減壓過程中易揮發組分排放量的估算

高嶺 曹世良 北京美盛沃利工程管理有限公司 北京 100015

減壓過程中易揮發組分排放量的估算

高嶺*曹世良 北京美盛沃利工程管理有限公司 北京 100015

分析現有計算化工減壓過程中VOC排放量的模型存在的缺陷，建立一個新模型，比較發現新模型計算結果更可信，可作為減壓過程中VOC排放量的優先推薦計算模型。

減壓過程排放量模型估算

工業生產中常常會遇到減壓過程，它描述的是從壓力容器或貯罐中將不凝氣體釋放的過程，也指通過真空泵或蒸汽噴射器將容器壓力從大氣壓抽至真空的過程。如果容器中含有易揮發性組分(Volatile Organic Component，簡稱VOC)，則在減壓過程中釋放出的氣體將是容器中的VOC飽和氣體。減壓過程大致包括:

(1)間歇壓力反應釜(或高壓釜)完全反應階段的卸壓過程。

(2)含有VOC的壓力容器中填充氣體的排放。

(3)壓力過濾機卸除濾餅前的卸壓過程。

(4)真空蒸餾塔開車前的抽真空過程。

工藝工程師常根據調節要求對氣體的排放量進行估算。本文分析現有估算模型存在的問題，提出一個新的減壓過程中氣體易揮發性組分排放量的估算模型。

1 現有估算模型

據文獻［1］［2］目前有兩個有關減壓過程的估算模型。

1.1 EPA模型

該模型基于可凝組分對不凝組分初末期分壓之比值的算術平均值。模型計算為式(1):

該式只有在壓力變化范圍不太大，且VOC的飽和蒸氣壓比系統操作壓力低得多時才會得到較合理的VOC泄放量計算結果。如果VOC的飽和蒸氣壓接近系統的操作壓力，則該式的計算結果將比實際泄放量大得多。

1.2 Hatfield模型

Hatfield意識到EPA模型的局限性，提出了一個改進的減壓過程泄放量算法。為保持與EPA模型的一致性，Hatfield模型將釋放的可凝氣體總量與容器中不凝氣體分壓(而不是系統總壓)相關聯，如式(2):

對式(2)進行變量替代重排，以不凝氣體初末期分壓作為邊界條件進行積分可得到計算式(3):

該模型選擇以不凝氣體的分壓(而不是以系統總壓)作為獨立變量，但在式(3)中Hatfield引入了一個異常特例，隨著VOC飽和蒸氣壓接近系統最后總壓，該特例將變得極為顯著。在極限條件Pt2－Pc=0下，式(3)將得到一個無窮大的未知數。

2 推薦模型

本模型意在消除Hatfield算法的極限情況，圖1為壓力容器的減壓過程，假設減壓為一等溫過程。

在減壓過程的任意一個給定時刻，容器上部空間氣體總量可表示為:

圖1 壓力容器減壓過程圖

因是一恒溫減壓過程，則容器上部氣相始終被VOC所飽和，對于一個微小壓力變化，VOC蒸發量可忽略，則VOC氣相分率Pc/Pt可認為不變，容器中氣體排放總量為:

其中，VOC排放量可表示為:

對式(6)以Pt1及Pt2作為邊界條件進行積分，并以Wc=nc×Mc進行替換，則可得到排放氣體中VOC的重量計算式(7):

當容器中無液體，亦無液體蒸發至容器上部氣相空間中，因而在整個減壓過程氣相中VOC的摩爾分率將保持不變(Pc/Pt)=(Pc/Pt1)，此時對式(7)進行積分則有:

3 估算舉例

首先提出VOC的飽和蒸氣壓計算公式

該公式來源于ProSim公司軟件Component Plus Version 3.0.0.0。

CS2:A=67.114;B=－4820.4;C=－7.5303;D=0.0091695;E=1適用范圍為161.11～552K。

丙酮:A=69.006;B=－5599.6;C=－7.0985;D=6.2237E－6;E=2，適用范圍為178.45～508.2K。

異丙苯:A=102.81;B=－8674.6;C=－11.922;D=7.0048E－6;E=2，適用范圍為177.14～631K。

例1:合成氨凈化工段使用耐硫催化劑進行CO變換，開車前用CS2對催化劑進行硫化，以低壓氮氣作載氣。硫化結束后CS2貯槽進行卸壓操作。貯槽容積為5.11m3，氣相空間容積為4.88m3，操作壓力為0.165MPa(A)，減壓到常壓即0.101325MPa(A)，操作溫度為25℃，估算排放的氣體中CS2的排放量。25℃時CS2的Pc為47837Pa，Mc為0.076143kg/mol，R為8.314 J/(mol·k)，由式(7)得:

