CC BY
280
экология «омский НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (84), 2009
*
ЭКОЛОГИЯ
УДК 665.4:574 ю. С. СЕМЁНОВА
В. В. БАЖЕНОВ
Омский государственный технический университет
РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ ПАРОВ НЕФТЕПРОДУКТОВ ОТ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ УСТАНОВКИ ТАКТОВОГО НАЛИВА______________________________________
На основании проведенного обзора методик по определению и расчету вредных выбросов загрязняющих веществ от основных источников предприятий нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности разработан алгоритм расчета выбросов паров нефтепродуктов из железнодорожных цистерн от автоматизированной установки тактового налива, учитывающий все характеристики нефтепродуктов, в том числе и тип продукта, время налива нефтепродуктов в цистерны и время подъема трубы.
Ключевые слова: АУТН, выбросы, нефтепродукты, налив, цистерны.
Нефтяная промышленность России унаследовала наращивание добычи нефти без должного учета последствий для экологической безопасности населения. Одной из причин повышенной опасности предприятий по переработке углеводородных систем является неконтролируемый выброс паров нефтепродуктов при наливе железнодорожных цистерн.
Основным фактором в повышении уровня экологической и промышленной безопасности производства является совершенствование технологических процессов налива и внедрение качественно новых автоматизированных установок, применение которых приводит к значительному снижению опасных выбросов в окружающую среду (ОС) и предотвращению аварийных ситуаций.
На сегодня на наливных установках различают три системы налива нефтепродуктов: галерейный, тактовый и комбинированный.
Между галерейным и тактовым методами нали-
ва имеются существенные отличия: надежность и практичность в эксплуатации у галерейного метода выше, так как в механизме используются шарнирные соединения и отсутствуют сложные узлы, в то время как у тактового метода сложный механизм — трубы, гидравлика, автоматика. Но в связи с ужесточением требований к промышленной и экологической безопасности в РФ формируется тенденция к применению установок тактового налива. Развитие техники налива резко усложнило системы управления, узлы и механизмы, в итоге все установки тактового налива сейчас работают в автоматическом режиме.
Широкое применение в России на нефтеперерабатывающих заводах получили автоматизированные установки тактового налива (АУТН), отвечающие требованиям пожарной безопасности и экологических норм.
Труба для тактового налива может быть телескопической — «on-spot», или шарнирной — «top-spot»
(табл. 1). В первом случае самый сложный узел — телескопическая труба обязана быть герметичной как при наливе продукта, так и при отборе паров. Так как шарнирные трубы проигрывают телескопическим по ряду показателей, то для налива нефтепродуктов на АУТН используют телескопические трубы.
Несмотря на функциональность и экономичность АУТН, встает проблема: отсутствует методика, позволяющая определить выброс газовоздушной смеси (ГВС) при нормальной эксплуатации установки.
Сегодня расчет выбросов паров нефтепродуктов в атмосферу осуществляется с использованием ряда нормативных методик [1, 2, 3], каждая из которых рассматривает отдельные части АУТН как самостоятельный объект расчета. Однако методика [2] не учитывает условия выхода ГВС. Считается, что испарение нефтепродуктов из цистерны происходит непрерывно, что не соответствует реальности, поскольку налив проходит в герметичных условиях, а выброс паров нефтепродуктов происходит лишь при отключении АУТН и закрытии люка цистерны оператором.
Цель данной работы — создание алгоритма, позволяющего проводить расчет выбросов паров нефтепродуктов от АУТН, учитывая при этом все узлы установки как единый объект.
В ходе работы были решены следующие задачи:
1. Разработана математическая модель, описывающая процесс выхода ГВС из ж/д цистерн при испарении нефтепродуктов в момент налива на АУТН;
2. На основании математической модели создан алгоритм расчета выбросов паров нефтепродуктов из ж/д цистерн;
3. Проведена экспериментальная проверка результатов работы на действующей АУТН.
Для разработки алгоритма был проведен обзор методик по определению и расчету вредных выбросов из основных источников предприятий нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности [1, 2, 3].
