油气冷凝回收特性及换热器结构分析

1、油气冷凝回收特性及换热器结构分析基础研究油艨制与记二PETRoLEuMPRocEssNGANDPETRocHEMcALs2010年第4l卷第12期油气冷凝回收特性及换热器结构分析李成,李俊明,王补宣(清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室,北京100084)摘要根据冷凝法油气回收系统的制冷特点,选择不同组成的A,B,Cj种油气混合物的凝结曲线进行分析,探讨冷凝法油气回收的规律及油气回收效率.结果表明,油气混合物的组成是影响冷凝法油气回收效率的主要因素,因此应针对油气的特点设计油气回收制冷系统.油气凝结放出的潜热主要是冷负荷,浅冷阶段和溧冷阶段的冷负荷较大.基于油气冷负荷的计算结果,

2、探讨采用翅片管式换热器进行油气回收时换热器的结构特点.关键词:冷凝油气回收效率翅片管式换热器1前言石油作为战略性资源,在中国的能源结构中占有重要地位.而在原油的加工,运输和装卸过程以及汽油销售时的油气挥发损耗总量较大,有关回收技术的研究日益受到重视.2007年我国原油产量为1.8657xl0t,睹运过程的蒸发损耗约为0.3%,这些挥发的油气直接排放将导致极大的能源浪费,且危害环境,影响周围人群的身体健康.而采用直接热氧化法处理,不利于能源的高效利用.冷凝法回收油气是采用多级连续冷却方法降低油气混合物的温度,使混合气体中的轻质油成分凝结为液体而排出洁净气体的一种回收方法.如果将油气冷凝到70一9

3、0时,排放气体中的油气浓度可能减少到35mg/L;继续进行深冷处理,油气的回收率可以高达99%.到目前为止,用于油气回收的冷凝法分析和时论主要集中在原理和流程上,而对油气混合物降温凝结回收的特点分析得较少.本课题通过分析三组油气混合物的凝结回收特点,探讨冷凝法油气回收规律及油气回收效率,分析采用翅片管换热器冷却油气时换热器的结构特点.2油气冷凝回收系统分析计算所针对的冷凝法油气回收系统流程示意见图1.系统由三个制冷循环组成三个冷凝阶段,即预冷阶段,浅冷阶段和深冷阶段,油气依次流过三个制冷系统的油气冷凝通道.油气的进口温度设为环境空气温度.在三级制冷系统中,一38一第一级的主要功能是除去湿空气中

4、的水蒸气,以免在后续降温时水蒸气结霜堵塞换热器通道,恶化换热器传热.第二级与第三级制冷系统的蒸发温度根据油气回收率设定.3冷凝法油气回收的特点和回收规律分析3.1油气混合物热物性计算公式的选取油气中各组分定压比热容的计算采用Rihani和Doraiswamy提出的加和基团的方法来计算l3,其形式为:Hkak+bT+Hk+(1)式中,为比定压热容,J/(tool?K);T为热力学温度,K;下角标k为气体的结构类型;为结构类型k的基团数;a,b,为计算因子,其值可通过相关数据表计算求得.已知气体混合物中各组成气体的摩尔分数和同温下的比热容后,气体混合物的比热容可按照下式计算:Ct=ZyC2)式中,

5、G为油气的平均比定压热容,J/(tool?K);下角标i表示油气中的某组分气体;为组分i的摩尔分数C,为组分的比定压热容,J/(tool?K),收稿日期:201O.O305;修改稿收到口期:201O-06.28.作者简介:李成(1982一),博士研究生,主要研究方向为油气的降温凝结回收,烃.空气混合物的传热传质及界面现象分析.荩金项目:北京市自然科学基金资助项目(3071o01).油气入口李成等.油气冷凝回收特性及换热器结构分析2010,Vo1.41,No.12冷凝器预冷阶段冷凝器蒸发冷凝器浅冷阶段深冷阶段圈1冷凝法油气回收系统流程示意可由式(1)求得.计算气化潜热时,考虑到温度对气化潜热的影

6、响,根据SilverbergPM和WenzelLA对Watson提出方程的修正式计算不同温度下的气化潜热:171=(y(3)l一1rl式中,为气化潜热值,J/mol;Tr为对比温度,定义为温度与临界状态点温度的比值;P为指数,e=0.38;下角标1,2表示两种不同温度,其中下角标1表示正常沸点状态.饱和蒸气压的计算采用修正的三参数蒸气压方程计算:lnp=f0(n)+1()(4)式中,P为对比压力,定义为压力P与临界状态点压力P的比值;fo,f为对比温度的函数;为偏心因子,/.,的具体数值可参考文献【6得到.3.2冷凝法油气回收计算和回收规律分析尾气出口田开采的原油和加工的汽油成分和比例不同,而

