（应用化学专业论文）油气蒸发排放及其控制技术的研究.pdf

博士论文油气蒸发摊放及其控制技术的研究 油气蒸发排放及其控制技术的研究 摘要 汽油等轻质油品在收发过程中蒸发排放大量油气，给企、止带来了严重的安全隐 患，环境污染，能源浪费及经济损失。针对油品储运容器收发轻质油品工艺，j 1 ：展r 油气蒸发排放规律及其回收技术的研究，获得了一些结论及成果。 ( 1 ) 根据油气蒸发排放的特点，建立了非稳态多变量系统数学模型，并推导出相 应的系列表达式。这些计算式可用来计算或评价油气蒸发排放的大小及其规律性。对 汽油蒸气的些关键物性参数，如油气摩尔质量、压缩因子、蒸气压及油气空气 扩散系数等给出了推荐值或计算式。建立了汽油装罐蒸发损耗测试系统，对影响装油 损耗的关键因素，如装油口相对位置、油罐清洗状况( 罐内初始油气体积分数) 、装 油速度、系统温度等进行了实测及比较分析。结果表明各因素明显地影响着装油排 放出的油气体积分数和油品蒸发损耗率。获得的实测数据及变化规律具有参考价值及 一定的指导意义。 ( 2 ) 建立活性炭吸附油气试验平台，对活性炭吸附油气的动力学、热力学性能等 进行了试验研究。结果表明，新鲜活性炭2 0 c 时吸附汽油蒸气的吸附率为3 4 ，3 0 ( 2 时为3 0 。活性炭吸附塔压降较低，平均为0 1 4 2 p a c m 。活性炭吸附热效应明显， 并与进料油气体积分数有关。当进塔油气体积分数为o 、3 0 - 士- 0 0 3 时，实测到吸附塔床 层温度从2 0 c 升至7 0 7 84 c 。吸附热效应将带来一系列后果，如危及吸附操作安全， 影响活性炭有效表面积、吸附容量及使用寿命等。活性炭导热系数低，为0 1 4 5 o ，2 0 3 w m 一- ，故活性炭吸附近似为绝热吸附。建立的活性炭吸附温度变化的近似 计算式，可为吸附热效应的理论分析及数值估算作参考。活性炭解吸宣用真空解吸， 试验过程中解吸绝对压力为6 2 5 2 6 2 5 p a 。油气吸附分离方法今后将主要用作其它分 离方法的后段深度回收处理，以确保尾气达标排放。 ( 3 ) 通过对油气吸牧荆的的筛选及开发、油气吸收回收的小试及中试研究，开发 出常压常温吸收法油气回收技术及其配套的吸收剂与设备。该回收系统可在常温常压 下操作，吸收解吸性能优良，油气回收率( 去除率) 高达9 5 ，运行成本低。该回收 系统与吸附法、冷凝法及膜法油气回收系统进行技术经济比较，获得了最高的量化分 值“5 5 + 7 ”，因此具有明显的技术经济综合优势，直作为目前国内首选技术。建立了 投资效益评价公式，对企业建设回收装置进行了效益分析及评价，认为投建油气回收 装置将带来明显的社会效益、环境效益及经济效益。 关键词：油品，蒸发损耗，数学模型，油气回收，吸附，吸收，效益评价 ! 茎墨塑些 堡主堡壅 s t u d yo np e t r o l e u m v a p o re v a p o r a t i o na n dd i s c h a r g e a n d d e v e l o p m e n t o f v a p o rr e c o v e r yt e c h n i q u e a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fl i g h tp e t r o l e u mp r o d u c t s ( s u c ha s g a s o l i n e ) l o a d i n g ，u n l o a d i n g ， s t o r a g e ，t r a n s p o r t a t i o n ，o rd i s t r i b u t i o n ，ag r e a td e a lo ft h ep e l r o l e u mv a p o ra r ee v a p o r a t e d a n de m i t t e df r o mt h et a n k s t a n k e r st oa i ra n dw i l lb r i n go ns e r i o u sp e t r o l e u ml o s sa n dh a r m t ot h eu s e r s p e t r o l e u mp r o d u c t se v a p o r a t i o nl o s s ( p p e l ) i sam u c hi m p o r t a n tr e s e a r c h t o p i cf o rp e t r o l e u ma n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n s c i e n t i s t sa n de n g i n e e r s t h er u l eo f p p e