Для достижения поставленной цели разработана математическая модель, описывающая источники выделения паров нефтепродуктов на АУТН. На основании математической модели, расчет выбросов паров нефтепродуктов при наливе ж/д цистерн проводится в следующей последовательности (рис. 1):
1. В зависимости от типа нефтепродукта (высоко-кипящий, низкокипящий) определяется парциальное давление паров рж в ГВС;
2. Определяются объемы газовой прослойки до и после закачки нефтепродукта в цистерну Уг1 и Уг2;
3. Находится избыточное давление паров в цистерне Риз#
4. Определяется объем, который займет ГВС при выходе в атмосферу Уа;
5. Рассчитывается объем вытесненных в ОС паров ДУ;
а'
6. Находится расстояние Л, считая от верхнего края цистерны до поверхности жидкости;
7. По табл. 2, 3 задаются коэффициенты к1 и к2: к1 — в зависимости от температуры кипения нефтепродукта, к2 — в зависимости от отношения открытой поверхности испарения Р1 к полной поверхности испарения Р2 (ё — диаметр наливной тубы, м; Ь — длина цистерны, м; с — ширина цистерны, м);
8. Рассчитывается коэффициент диффузии О паров нефтепродукта при температуре Т = 273 К и давлении р = 100 кПа (рис. 1, где М — молекулярная масса паров нефтепродукта);
9. Определяется плотность паров жидкости в цис-
терне рн при температуре Тг (оС) (ра — атмосферное давление, мм рт. ст.),
10. Определяется разность плотностей среды над поверхностью жидкости и в удалении от нее Др.
Процесс переноса испаряющихся нефтепродуктов в ОС определяется произведением критериев Грасго-фа (Сг) и Прандтля (Рг’) Сг • Рг’ [4]:
Сг = д • Ь3 • Др/ V2 • р, (1)
где д — ускорение свободного падения, м/с2; Ь — определяющий размер, м; V — коэффициент кинематической вязкости ОС, м2/с; р — плотность ОС, г/м3.
Критерий Рг’ для процесса испарения принимается Рг’ = 0,66.
В зависимости от величины Сг • Рг’ расчет количества вредных веществ С. (г/ч) будет осуществляться по различным формулам (рис. 2).
При этом возможны три случая:
1. Поверхность жидкости неподвижна при условии Сг • Рг’ < 1;
2. Ламинарный или локонообразный режимы движения воздуха вблизи поверхности испарения при 2 • 102 < Сг • Рг’ < 1 (Сг • Рг') в зависимости от молекулярных масс паров нефтепродукта и наружной среды:
а) пары, испаряющейся жидкости легче воздуха наружной среды, М. <Мн ср
б) пары, испаряющейся жидкости тяжелее воздуха наружной среды, М>Мх
3. Турбулентный режим движения воздуха вблизи поверхности испарения при Сг • Рг' > (Сг • Рг1) , в зависимости от молекулярных масс паров нефтепродукта и наружной среды:
а) пары, испаряющейся жидкости легче воздуха наружной среды, М. <Мн ср
б) пары, испаряющейся жидкости тяжелее воздуха наружной среды, М. >Мнср
Учитывая время поднятия трубы в исходное положение, т. е. это время закрытия люка цистерны оператором, определяется масса загрязняющего вещества т в объеме Уг2 и концентрация загрязняющих веществ С в объеме У2:
С = т/ Уг2. (2)
Затем рассчитывается максимально-разовый (г/с) выброс загрязняющих веществ в атмосферный воздух д, и, в зависимости от количества цистерн К с нефтепродуктом, наливаемых за год, валовый выброс С (т/год):
д = ДУа • С/ П (3)
С =252 • 10-6 • К • д. (4)
На основании разработанной математической модели, а также предложенного на ее базе алгоритма, проведен расчет концентрации загрязняющих веществ С в ГВС, а также расчет максимально-разового д и валового С выбросов паров нефтепродукта (на примере бензина А-92) от действующего комплекса АУТН в процессе вытеснения загрязняющих веществ в ОС при наливе нефтепродукта в цистерну.
Исходные данные для расчета выбросов представлены в табл. 4.
Последовательность расчета:
1. Определим объемы газовой прослойки:
V , =У —V =75,5-1=74,5 м3;
г1 ц ост ' ' '
«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (84), 2009 ЭКОЛОГИЯ
ЭКОЛОГИЯ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (84), 2009
Рис. 1. Алгоритм расчета выбросов паров нефтепродуктов из транспортных цистерн
Рис. 2. Алгоритм расчета выбросов паров нефтепродуктов из транспортных цистерн (окончание)
V=V-(V +V ) = 75,5-(1 +72,4) = 2,1 м3.