7、且当地的温度,湿度环境也是决定装卸油时油品中挥发分比例的重要因素,因此在计算分析时采用了三种不同组分的油气混合物,三种油气混合物的组成见表l,其中油气混合物A,B分别为中国石化洛阳分公司和荆门分公司装车油气检测成分,油气混合物C为辽河某公司的油罐油气混合物.从表1可以看出,油气混合物A的有机烃组分较多,Cc占有一定比例,混合物中以饱和的和非饱和的有机烃c为主,油气中有机烃的含量相对较高;油气混合物B的组分比油气混合物A少,有机烃的含量相对较低;油气混合物c中有机烃的含量最低,并且有机物以C,C为主,C含量相对较少,混合物组分较少.检测资料中没有给出混合物中水蒸气的含量,由于水蒸气不是本文讨论的

8、重点,计算中忽略水蒸气存在的影响.从表1还可以看出,不同油气混合物的有机烃成分不同,这些有机烃在油气混合物中的浓度差别油气混合物的特点取决于很多因素.不同油很大.表1三种油气混合物的组成,%项目ABc项目ABC甲烷O680反丁烯2.5003.3203.240乙烷12400.820异戌烷6.0006.158丙烷1.4002.210正戊烯2.9400.602异丁烷O.3006.4902290正戊烷O.6801.710O.434正丁烷5.6006.4902.420正己烷4.1002.9906.884正丁烯3.3003.3903.724氮气51.9005473056.330异丁烯5.400氧气13.8

9、0014.55014974顺丁烯3.100O.3602.944采用公式(4)三参数状态法计算的有机物正丁烷(C)的饱和蒸气压力与NIST数据库的饱和蒸气压的对比见图2.从图2可以看出,采用三参数状态法计算的饱和蒸气压在该段温度范围内与NIST数据库的饱和蒸气压的误差不大干2%.一392010年第41卷第12期;图2三参数法与NIST数据库中正丁烷饱和蒸气压的对比三参数状态法;一NEsT数据降温冷凝过程油气回收效率的计算流程见图3.在对混合物降温冷凝的过程中,首先根据饱和蒸气压判断每一种可凝气体是否发生凝结,如果该气体成分发生凝结则根据饱和蒸气压计算冷凝量:如果未发生凝结,则按照定压热力过程计算

10、该气体的热力状态l.进而对气体混合物进行降温的显热计算和潜热计算,然后判断是否达到设定冷凝温度,得出该冷凝温度段的计算结果,再进行下一段温度降温计算.图3冷凝回收计算流程油气混合物A和油气混合物B中各有机烃组分凝结回收效率与冷凝温度的关系分别见图4和图5.从图4和图5可以看出,油气混合物A,B的冷凝法回收的特点都是高碳烃(相对C,C,C,C而言)先发生凝结,低碳烃后发生凝结.由40磊油艨制与记工干同一种烃在A,B两种混合物中的比例不同,在制冷系统提供相同的冷凝温度条件下,发生凝结的温度和凝结回收率不同.两种油气混合物的凝结曲线具有相似的趋势,即随着温度的降低,各种烃类物质的凝结速率逐渐减小.油

11、气混合物A,B中含有的甲烷,乙烷,丙烷在整个降温过程中无凝结发生.根据同一种可凝气体是否发生凝结取决于该气体组分的热物性及其在混合气体中的分压力这一特点,图4和图5中油气混合物A中C在-5.C时就开始发生凝结,而油气混合物B中c在一11附近发生凝结.油气混合物A各组分的凝结从易到难的顺序为聍一c>f.c>nC>cC4一>C4一>,2一C4>i-C4>i-C4.油气混合物B各组分的凝结从易到难的顺序为一c>一C>.C>.C4>i-C4>一C4>fC4>j;L回基静回皋图4油气混合物A中各烃类的回收率与冷凝温度的关

12、系一一c6;一cc4=:一一c5;V一i-(,:_l一(0-nC4:口一i-CJ:i-(图5油气混合物B中各烃类回收率与冷凝温度的关系一一C6;一一Cs=;一cC4;V(,.:审一(:o一门一C4=;卜(,:t1-(,李成等.油气冷凝回收特性及换热器结构分析cC.从凝结顺序可以看出,在同一蒸发冷凝温度下,虽然C烷烃的饱和蒸气压比较低,但只要该组分在油气混合物中所占比例较大,该组分的凝结回收情况就较好.在-80oC时油气混合物A中一c的凝结回收率约为69%,而油气混合物B中一c的凝结回收率为84%.可见,由于不同油气混合物发生凝结的温度不同,在采用冷凝法时,降低到同一温度,不同油气混合物的冷凝回

