CC BY
1433
УДК 536:24
И. С. Берёзина, С. Н. Головчун
АНАЛИЗ МЕТОДИК РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ СВЕТЛЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ ПРИ ПЕРЕВОЗКЕ, ХРАНЕНИИ И СЛИВНО-НАЛИВНЫ1Х ОПЕРАЦИЯХ
Введение
При перевозке и хранении, сливно-наливных операциях, связанных с доставкой бензина потребителю, неизбежны потери бензина от испарения. Так, общие потери нефтепродуктов на транспорте распределяются следующим образом: 59,3 % приходится на автомобильный транспорт; 17,5 % - на водный; 12,1 % - на трубопроводы и перевалочные нефтебазы и 11,1 % -на железнодорожный транспорт. На долю резервуарных парков приходится 65-70 % всех потерь нефтепродуктов нефтеперерабатывающего завода [1].
Потери нефтепродуктов от испарения происходят в основном по следующим причинам [2]:
1) от вентиляции газового пространства при открытых люках или плохой работе дыхательной системы резервуаров и танков;
2) от «больших» дыханий при наливе или сливе нефтепродуктов;
3) от «малых» дыханий вследствие повышения температуры газового пространства или расширения газов при понижении атмосферного давления;
4) от насыщения газового пространства резервуаров и танков парами нефтепродукта.
В процессе испарения нефтепродуктов в первую очередь испаряются наиболее ценные -легкие фракции углеводородов (С1-С5). Интенсивность этого процесса зависит от содержания легких углеводородов в нефтепродуктах, от упругости их паров, которая характеризуется величиной избыточного давления, возникающего в герметически закрытом резервуаре вследствие насыщения парами углеводородов газового пространства. В свою очередь, величина упругости паров зависит от температуры поверхности нефтепродуктов. Всё это приводит к значительным экономическим потерям ценного топлива, снижению его качества и загрязнению атмосферного воздуха, созданию пожароопасных ситуаций, особенно в теплое время года. Из всех потерь легких фракций углеводородов на долю потерь от испарения из резервуаров приходится более 70 % [1], вследствие чего особую важность приобретает проблема улавливания и утилизации легких фракций.
В настоящее время разработаны и применяются различные технические средства сокращения потерь (СИП), которыми оборудуются резервуары хранения бензина. Для того чтобы определить эффективность применения того или иного ССП, необходимо сравнить количество бензина, испарившегося из атмосферного резервуара, с аналогичной величиной в резервуарах, оснащенных определенными ССП.
Методики расчета потерь углеводородов из светлых нефтепродуктов
Для определения реально достигаемого сокращения потерь бензинов из резервуаров при применении того или иного ССП необходимо достоверно оценивать и сравнивать потери бензина из резервуаров, имеющих и не имеющих данные средства ССП. Для расчета величины потерь бензиновых паров от «большого» и «малого» дыханий в настоящее время применяются методики двух типов: одни из них рассматривают бензин как жидкость, а потери - как некоторое количество (массу) выпара паровоздушной смеси (ИВС); другие рассматривают бензин и потери как смесь углеводородов (начальный и конечный компонентный состав).
Расчет потерь легких углеводородов из бензинов от «большого» и «малого» дыханий
Нами были рассмотрены две методики: методика расчета потерь профессора Н. Н. Константинова и методика Гидромета по определению максимальных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу из резервуаров. Расчеты потерь определяли для резервуара вертикального стального, находящегося в условиях астраханской климатической зоны и не оснащенного ССИ, при температуре закачиваемого бензина 40 °С в теплое время года и 20 °С - в холодный период года. Время выкачки (закачки) резервуара составило 7 суток в месяц, время простоя резервуара -23 суток при коэффициенте оборачиваемости п = 82.
Годовые потери бензина при сливно-наливных операциях (при «большом» дыхании) по методике Гидромета рассчитывали по формуле [3]:
О = 0,294 • 10-7 • Р38 • т (КГХ + КГп)К/рКоб В/рж, т/г, (1)
где Коб - коэффициент, зависящий от годовой оборачиваемости резервуаров п = В/(рж Ур^р); рж - плотность бензина, т/м3; Р38 - давление насыщенных паров бензина при температуре 38 °С, мм рт. ст.; т - молекулярная масса паров жидкости, г/моль; К'¡тах - коэффициент для пересчета концентраций насыщенных паров бензина в резервуарах при ґ = 38 °С к фактической температуре закачиваемого бензина соответственно в холодное и теплое время года, полученный экспериментальным путём; Ка, Крср, К™” - коэффициенты, полученные экспериментальным путём ии и зависящие от давления насыщенных паров; В - количество нефтепродукта, закачиваемого в резервуары в течение года, т/год; Ур - объем резервуара, м3; N - количество резервуаров.