lw a si n v e s t i g a t e da n dt h ec o n l x o lm e t h o d sa n ds y s t e m so ft h ee m i t t e dv a p o rw e r e d e v e l o p e d t h er e s u l t sa n da c h i e v e m e n t s a r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s eo nm o l e c u l ed i f f u s i o na n dm a s st r a n s f e rt h e o r y , am a t h e m a t i cm o d e lo nt h e u n s t e a d yp e t r o l e u me v a p o r a t i o n a n dd i s c h a r g ep r o c e s sw a se s t a b l i s h e d ，a n ds o m ef o r m u l a e w e r ee d u c e dt o a p p r a i s e t h e e v a p o r a t i o na n dd i s c h a r g er u l ea n dc a l c u l a t et h ev a p o r c o n c e n t r a t i o n ，t h ee v a p o r a t i o nv o l u m e s ，l o s s e s ，a n ds oo n s o m ek e yp a r a m e t e r ss u c ha s g a s o l i n ev a p o r m o l e q u a l i t y a n d c o m p r e s s i o nf a c t o r , v a p o rp r e s s u r e ，a n dv a p o r - a i r d i f f u s i o nc o e f f i c i e n tw e r ed e c i d e da n dr e c o m m e n d e d al a b s i z e dt e s ta n de v a l u a t i o n s y s t e m o f g a s o l i n ee v a p o r a t i o n l o s si ng a s o l i n el o a d i n gt a n kw a sb u i l tu pw i t hr e f e r e n c et o f i e l d o p e r a t i o n s o m ek e ye f f e c t f a c t o r so nt h ev e n t e d v a p o rc o n c e n t r a t i o na n dt h e e v a p o r a t i o nl o s s a g e ，s u c ha st h eh e i g h to f t h ee x i to ff i l l i n g g a s o l i n ep i p e l i n et o t a n k b o t t o m ，i n i t i a lv a p o rc o n c e n t r a t i o ni nt h et a n kg a ss p a c e ，s p e e do ff i l l i n gg a s o l i n e ，a n d t e m p e r a t u r eo ft h es y s t e m w e r ei n v e s t i g a t e d a n dm e a s u r e da n da p p r a i s e d t 1 1 er e s u l t s s h o w e dt h e yi n f l u e n c en o t a b l yo nt h ec o n c e n t r a t i o na n dt h el o s s a g er e s p e c t i v e l y ，a n dm o r e b y t h e m i n t e r a c t i n g ( 2 ) a so n eo ft h ee f f e c t i v em e a s u r e st oc o n t r o lp p e l t h et e c h n i q u eo fa c t i v a t e d c a r b o n ( a c ) a d s o r p t i o nr e c o v e r yt h ev a p o rw