13、收率明显不同;而要达到同样的油气回收效果,不同油气混合物的冷凝温度不同.A,B,c三种油气混合物的回收率与冷凝温度的关系见图6.从图6可以看出,三种油气混合物都是在温度较低时才开始发生凝结,这时已经完成了去除水蒸气的过程.油气混合物c在0时开始凝结,而其它两组混合物在更低温度下才开始发生凝结.油气混合物A,B随着温度的降低凝结回收曲线很相似,这主要是因为A,B两种油气混合物的烃类物质和含量很相似.随着温度的降低,油气混合物C的油气回收效率增加较明显,这主要是因为油气混合物C中cC凝结温度较高,在0时陆续发生凝结.从整个凝结过程可以看出,要达到同样的油气回收率(比如95%),A和B两种油气混合物

14、的凝结温度要比油气混合物C的温度低8左右.图6三种油气混合物有机烃回收率与凝结温度的关系一A油气混合物;一B油气混合物;一c油气混合物A,C两种油气混合物的凝结负荷见图7,其中混合物的负荷计算主要是根据上面提到的三级冷凝,分三个冷凝阶段计算.从图7可以看出,A,c两种混合物从油气入口温度35降低到4时,冷凝负荷几乎相近,略有差别,这是因为不同混合物的平均定压比热容数值不同;而随着温度的降低,从4.C降到一35时,两种混合物的总负2010,Vo1.41,No.12荷量明显不同,这是因为两种油气混合物中有机烃的凝结量不同,凝结放热所需的冷负荷不同,因而两种油气混合物从4降低到一35时的凝结规律不同

15、(从图6可以看出,油气混合物c的凝结回收率较大,相应的凝结潜热也较大);而油气混合物A从一35冷凝到一80时(第三级)所需的冷负荷较大,油气混合物c所需的冷负荷却较小,这主要是因为油气混合物A中的C饱和烃和非饱和烃主要在这个温度段发生凝结.通过实际的冷凝负荷计算发现,制冷系统提供的冷凝负荷大小主要取决于油气凝结的潜热量,显热占的比例较小.因此对比图6和图7可以看出,有机气体发生凝结的第二阶段和第三阶段所需的冷负荷较大.从图7还可以看出,如果冷凝油气回收装置按照油气混合物A的特点设计,再用来对油气混合物C进行油气回收,回收率会大打折扣.因此,需要针对油气混合物的组分和含量的特点购买设备和设备设计

16、.预冷阶段浅冷阶段深冷阶段从35到4从4到一35从一35到一80温度变化/图7A,c两种油气混合物的凝结负荷特点一一A油气混合物;一C油气混合物4换热器设计分析4.1热物性和对流换热系数计算4.1.1黏度油气中各组分的黏度计算是基于ReichenbergDl6提出的对比态方法,应用物质的临界状态数据推算气体的黏度,其计算式为:一1367,(j旷(5)十0.1)一式中,为油气中组分i的黏度,Pa;为定常参数,由II缶界温度和原子基团决定.直接冷凝法油气回收过程的计算中,总压力约为101.32kPa,属于低压气体范畴,油气混合物的黏度可以通过混合物中各组分的纯物质黏度一412010年第41卷第l2

17、期值,平均相对分子质量及摩尔分数来求得.混合物平均黏度计算采用的严格ChapmanEnskog数值计算解可近似用级数表示为:nY/2,f,(61)I,/yT夺式中,为油气的平均黏度,Pa;西为油气中组分i和组分,之间的作用因子,可根据Wilke_8模型计算得到;为油气的组分总数.4.1.2混合物导热系数Chapman和Cowling以及Hirschfelder叫曾提出,受激内能态的分子可以被认为是独立的化学物质形式,十是内能的传递类似于扩散过程.运用这一近似的类比关系,对Eucken法进行改进得到单一气体的导热系数计算公式:32+焘?32+萧)式中,为组分i气体的导热系数,w/(m?K):C为

