Total Environment,2003,309:59-68. GB20950-2007.储油库大气污染物排放标准[s]. GB20951-2007.汽油运输大气污染物排放标准[S]. GB20952-2007.加油站大气污染物排放标准[s]. 谭胜.油气回收技术的应用与比较[J].当代化工, 2008,37(1):35.99. 李德旭,赵燕.油气回收技术研究现状[J].现代 化工,2006,26(2):63-66. 说,较高温度段的负荷大,而较低温度段的负荷 小,可以减少装置耗能。由于在初始油气冷凝阶 [7] 张金,王基建,张兴华.冷凝式油气回收装置研究 [J].石油规划设计,2006,17(5):4647. 段,大部分轻烃组分分压力低于冷凝压力,冷凝尚 未开始,所耗冷量大部分为湿热负荷,潜热负荷较 少,因此所耗冷量少。两类油气的所需冷量分别 在0℃和一30℃有一个较大的上升,同时也是轻 烃组分被大量冷凝的阶段,随后所需冷量逐渐减 少。在排放浓度达到国家标准的温度段一100℃ ~一110℃,由于组分浓度变化不大,两种油气的 温度每降低10℃所需冷量几乎达到最低值,分别 为99.78W和136.66W。另外,从图5可以看出, [11] [10] [8】彭闰庆.冷凝法回收油气问题的探讨[J].石油化 工环境保护,1999,02:30-33. [9] 晋新桥,周兴禧,徐大忠.非共沸混合制冷剂热力 参数的计算[J].流体机械,1994,22(3):62-65. 石玉美,顾安忠,汪荣顺,等.天然气和混合制冷 剂的焓熵[J].流体机械,2000,28(6):61-63. 刘铭刚,揭基华.制冷系统中应用R22/R142b非 共沸混合制冷剂时冷凝温度和蒸发温度的确定 [J].流体机械,2004,32(4):51-53. [12] Je-Lueng Shie,Chen-Yu Lu,Ching—Yuan Chang。 Recovery two.stage 虽然Ⅱ类油气初始烃类含量较低,所需冷量少,但 是由于其分子中碳原子数为3的烃组分含量大于 I类油气,并且此类组分沸点较低,导致在一80℃ 后Ⅱ类油气所耗冷量超过I类油气。同理可知, 如果油气中分子碳原子数为2的烃组分含量较 高,也会导致低温段耗能增加。 5结论 of gasoline vapor by dehumidification a combined process of and condensation[J]. Journal of the Chinese Institute of Chemical Ensi— neers。2003,34(6):605-616. [13] 董军博,黄维秋,白秋云,等。油气回收过程优化 模拟[J].炼油技术与工程,2008,38(1):42-45. [14]Ding-Yu constant Peng and Donald B.Robinson.A new two equation of state[J].Industrial&Engineer- ing Chemistry Fundamentals,1976,15(1):59-64. (1)油气中轻烃组分的含量虽然差别很大, 但都会在一100。C~一lIO。C温度段达到国家标 准,因此,油气处理装置中的制冷设备最低温度控 制在一1IO。C左右是合理的; 作者简介:赵志伟(1985一),男,在读硕士研究生,主要从事 制冷与低温冷凝法油气回收装置方面的研究,通讯地址:210096 江苏南京市东南大学能源与环境学院。 万方数据 冷凝法油气回收技术中的油气冷凝特性分析 作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 赵志伟, 杜垲, ZHAO Zhi-wei, DU Kai 东南大学,江苏南京,210096 流体机械 FLUID MACHINERY 2009,37(9) 4次 参考文献(14条) 1.Xochitl Cruz-Nú(n)ez;José M Hernández-Solís;Luis G Ruiz-Suárez Evaluation of vapor recovery systems efficiency and personal exposure in service stations in Mexico City 2003 2.GB20950-2007.储油库大气污染物排放标准 2007 3.GB20951-2007.汽油运输大气污染物排放标准 2007 4.GB20952-2007.加油站大气污染物排放标准 2007 5.谭胜 油气回收技术的应用与比较[期刊论文]-当代化工 2008(01) 6.李德旭;赵燕 油气回收技术研究现状[期刊论文]-现代化工 2006(02) 7.张金;王基建;张兴华 冷凝式油气回收装置研究[期刊论文]-石油规划设计 2006(05) 8.彭国庆 冷凝法回收油气问题的探讨 1999(02) 9.晋新桥;周兴禧;徐大忠 非共沸混合制冷剂热力参数的计算[期刊论文]-流体机械 1994(03) 10.石玉美;顾安忠;汪荣顺 天然气和混合制冷剂的焓熵[期刊论文]-流体机械 2000(06) 11.刘铭刚;揭基华 制冷系统中应用R22/R142b非共沸混合制冷剂时冷凝温度和蒸发温度的确定[期刊论文]-流体机 械 2004(04) 12.Je-Lueng Shie;Chen-Yu Lu;Ching-Yuan Chang Recovery of gasoline vapor by a combined process of two-stage dehumidification and condensation[外文期刊] 2003(06) 13.董军博;黄维秋;白秋云 油气回收过程优化模拟[期刊论文]-炼油技术与工程 2008(01) 14.Ding-Yu Peng;Donald B Robinson A new two constant equation of state 1976(01) 本文读者也读过(10条) 1. 潘家华 全面提高我国油气储运事业的整体水平[期刊论文]-油气储运2004,23(5) 2. 贾文武 浅析油气储运方式的创新[期刊论文]-河南化工2010,27(20) 3. 杨克宇 油气储运中油气回收及腐蚀防护问题[期刊论文]-科技创业月刊2010,23(3) 4. 张庆富.赵保东.延华峰 浅谈油气储运中火灾原因分析及预防措施[期刊论文]-科技创业月刊2010,23(3) 5. 孙灵念.董明.王胜利 自动化技术在油气储运过程中的应用[期刊论文]-油气储运2005,24(z1) 6. 赵志伟.杜垲.Zhao Zhi-wei.Du Kai 冷凝法油气回收工艺的能耗分析[期刊论文]-制冷技术2010,30(1) 7. 赵志伟 冷凝法油气回收技术研究[学位论文]2010 8. 龚洁.任磊.魏东吼.刘斌.Gong Jie.Ren Lei.Wei Donghou.Liu Bin 浅析油气储运设施环境保护管理发展趋势 [期刊论文]-油气田环境保护2008,18(4) 9. 梁晓川 油气储运系统节能技术探讨[期刊论文]-现代商贸工业2011,23(2) 10. 黄建光 创新油气储运方式的探讨[期刊论文]-中国高新技术企业2008(19) 引证文献(4条) 1.刘亚.余敏.马龙 油气回收装置系统改进与系统熵分析[期刊论文]-上海理工大学学报 2011(5) 2.李少华.刘宝玉 基于制冷技术的油气回收过程[期刊论文]-石油库与加油站 2010(6) 3.王蒙.王铁军.杨叶.朱志平.张贵德 冷凝法油气回收工艺优化[期刊论文]-油气储运 2013(3) 4.杨叶.王铁军.王蒙.朱志平.缪志华.张贵德 冷凝式油气回收系统设计研究[期刊论文]-低温与超导 2012(1) 引用本文格式:赵志伟.杜垲.ZHAO Zhi-wei.DU Kai 冷凝法油气回收技术中的油气冷凝特性分析[期刊论文]-流体 机械 2009(9)