г2 ц ' ост п ' ’
2. Определим избыточное давление паров в цистерне:
Найдем глубину Л, считая от верхнего края цистерны до поверхности нефтепродукта. Пусть У'п = +
+ V = 1+ 72,4 = 73,4 м3 . " ос"
п
С другой стороны,
Поскольку 1 мм рт. ст. = 133,322 Па, то ра = 757 ■ ■133,322 = 100924,754 Па. “
3. Определим объем, который займет ГВС при выходе в атмосферу:
_ Кґ2_Рию_ _ 2Л • 3,58' 106 _ 74 491м^
Р„
100924,754
Уп = (а-Ь)^с = (3-^25,167 = 73,4 м3, 75,501-25,167^ = 73,4 м3, Ь = 0,083 м.
Определим количество испарившегося нефтепродукта:
в = 10
_3 0,03 • 1,094 • 25,167 • 20141
•1п-
1,5 • 0,083 100924,754
100924,754 - 24667,769
= 37,450 г / ч.
Тогда ДУ = V - V, = 74,491 - 2,1 = 72,391 м3.
^ а а г2
4. Определим испарение продукта в момент налива.
р 70,52
р0 = ’ = 3,148.
22,4
ТогАаР- = 3,148'273+320Ю=2,923'г / -3'
Найдем значение критерия Грасгофа От:
От = 9>81' ^ -1’287 -;06 = 0,0012.
14,972-1,29-106
вт - Рг = 0,0012 - 0,66 = 0,00079 < 1
Поскольку температура начала кипения бензина Т . = 75 оС < 80 оС, то к, = 1,5.
н.кип 1
Открытая поверхность испарения
с!2 0 32
F1 = п-----= 3,14 -^—= 0,07065 м2.
1 4 4
Полная поверхность испарения
К= Ь ■ с = 8,389 ■ 3 = 25,167 м2.
5. Учитывая время налива нефтепродукта в цистерну I = 16 мин., рассчитаем массу загрязняющего вещества, отводящуюся от АУТН:
т’ = С • ^ = 37,450 ■ 16/60 = 9,987 г — за время налива 16 мин.
Аналогичным образом, учитывая время поднятия трубы ^ = 2 мин., найдем массу загрязняющего вещества, в объеме Уг2:
т = С • ^ = 37,450 ■ 2/60 = 1,248 г — за время поднятия трубы 2 мин.
т = 1,248/120 = 0,0104 г — за время 1 сек.
6. Определим концентрацию загрязняющих веществ в атмосфере:
^ 0,0104 „ , 3
С = —------= 0,0049 г/м3.
2,1
7. Определим выброс загрязняющих веществ (г/с) в атмосферный воздух:
72,391-0,0049
2 • 60
- = 0,002 г/с,
д = 0,002 ■ 24 ■ 60/16 = 0,18 г — за одни сутки.
8. Определим валовый выброс загрязняющих веществ (т/год) в атмосферный воздух:
G = 252-10—6-К-д =
= 252-10—6-71561-0,18 = 3,246 т/год,
= 0,07065/25,167 = 0,003, тогда к2 = 0,03.
з
0,8-0,36 3,58• 10® /273^
£> =
Щ52 100924.
,58-106 I 273 "ь 3924,7541 293 )
= 1,094л/2/ч.
Найдем парциальное давление паров бензина в ГВС, учитывая, что бензин относится к низкокипящим продуктам:
Рж = 193 • ехр
6,172 - 1пЮ
1250
) ^(273 + 20)2 +108000 - 307,6 1- 1250
-1
-1
^/(273 + 21)2 +108000 - 307,6 = 185,024 мм. рт.ст. = 185,024 -133,322 = 24667,769 Па.
Найдем концентрацию паров нефтепродукта в свободном объеме цистерны:
С 24667,769 ~ лтш/Л / 3 Св = 3 58-106 -2,923 = 0,020141 кг/м3.
С = 0,020141-106 = 20141 мг/м3.
где К - количество цистерн с нефтепродуктом, наливаемых за год, равное 71561 шт.
Сравнив полученные расчетные значения Ср = = 20141 мг/м3, С = 3,246 т/год с ориентировочным количеством выбросов Со = 4,235 т/год и концентрацией Со = 45966 мг/м3, мы установили, что расчетные значения концентрации и валового выброса паров нефтепродуктов оказались значительно ниже.