18、组分i气体的比定容热容,J/(mol?K);R为通用气体常数,J/(tool?K);M为组分气体的摩尔质量,kg/mol.混合物导热系数采用AWassiljewa给出的公式计算:砉1FJL】/式中,为油气混合物的平均导热系数,W/(m?K);A,为油气混合物中组分i和组分的结合因子.4.1.3油气侧对流换热系数油气混合物侧下表面的对流换热系数】的计算如式(9),计算过程选用差排管簇,对流换热系数乘以1.1;有烃类发生凝结,则混合气体的对流换热系数再乘以1.1.c1)f,手心)式中,a为油气侧的对流换热系数,W/(m?K);为油气侧当量直径,m;b为翅片管式换热器的翅片间距,m;Re为混合气体的

19、雷诺数;C,为前置系数,指数,Q为常数,它们可通过文献12查得.4.1.4管内传热系数管内传热系数计算公式为:ain=0.683Bn.t一.r10)一42一磊油艨制与记二式中,a.为管内侧的对流换热系数,W/(m?K);f为管内流体与内壁面之间的温差,K;为管内径,m;B为氟利昂制冷剂的物性集合系数,可通过文献12查得.传热过程的总传热系数计算公式为:了1式中,k为总传热系数,W/(m?K);S为换热器外,内表而之比:仉为翅片效率:r.为油气侧的污垢热阻,取0.005m2?K/W;为管内流体侧污垢热阻,因管内制冷剂侧的污垢热阻值较小,忽略不计;为紫铜管厚度,m;为紫铜管的导热系数,398W/(

20、m?K).4.2油气冷却用翅片管换热器分析根据油气混合物入口为气态的特点,采用翅片管式气.液换热器,管侧为制冷剂R404A.翅片管式换热器设计考虑油气侧热阻,油凝结和污垢热阻等因素,得出了冷凝法油气回收翅片管式换热器的结构特点,及油气侧热阻等对油气换热能力的影响.计算油气的进口流量为大气压力下lmol/min.由于三级制冷油气回收系统的换热器设计特点相近,因此选择该系统(图1)中有油凝结的第二级换热器,本文选择典型的翅片管换热器进行分析,其中圆管选择外径为9.52mm,壁厚为0.75mm的紫铜管,间距为25mm21.65mm又排排列,翅片选择厚度为0.2mm的亲水铝箔片.油气混合物冷却降温的第

21、二级换热器入口条件为:温度4,压力101.32kPa,气体为油气混合物C,油气在第级换热器内被冷却到一35.油气流速,管排的个数及所需换热器体积的变化关系见图8.从图8可以看出,入口油气的流速对换热器的结构和沿风向管排的个数影响较明显.随着油气入口流速的增加,管排的个数呈线性增加,斜率较大.流速为0.2m/s时,管排的个数达到17.随着流速增加管排的个数变化较明显的主要原因是,油气的流速增加强化了传热,但是油气停留时间变短,为维持油气在换热器内停留足够时间以实现充分换热油气流向的通道长度需要增加,所以管排的个数增加较明显.从图8还可以看出,当需要处理的油气质量流量不变时,随着流速的增加,管排的

22、个数增加,但需要的换热器体积减少.2010年第41卷第12期石油艨制与记二CHARACTERISTICSoFCoNDENSINGoILVAPoRRECoVERYANDSTRUCTUREANALYSISOFHEATEXCHANGERSLiCheng,LiJunming,WangBuxuan(KeyLaboratoryfoThermalScienceandPowerEngineeringofMinistryofEducation,DepartmentofThermalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084)AbstractBasedontheref

23、rigeratingcharacteristicsofcondensingoilvaporrecoverysystem,thehydrocarbonsrecoveryprinciplesandthecondensationefficiencywerediscussedbynumericallyanalyzingthecondensationcurvesofthreevariousoilvapor-airmixtures.Resultsshowedthattheoilvaporrecoveryratewasmainlydependedonthemixturecompositions.Theref

24、ore,thedesignofcondensingoilvaporrecoveryequipmentshouldbaseonthecharacteristicsofoilgasmixtures.Thelatentloadsfromthecondensationofoilgasmixturewerecoolingloadsmainly,inwhichthecoolingloadsoftheshallowcoolingstageandthedeepcoolingstagewererelativelyheavy.Structurecharacteristicsoffintubeheatexchangersforcondensingoi1vaporrecoverywerediscussedbasedonthecalculateddataofcoolingloads.KeyWords:condensation:oilvaporrecovery:efficiency:fintubeheatexchanger天津石化研究院研制成功裂解剩余C加氢催化剂中国石化天津石化研究院成功研制出裂解剩余c.加氢催化剂,