a si n v e s t i g a t e da n dd e v e l o p e d al a b s c a l e t e s ta n de v a l u a t i o ns y s t e mo fa c a d s o r p t i o nr e c o v e r yg a s o l i n ev a p o rw a s b u i l tu p ，a n dt h e a d s o r p t i o nk i n e t i c sa n dt h e r m o d y a a m i c sw a sa n a l y z e da n da p p r a i s e d t h er e s u l ts h o w e d t h a tf l e s ha c a d s o r p t i v i t yt og a s o l i n ev a p o ri su p t oo ，3 4a t2 0 a n dt oo 3 0a t3 0 ，t h e a d s o r p t i v i t yd e c r e a s e sw i t ht h er i s ei na d s o r p t i o no p e r a t i o nt e m p e r a t u r ea n di nc i r c u l a t i o n t i m e s t h ed i f f e r e n t i a lp r e s s u r eo f a d s o r p t i o nb e di st o wa n dt h ea v e r a g ev a l u ei sa b o u t o 14 2 p a c m 一n l er e s u l ta l s os h o w e dm a ta ca d s o r p t i o nh e a tt o g a s o l i n ev a p o r i s o b v i o u s l yh i g ha n dt h et e m p e r a t u r eo f a d s o r p t i o nb e di sa b o u tf r o m2 0 u p t o7 0 7 8 a tt h ei n l e tv a p o rv o l u l n ef r a c t i o no f0 3 0 a ：o 0 3 a n dt h ea d s o r p t i o ni st a k e nn e a r 勰a n a d i a b a t i co p e r a t i o no w i n gt 0l o wa ch e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f 0 1 4 5 0 2 0 3 w m - 一 弛ca d s o r p t i o nh e a tc a u s e sr e d u c t i o no fa c a d s o r p t i v i t ya n dm a ya l s ob r i n ga b o u ta c 博十论文油气蒸发排放及其控制技术的研究 c h e m i c a la d s o r p t i o nt og a s o l i n ev a p o ra n dt h e nd e s t r o yt h et i n yh o l es t r u c t u r ea n du s e f u l s u r f a c eo fa ca n ds h o r t e na cs e r v i c el i f e s p a n ，a n df u r t h e r , b r i n ga b o u ta cb e dh i d d e n f i r ea c c i d e n t ，am a t h e m a t i cm o d e lo nd i f f e r e n t i a l t e m p e r a t u r eo fa d s o r p t i o nb e dw a s e s t a b l i s h e dt oa p p r a i s ea n de s t i m a t et h ea d s o r p t i o nh e a te f f e c t ，a n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s h o w e dt h e a d s o r p t i o n h e a tw i l li n c r e a s e q u i c k l y w i t har i s ei nt h ei n l e t v a p o r c o n c e n t r a