Это объясняется тем, что применяемые на производстве методики не учитывают время налива нефтепродуктов и время поднятия трубы, а также использованием при расчетах множества усредняющих коэффициентов, в то время как мы использовали показатели для готового продукта — бензина А-92, учитывая при этом технологические особенности налива.
Поскольку порядок полученных величин совпадает, это позволяет судить о правильности выбранного подхода решения проблемы. В дальнейшем на основании предложенного алгоритма предоставляется возможным разработка расчетной методики определений выбросов паров нефтепродуктов, учитывающая все характеристики нефтепродуктов, в том числе и тип продукта, время налива нефтепродуктов в цистерны и время подъема трубы. Методика позволит проводить более точные расчеты выбросов вредных веществ в
«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (84), 2009 ЭКОЛОГИЯ
экология «омский НАУЧНЫЙ вестник» № 1 (84), 2009
Сравнение способов тактового налива
«on-spot» (телескопическая труба) «top-spot» (шарнирная труба)
Надежность Выше Ниже
Стоимость Сопоставима
0 трубы, мм (производительность) До 300 (выше) Обычно до 200 (ниже)
Герметичность Выше Ниже
Хребования «АУГН» (безопасность) Выполняются При определенных условиях не выполняются
Таблица 2
Зависимость коэффициента kI от температуры начала кипения жидкости
Уемпература кипения жидкости, оС < 80 100 150 > 150
Поправочный коэффициент kI 1,5 1,3 1,1 1,0
Таблица З
Зависимость коэффициента k2 от степени укрытия поверхности испарения
FI/F2 < 0,0001 0,001 0,01 0,1 0,5 0,8 > 0,8
k2 0 0,01 0,1 0,2 0,3 0,6 1,0
Таблица 4
Исходные данные для расчета выбросов в ОС
Параметр Значение
объем цистерны Уц, м3 75,5
остаточный объем нефтепродукта Уост, м3 1
объем наливаемого нефтепродукта Уп, м3 72,4
молекулярная масса наружной среды Мн ср 28,95
молекулярная масса паров бензина М 70,52
плотность наружной среды р, кг/м3 1,29 ■ 103
плотность бензина рб, кг/м3 0,774 ■ 103
тип нефтепродукта низкокипящий
температура начала кипения нефтепродукта Тн ., °С 75
температура в лаборатории во время испытаний Т , °С 21
парциальное давление паров нефтепродукта при лабораторном испытании образца продукта р, мм. рт. ст. 193
коэффициент кинематической вязкости V, м2/с 14,97
определяющий размер Ь, м 0,3
барометрическое давление (атмосферное) В = р, мм. рт. ст. 757
ускорение свободного падения, м/с2 9,81
атмосферу от АУТН, а также проводить оценку состояния ОС в районе расположения установки.
Таким образом, данная работа посвящена научнозначимой и актуальной проблеме как в теоретическом, так и в практическом отношении, а наработки данного исследования могут быть внедрены на нефтеперерабатывающих предприятиях России, в том числе и города Омска.
Библиографический список
1. Методика расчета выбросов вредных веществ в окружающую среду от неорганизованных источников нефтегазового оборудования РД39-142-96. — Москва, 1996. — 26 с.
2. Методика расчётно-экспериментального определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу за счёт испарения из емкостей хранения нефтепродуктов. — Краснодар, 1996. — 37 с.
3. Методика определения количественного и качественно-
го состава вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу различными источниками предприятий промышленности СК. — Воронеж : ВПО «Синтезкаучук», 1980. — 116 с.
4. Тищенко Н.Ф., Тищенко А.Н. Охрана атмосферного воздуха : в 2-х кн. Ч. 1: Выделение вредных веществ : справ. изд. — 2-е изд. перераб. и доп. — М. : Химия, 1993. — 192 с. — ISBN 5-7245-0924-5.
СЕМЁНОВА Юлия Сергеевна, аспирант кафедры «Промышленная экология и безопасность».
E-mail: [email protected] БАЖЕНОВ Владислав Викторович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Промышленная экология и безопасность».
E-mail: [email protected]
Дата поступления статьи в редакцию: 13.05.2009 г.
© Семёнова Ю.С., Баженов В.В.