Результаты, полученные в ходе расчета потерь при «большом» дыхании, представлены в табл. 1.
Таблица 1
Расчет потерь бензина при «большом» дыхании
Нефте- продукт Давление насыщенных паров, мм рт. ст. Температура начала кипения, °С Конструк- ция резервуара Объем резервуара, м3 Производи- тельность насоса, м3/ч Коэффициент оборачиваемости резервуара Выбросы
по методике Константинова, т/г по методике Гидромета, т/г
Бензин А-76 450 38 НВ 5 000 70 82 3,70 4,95
В табл. 2 приводятся результаты расчета потерь бензина при сливно-наливных операциях из атмосферных резервуаров (не снабженных ССП) и из резервуаров, снабженных определенным ССИ.
Таблица 2
Расчет потерь бензина от «большого» дыхания из резервуаров, снабженных ССП
Величина Размерность ССП
Отсутствует Понтон Плавающая крыша ГОР*
K max - 0,91 0,91 0,91 0,91
K mix - 0,57 0,57 0,57 0,57
ts max kp - 0,9 0,16 0,11 0,20
К cp kp - 0,63 0,11 0,074 0,139
Ka - 1,0 1,0 1,0 1,0
Коб - 2,5 2,5 2,5 2,5
Максимальные г/с 464 82,5 56,72 103,1
выбросы кг/ч 1 674 297,0 204,2 371,2
Годовые выбросы т/год 2 349,7 410,0 276,0 (3,6-4,5)** 518,1
* Газовая обвязка резервуаров при коэффициенте одновременности откачки и закачки из резервуара равном 0,8. Плавающая крыша без дыхательного клапана [4].
Годовые потери при «малом» дыхании по методике Н. Н. Константинова рассчитывались по формуле [3]:
М = 12 N [(Мянв + Миюль )/2], кг, (2)
где Мянв, Миюль - средние суточные выбросы за самый теплый месяц года (июль) и самый
холодный месяц (январь); N - время простоя резервуара, сут.
Потери нефтепродукта за сутки от «малого» дыхания резервуара по методике
Н. Н. Константинова определяются по формуле [3]:
Мм.д = Дм Д V, кг, (3)
где DM - среднее массовое содержание паров нефтепродукта в вытесняемом объеме паровоздушной смеси, которое определяется по формуле
D = Pmax + Pmin-----, кг/м3. (4)
м R (T +T )
ш г max г min /
Здесь pmin, pmax - минимальное и максимальное парциальное давление нефтепродукта в газовом пространстве резервуара в течение суток, Па; Тг min, Тг max - минимальная и максимальная температура газового пространства резервуара в течение суток, К; RH - газовая постоянная паров бензина, Дж/(моль-К); Д V - вытесняемый объем паровоздушной смеси, м3:
AV = Vln
( Т \
pa — pк.в ~ pmin . г max
Pa+Рк.д - pmax Tr min
м3, (5)
где Ра - атмосферное давление, Па; Ркв - вакуум в газовом пространстве, соответствующий нагрузке вакуумного клапана, Па; Рк.д - избыточное давление в газовом пространстве, соответствующее нагрузке клапана давления, Па; V - объем газового пространства, м3.
Годовые потери бензина при «малом» дыхании из резервуаров хранения по методике Гидромета определяются по формуле [5]:
О = 10-6 (У В + УзВт)КТх + Охр КитДр , т/год, (6)
где Кртах , Кнп - коэффициенты, полученные экспериментальным путем; У2, У3 - средние удельные выбросы из резервуаров для холодного периода года и теплого, г/т; Вх и Вт - количество закачиваемой жидкости в резервуар в холодный период года и теплый период, т; Охр - выбросы паров нефтепродуктов при хранении бензина в одном резервуаре, т/год.
Результаты, полученные в ходе расчета потерь бензина от «малого» дыхания, представлены в табл. 3.