t i o n ，s ot h et e c h n i q u ea n du n i t o fa ca d s o r p t i o n r e c o v e r y t h e v a p o rw a s r e c o m m e n d e dt ot a k ea c t i o nw i t ho t h e rr e c o v e r yu n i ta n dt o p l a yl a t e r - s t a g e f u r t h e r r e c o v e r y r o l ei no r d e rt om a k ev a p o rc o n c e n t r a t i o ni nt h et a i l g a sm i x t u r e s t or e a c h h y d r o c a r b o ne x h a u s ti n d e x l a s t ，t h ed e s o r p t i o no f r i c ha cw a sr e c o m m e n d e db yh i g h v a c u u d n s y s t e m ，a n d i t se f f e c t i v ew h i l ed e s o r p t i o n p r e s s u r e i sa b o u t6 2 5 2 6 2 5 p a ( a b s o l u t e ) ( 3 ) a so n eo ft h em o r ee f f e c t i v em e a s u r e st or e d u c ep p e l ，t h et e c h n i q u ea n d a p p a r a t u s o fa b s o r p t i o nr e c o v e r yt h ev a p o rb yt h er i g h ta b s o r b e n tw a ss y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e da n dd e v e l o p e d i tw a s t h ef i r s ts t e pt os i f to u tt h er i g h ta b s o r b e n tf r o ms o m e t y p i c a la b s o r b e n t sb yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p r e h e n s i v et e s ts u r v e yi n as e r i e so f l a b s c a l et e s ta n de v a l u a t i o ns y s t e m si n c l u d i n gs e l f - d e s i g n e do r t h o g o n a l i z a t i o na b s o r p t i o n e x p e r i m e n t ，a n dt h e nt h e a b s o r b e n ta b s 一2w a sd e v e l o p e da n dr e c o m m e n d e dt ou s e s e c o n d l y , am i d - s c a l et e s ta n de v a l u a t i o ns y s t e mo f a b s - 2a b s o r p t i o nr e c o v e r yg a s o l i n e v a p o rw a s b u i l tu p ，a n dt h ek e ya b s o r p t i o nt e c h n i c a ld a t aw e r em e a s u r e da n ds o m ek e y p r o b l e m sf o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o na n ds o m ek e ye f f e c tf a c t o r so n t h er e c o v e r ye f f i c i e n c y a r ea n a l y z e da n da n s w e r e d t h i r d l y , t h et e c h n i q u ea n da p p a r a t u so fa b s 一2a b s o r p t i o n r e c o v e r yt h ev a p o rw a si n v e n t e da n dp r o d u c e d t h er e c o v e r ys y s t e mc a nb eo p e r a t e da t n o r m a l a t m o s p h e r i cp r e s s u r e a n d t e m p e r a t u r e ，a n d h a sw e l l p e r f o r m a n c e s o f a b s o r p t i o n - d e s o r p t i o na n dh i 曲r e c o v e r ye f f i c i e n c yo fu p t o9 5 a n dl o wo p e r a t i o nc o s t f o u r t h l y , ac o m p r e h e n s i v e t e c h n i c a la n de c o n o m i ce v a l u a t i o nt a b l ew a sd e s i g n e dt o c o m p a r e a n d a p p r a i s e t h e s e l f - d e v e l o p e dt e c h n i q u e 、以t h t h eo t h e r s b ya d s o r p t i o n c o n d e n s a t i o n ，a n dm e m b r a n e ，a n d t h es e l f - d e v e l o p e do n eg o tt h eh i g h e s ts c o r eo f 5 5 + 7 ” a n ds h o u l dg i v ep r i o r i t yt ob ec h o s e nf o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o ni nc h i n a l a s t ，af o r m u l a w a se d u c e dt oe v a l u a t et h ei n v e s t m e n tb e n e f i to ft h es e l g d e v e l o p e dr e c o v e r ys y s l e ma n d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l ts h o w e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no ft h es y s t e mw i l ln o to n l yl o w e rh i d d e n f i r ea c c i d e n ta n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nb r o u g h ta b o u tb yt h ev a p o r , b u ta l s op a y b a c k u s e rh i g he c o n o m i cb e n e f i mf r o m r e c o v e r i n gv a l u a b l er e s o u r c e s k e yw o r d s ：p e t r o l e u mp r o d u c t s ，e v a p o r a t i o nl o s s ，m a t h e m a t i cm o d e l ，v a p o rr e c o v e r y ， a d s o r p t i o n ，a b s o r p t i o n ，e v a l u a t i o no f b e n e f i t 声明 i 6 2 5 5 4 5 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得教育机构的学位或学历而 使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在 论文中作了明确的说明。 研究生签名：受缝墨蕉m 。 年占月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：童堑! 塑知。争年月易曰 博士论文 油气蒸发排放及其控制技术的 i 】1 = 究 i 绪论 1 1论文研究的工业背景及意义 原油和轻质油品含有大量的轻烃组分，具有很强的挥发性，在开采、炼制、储运、 销售及应用等过程中，由于受到工艺、技术及设备的限制，不可避免地会有一部分液 态烃组分汽化而逸入大气造成严重的油品蒸发损耗。油品蒸发损耗问题涉及到石油、 石化、装饰( 油漆) 、交通等诸多领域，已成为这些领域少量尚未治理的、人们投诉 率较高的、急需解决的安全、节能、环保难题之一。