Таблица 3
Расчет потерь бензина при «малом» дыхании
Нефтепродукт Давление насыщенных паров, мм рт. ст. Температура начала кипения, °С Конструкция резервуара Объем резервуара, м3 Выбросы
по методике Константинова, т/г по методике Гидромета, т/г
Бензин А-76 450 38 НВ 5 000 137,9 512,8
Бензин А-76 450 38 НВ 10 000 131,5 512,8
По результатам расчёта (табл. 3) видно, что есть определенные расхождения между количеством бензина, полученным по методике Гидромета и полученным по методике Н. Н. Константинова.
Заключение
Использование существующих методик расчета потерь бензина от испарения не позволяет решить данную задачу в полном объеме, с требуемой точностью. В каждой отдельно взятой методике расчета потерь их авторами принимаются определенные допущения, а порой и неточности при создании математических моделей и самих методик. Основным при нахождении величины потерь бензинов является определение средней концентрации углеводородов в ПВС. Одной из основных методик расчета количества потерь светлых нефтепродуктов от больших и малых «дыханий» является методика профессора Н. Н. Константинова. Данная методика применима при расчете потерь от испарения в емкостях с хорошей герметизацией и надежной работой дыхательных клапанов, что в реальных условиях перевозки и хранения светлых нефтепродуктов обеспечивается не всегда. В методике принимается, что коэффициенты теплоотдачи и температура жидкого бензина остаются постоянными в течение всего эксперимента.
Н. Н. Константинов рассматривает бензин в резервуаре как жидкость, а не как набор компонентов (углеводородов), так же он рассматривает и испарившийся бензин.
Если рассмотреть методики, которые оценивают выбросы паров бензина из резервуаров хранения по группам углеводородов, в частности методику Гидромета, то в ней не учитывается временное изменение температуры и давления бензина при простое резервуара в данной климатической зоне. А это значительный фактор, влияющий на количественный и компонентный состав ПВС.
Таким образом, оценить эффективность технического ССП можно лишь при использовании методики расчета потерь, учитывающей динамику тепломассобменных процессов, происходящих на границе жидкость-ПВС, изменяющихся во времени. Данные по компонентному составу ПВС, изменяющемуся по времени, позволят разработать эффективные методы утилизации паров бензина и ССП.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ткачев О. А., Тугунов П. Н. Сокращение потерь нефтепродуктов при транспортировке и хранении. -М.: Недра, 1988. - 116 с.
2. Борьба с потерями нефти и нефтепродуктов при их транспортировке и хранении / Ф. Ф. Абузова,
И. С. Бронштейн, В. Ф. Новоселов и др. М.: Недра, 1981. - 248 с.
3. Константинов Н. Н. Борьба с потерями от испарения нефти и нефтепродуктов. - М.: Гостоптехиз-дат, 1961. - 172 с.
4. Евтихин В. Ф., Малахова С. Г. Резервуар вместимостью 10 тыс. м3 с понтоном повышенной плавучести и вентиляцией надпонтонного пространства // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - 1984. - № 5. - С. 3-5.
5. Методические указания по определению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу из резервуа-
ров / Гос. комитет Российской Федерации по охране окружающей среды. - М., 1997. - 56 с.
Статья поступила в редакцию 8.10.2008
ANALYSIS OF CALCULATION PROCEDURES OF THE PROCESS OF EVAPORATION OF LIGHT MINERAL OIL AT TRANSPORTATION, STORAGE AND OIL CARGO OPERATIONS
I. S. Berezina, S. N. Golovchun
Two techniques are considered: Pr. N. N. Konstantinov’s procedure of losses calculation and Gidromet’s technique of definition of the maximum emissions of polluting substances into atmosphere from tanks. The calculations of losses of light mineral oil from evaporation according to the considered procedures are given. It is stated that in these techniques time change of temperature and pressure of gasoline at tank idle time in the given climatic zone, is not taken into account and it is the considerable factor influencing quantitative and com-ponential structure of a air-steam mixture of hydrocarbons. Estimation of efficiency of the means of reduction of gas losses from evaporation is possible only at using calculation procedure of the losses considering dynamics, heat-mass exchange processes, occurring on the border of liquid-air-steam mixture, changing in time.
Key words: evaporation, the tank, air-steam mixture of hydrocarbons, heat-mass exchange processes, reduction of gas losses.