油品蒸发损耗及降耗技术一直是 国内外石油储运工程、化学工程及环境工程科技工作者十分关注的一个多学科交叉的 重点研究课题j 】。1 引，因此也就成为本文的研究内容。考虑到汽油挥发性高、用量大， 本文将以汽油为主要研究对象。 1 1 1 油品蒸发损耗的现状 油晶收发、储存过程存在的损耗与储存设备有关，随着浮顶罐在国内推广应用， 大大地降低了这方面的损耗。从目前国内外技术发展水平及经济观点来看，用浮顶罐 储存原油及汽油等油品，是先进、安全经济、切实可行的办法。但我国各地区经济及 技术发展水平很不平衡，根据1 9 9 8 年1 0 月石化销售安全大检查情况反映，一些小油 库，甚至少量省市公司的油库，还在用拱顶罐装汽油，有的甚至用土油池储存轻油【l 3 1 ， 因此存在着严重的“大、小呼吸”损耗。 目前我国成品油运输工艺中，铁路承运的约占7 0 ，水路加上公路运输的约占 2 9 ，用管道输送的不足成品油运输总周转量的1 ( 包括格拉线在内) 。我国商用成 品油管道有8 5 条，但总长度仅为7 1 4 4 k m ，而且基本上是从炼厂至化工厂、电厂的 短距离管道，平均每条管道长度仅为5 6 k m ，格拉管线虽为1 0 8 0 k m 的长输管道，但 属于非商用，而且年运量仅为2 0 1 0 4 3 0 1 0 4 t 。目前我国铁路油罐车、汽车油罐车、 油船基本上都是敞口式上部装油，有些企业还是上部高位喷淋装油，因此存在着大量 的装油损耗。从目前我国油品计量结算方式来看，有用流量计计量和人工检尺计量两 种方式，由于装油损耗率在允许的误差范围和“合理损耗”范围，因此未引起交货双 方的足够重视。 随着我国进入w t o ，油品零售系统将逐渐向国步t - ：r l ：放。油品零售系统的重要性 已引起我国石化、石油系统的高度重视并上升到战略的角度来看待，如中国石化股份 有限公司透过大力收购加油站来扩大零售市场份额，傲到在辖区内重要城镇茅醯交通要 道都有中国石化品牌的加油站。油品零售环节同样存在着油品蒸发损耗。油品从油库 1 l 绪论博士论文 用汽车罐车发送或销售到加油站，加油站再将油品通过加油机零售给用户，仅仅这个 简单的过程就至少存在着3 次装油损耗、3 次卸油损耗( 回逆损耗) 。除了加油机向 用户加油的油气损耗由用户承担外，其余损耗全部由油品销售系统承担，其损耗量足 十分惊人的，造成的经济损失也是十分巨大的。随着我国经济发展和人民生活水平提 高，油品的消耗量还会有较大增长，这种蒸发损耗量及由此带来的一系列严重后果务 必引起人们的重视。 油品在储存、收发、销售过程中，蒸发排放出来的油气浓度大。实测数据表明l ”： 1 1 0 4m 3 拱顶罐储存汽油时的小呼吸排放油气体积分数为o 1 4 0 ( 4 2 5 9 m o ) ，汽车油 罐车装油到一半时罐口排放气中油气体积分数高达o 4 0 4 ( 1 2 2 6 9 m 3 ) ，汽车油箱加油 口排放油气体积分数高达o 3 4 6 ( 1 0 5 0 9 m - 3 ) ，油料( 付油) 库房内油气体积分数为 2 6 x 1 0 4 ( o 8 9 - i n 3 ) ，加油站附近空间油气体积分数为0 0 0 1 ( 2 9 9 m 3 ) ，油库内距发 油场约8 0 0 m 的大气中油气体积分数为1 4 1 0 。( o 4 4 9 - m 3 ) 。1 9 8 0 年原石油部对全国 各油田井、站、库原油储罐的大、小呼吸排气浓度进行了较为系统、全面的调查测定 1 1 ，结果表明排放气中油气体积分数为0 0 2 1 6 0 2 1 2 ( 6 5 5 6 4 3 6 9 m 。) ，平均油气体 积分数为0 7 9 9 ( 2 4 2 6g m 3 ) 。丹麦曾对北海原油装船蒸发排放气进行了浓度分析【l ”， 结果表明油气质量分数为o 1 0 9 ( 3 3 0 9 m 4 ) ( 冬季) - - 0 2 3 l ( 7 0 0 9 m 4 ) ( 夏季) ，油 气中烃类典型质量分数为c l 、c 2 ：0 0 9 , , - 0 1 5 ，c 3 ：0 2 0 - - - 0 2 5 ，c4 ：0 3 0 - - , 0 4 0 ，c ： 0 2 0 - - - 0 3 0 。由于至今尚无理想的解决上卸汽油气阻方法，我国目前仍普遍利用真空泵 辅助抽气克服气阻来实现油罐车上卸作业。这种工艺油气排放及油品损耗特别大。 1 1 2 油气蒸发排放的危害性 如汽油的爆炸极限( 体积分数) 为o 0 1 - - - 0 0 6 ，汽油蒸气的密度约为3 0 3 1 k g m 3 ( s t p ) ，空气的密度为1 1 k g m 3 ( s t p ) 。因此，油品在储存、收发、销售过程中， 严重超过火灾爆炸极限、密度比空气大的高浓度的油气大量蒸发排放扩散，并主要漂 浮聚集在地面空间，给企业及社会带来了许多严重危害性。 ( 1 ) 危及各个石油储运环节的安全 统计结果表明 3 1 ，在2 2 2 例火灾爆炸事故中，由于油气引起的就有1 0 1 起，占 4 5 5 。成品油库各区的火灾发生率统计结果为：罐区：6 9 4 ，接卸区：2 7 7 8 ， 发油区：3 6 1 l ，这三个区占7 l 。 ( 2 ) 污染环境，产生不同程度的破坏 油气是气相烃类的有毒物质，比重大于空气而漂浮于地面上，从而加剧了对人及 周围环境的影响。一般裂化汽油比直馏汽油毒性大，如汽油中含不饱和烃、芳香烃等， 对大气的污染就更为严重了。人吸入不同浓度的油气，会引起慢性( 轻度) 中毒或急 性( 重度) 中毒，其呼吸系统、神经中枢系统受破坏较大，芳香烃含量大还会影晌造 一 牌士论文 油气蒸发排放及其控制技术的研究 血系统。油气直接进入呼吸道后，会引起剧烈的呼吸道刺激症状，重患者可出现呼吸 困难、寒颤发热、支气管炎、肺炎甚至水肿，伴渗出性胸膜炎等。油气对神经中积系 统的破坏，轻度中毒症状有头昏、乏力、恶心、呕吐、酒醉感等轻度麻醉症状和流泪、 咳嗽、眼结膜充血等粘膜刺激症状。其慢性中毒作用主要表现为神经衰弱综合症、多 发性周围神经炎，部分患者有“汽油性癔症”及中毒性脑病( 类似精神分裂症) o 重 度( 急性) 中毒可出现谵妄昏迷、四肢强直、发作性痉挛，少数患者发生脑水肿、精 神症状或中枢高热，也可伴有多发性周围神经病变，严重者直至死亡。汽油还具有去 脂作用，使皮肤等细胞内类脂质平衡发生障碍，出现干燥、皲裂、角化，个别有急性 皮炎。动物试验结果表明，丙烷、丁烷和异丁烷对心脏功能具有抑制作用。据调查， 石化企业环境污染已经对周围儿童健康产生影响，如非特异性免疫功能呈下降趋势 ”。不同浓度的烃蒸气对人的危害程度如表1 1 所示。 表l 。l 不同浓度烃蒸气对人的危害程度 烃浓度，g m 4危害状况 短期接触咳嗽，眼、咽喉有刺激症状，长期接触能引起昏眩及死亡 长期接触有生命危险 有急性中毒症状 有明显的秸膜刺激等 鼻及咽喉有刺激症状，少数人步态不稳 部分人有头疼、咽喉不适、咳嗽及粘膜刺激症状 油气还会对涂料等有机化工材料起剥蚀作用，从而加速设备的腐蚀速度。油气不 仅作为一次污染物而对环境产生直接危害，还是产生光化学烟雾的主要反应物。光化 学烟雾是现代工业化社会的主要污染物之一，如洛杉矶与东京地区曾出现著名的光化 学烟雾严重事件，因此早已受许多国家所重视。2 0 世纪7 0 年代，我国也在兰州西固 区观察并实测到油气等烃类形成的光化学烟雾及造成的不同程度的危害性。兰州西固 区是我国重要的大型石油化工基地之一，除建有炼油、化工等大型企业外，还有其它 中、小型厂。 ( 3 ) 浪费能源，造成严重的经济损失 经测算，对于汽油年周转量2 0 x 1 0 4 t 的中型油库，单以1 次的装车损耗量为例， 其年最小装车损耗量为1 6 6 t ，汽油价格按3 5 0 0 f r _ , t 估算，则年经济损失最少为5 8 1 l 0 4 元。我国2 0 0 3 年汽油产量为4 7 7 0 x 1 0 4 t ，随着我国经济的发展和人民生活水平的提高， 汽油产量及消耗量还会有较大的增长，而且汽油从炼油厂到用户的周转环节繁多复 杂，其损耗量及带来的经济损失是十分惊人的。以北京为例，目前已达到年消耗汽油 2 0 0 x l o + t 的水平，估计北京上空每年都将增加1 4 1 0 4 t 以上的汽油成分，这是一个十 分严重的问题。 ，3 9 0 o b 9 石洲茹盘骝 1 绪论博士论文 ( 4 ) 降低油品质量，影响油品正常使用 由于损耗的物质主要是油品中较轻的组分，因此油品蒸发损耗不仅造成数量损 失，还将造成质量下降。如汽油随着轻馏分的蒸发损耗，汽油的初馏点和1 0 点升高， 汽化性能变坏，即汽油的启动性能变差。此外，蒸发损耗还将加速汽油氧化，增加胶 质，降低辛烷值。 1 2 国内外研究动态 早在2 0 世纪初国外就有人提出将油品储存在浮顶罐中以降低油品储存过程中 的蒸发损耗。1 9 2 2 年，第一个成功的盘式浮顶罐在美国俄克拉何马州的柯兴建成。 从2 0 世纪4 0 年代起，美国各石油公司、研究机构、环保部门等己研究具体的油品蒸 发损耗问题，且采取了许多实际步骤来降低油品蒸发损耗“。a p l ( 美国石油学会 a m e r i c a i lp e t r o l e u mi n s t i t u t e ) 主办第3 2 届( 1 9 5 2 年) 石油年会并主编油品蒸发 损耗论文集时，认识到这方面的严重性并采取重要的步骤来统一这方面的认识，即于 1 9 5 3 年组成了蒸发损耗测定委员会，继续对蒸发损耗进行了集中的研究，并将研究 成果从1 9 5 7 年开始陆续向外通报，如a p ib u l l e t i n2 5 1 2 ，2 5 1 3 ，2 5 1 4 ，2 4 1 4 ( a ) ， 2 5 1 6 ，2 5 1 7 ，2 5 1 8 ，2 5 2 1 等。随着油品周转量及中间环节的日益剧增，油品蒸发损 耗更加严重；2 0 世纪4 0 年代出现的洛杉矶光化学烟雾严重事件，环境问题日益突出。 故此，美国更加重视这方面的研究及治理，并从2 0 世纪6 0 年代起，研究开发和推广 应用油气回收技术。美国对大气环境质量的严格要求及不断制定出各种标准，加速了 油品蒸发损耗及其控制技术等方面的研究开发步伐。如美国旧的排放标准中规定，每 输送或收发1 1 汽油时，各种设备( 包括油气回收装置) 排放出的尾气中含烃量不大 于3 5 r n g ：按汽油蒸气从储运容器中排放的饱和油气体积分数即油气回收装置的入口 体积分数c 。= o 5 0 计，约相当于油气回收装置尾气中含烃体积分数c o 。 0 0 3 8 。而 新标准( 美国联邦法规：5 9 f r 6 4 3 1 8 ，d e c 1 4 ，1 9 9 4 ) 中规定该值为1 0 m g ：按巴= o 5 0 计，c 。 0 ，x = o o ，c ( ，r ) = 0 其中，u 。、叱关系由式( 2 - 2 ) 确定，坐标系转换关系如下： ( 2 6 ) ( 27 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 油品蒸发为向上单向扩散传质，即在x = o 位置上空气不作相对运动( 相对动坐 标系0 7 c 7 x 7 而言) ，故根据s t e f a n 扩散定律可获得u ：的表达式： u ：= 一1 - ( c 旦s - 一c o ) 型o x k 。 ( 2 1 2 ) 将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 6 ) ，并在初始、边界条件式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 29 ) f 解得【9 3 】： 叭，加眠，害 其中，u 为相对于动坐标系0 7 c7 x7 的无因次平均摩尔传递速度，即 止叱压一而石丽c $ - 面c o 倜网 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 1 9 o 0 o i j 旧 汀 g小+ 钉 一力爿 譬 2非稳态油气蒸发排放的数值分析 | 尊1 二论文 由式( 2 1 4 ) 可知，u 为( c s c o ) 的函数。为简单起见，将u 与( c s c 0 ) f 白j 的关系表示为式( 2 1 5 ) 。u 与( c s c o ) ( 即与c s 及c 0 之间) 的关系可通过n e w t o n 切线迭代法求得数值解，如图2 2 所示。由图2 2 可知，当( c s c o ) 越大即初始罐 内油气体积分数越低、油品越易蒸发时，u 也将越大。 呱卜可1 面+ e r f ( u 而丽 眨1 5 + 石【1) 卜- e x p ( d ，) 2 1 2 0 1 ，5 jl _ 0 0 5 0 0 3 0 2 5 、 20 15 1 o 0 00 20 40 60 81 00 9 00 9 209 40 9 60 9 81 0 0 c s 一岛 氏一f o ( a ) ( b ) 图2 2口与( c s c 0 ) 的关系线 ( c s c o ) - - - + 1 ，d + 将式( 2 1 0 ) 、式( 2 1 1 ) 代入式( 2 1 3 ) ，则得静坐标系o c x 下罐内气体空间油 气体积分数分布： ，r)：(一1-再erf爵ai(了x,广r)c(x c sc o ) + c o ，r ) = ( 一了_ = = z 。了- + 爿( t f ) = 兰二紫一u ( _ r 0 ，x h i o + u i t r ) ( 2 1 6 1 ) ( 2 1 6 2 ) ( 2 1 6 3 ) 式( 2 1 6 ) 可用来确定油罐进油时不同时间、罐内气体空间不同位置油气体积分 数分布规律。如取x = h 时，则可获得油气从油罐口挥发排放到大气的变化规律。 气体空间油气饱和度可由式( 2 1 7 ) 求得： 出：警_ ( 1 吲趔1 + e r f ( u ) + 岛( o 0 时，假设( 5 ) 与实际情况存在着一定的误差) 。 ( 2 ) 当u = 0 ，则式( 2 1 6 ) 可用来确定油罐静置过程( 即“小呼吸”损耗过程) 油气扩散及其体积分数分布规律。这时，考虑到温度波动较大，可将扩散系数d 作 适当的修正。对于油品长期保管过程，由式( 2 1 6 ) 可获得较为准确的评估结果。 2 2 油品蒸发与损耗量的确定 2 2 1 油品蒸发量的确定 油品蒸发摩尔通量可由下式确定： 卟毗，= o = 赤= 泰u 孚 泣 当油面面积f 一定时，整个进油过程( 进油时f b 7r = 7 - t ) 从油面蒸发的油品总 摩尔数为： m l i = r n i f d r = 面p fu 扣石 ( 2 1 9 ) 油品从油面蒸发总质量为