例2:含有丙酮的料漿使用4.5m3的Nutsche壓濾機進行過濾，操作壓力為2570mmHg(A)，溫度為26.7℃，在過濾結束時進行卸壓，估算此過程中VOC的排放量。假設氣相容積為整個壓濾機容積的一半，丙酮Pc為33062.42Pa，Mc為0.05808kg/mol，則由式(7)計算可得:

例3:蒸餾塔開車前從常壓減壓至100mmHg (A)。抽真空時操作溫度為25℃，塔高為23m，塔內徑為2.14m(總容積為82.68m3)。假設塔的氣相空間充滿異丙苯飽和氣，估算抽真空過程中VOC的排放量。25℃時異丙苯Pc為608.6Pa，Mc為0.1202kg/mol。

過程1:假設塔內還存有殘留液體異丙苯，塔內氣相空間仍充滿VOC飽和氣，排出的VOC量則由式(7)計算可得:

過程2:假設塔內無殘留液體，塔內氣相空間初始充滿VOC飽和氣，隨著抽真空過程的進行，塔內氣相中VOC的摩爾分率維持不變，排出的VOC量則由式(8)計算可得:

4 模型比較

三種化工操作過程和三種模型的計算結果比較，見表1。

過程1:CS2貯槽卸壓過程。貯槽內氣相物料為N2(不凝組分)及CS2(VOC)氣體的混合物，CS2分子量Mc為76.143。

表1 三種模型計算結果比較

過程2:Nutsche壓濾機中含丙酮料漿壓濾過程。氣相物料為N2(不凝組分)及丙酮(VOC)氣體混合物，丙酮分子量Mc為58.08。

過程3:蒸餾塔開車前抽真空過程。氣體空間容積82.68m3。氣相物料為異丙苯(VOC)與空氣(不凝組分)的混合物，異丙苯分子量Mc為120.2。

從表1可看出，在大多數化工過程中，EPA模型計算出的VOC排放量比推薦模型計算值至少大2倍，而當化工過程中的VOC飽和蒸氣壓接近操作壓力時，這種偏差更為顯著(過程1－5，2－4，2－5，3－4及3－5)。

Hatfield算法在多數化工過程中與推薦模型的偏差在10%～40%。而當VOC的飽和蒸氣壓接近最后的操作壓力時，該偏差亦較為明顯(過程1－5，2－4，2－5，3－4及3－5)。

5 結語

新的減壓過程VOC排放量計算模型可應用于更多場合，既可應用于估算當容器中VOC的飽和蒸氣壓接近最后的操作壓力時VOC的排放量，也適用于估算容器中無液體蒸發時VOC的排放量，因此可作為減壓過程中VOC排放量計算的優先推薦模型，為排放氣處理提供可靠的設計依據。

符號說明

McVOC摩爾質量(分子量)

ncVOC排放總摩爾數，kmol

nt容器中氣相空間總摩爾數，kmol

nt1初始壓力下，容器中氣相空間氣體總摩爾數，kmol

nt2過程末期壓力下，容器中氣相空間氣體總摩爾數，kmol

Pc容器操作壓力下VOC飽和蒸氣壓，Pa

Pnc1容器中非冷凝氣體的初始分壓，Pa

Pnc2容器中非冷凝氣體的過程末期分壓，Pa

Pt1系統初始壓力，Pa

Pt2系統末期壓力，Pa

R通用氣體常數=8.314J/(mol·K)

T系統內操作溫度，K

V容器中氣相空間容積，m3

wcVOC排放量，kg

1 Hatfield，J．A．．Improved Algorithm for Estimating Process E-missions from Batch Depressurization．Environmental Progress，17(3):195－198(Fall 1998)．

2 Gomez，J．V．Calculate Saturated-Gas Loads for Vacuum System．Chem．Eng．，98(6):149(June 1991)．

3 梅安華等．小合成氨廠工藝技術與設計手冊(上冊)〔M〕．北京:化學工業出版社，1995年4月．

4 Reinhard Billet．Distillation Engineering．Chemical Publishing Co．，Inc．1979．

5 吳俊生，邵惠鶴．精餾設計、操作和控制［M］．北京:中國石化出版社，1997年12月．

6 國家醫藥管理局上海醫藥設計院，化工工藝設計手冊(上、下)(第二版)［M］．1996年1月．

7 美國防火協會，化學危險物品資料［M］．施志勇譯，北京:群眾出版社，1975年．

8 楊勝璧等．化學危險品安全實用手冊［M］．成都:四川科學技術出版社，1987．

9 國家質量技術監督司綜合處編，化學危險品法規與標準實用手冊［M］．北京:中國計量出版社，2001年12月．

Defects in the existing model for calculation of VOC emission during pressure reduction in chemical plants have been analyzed and a new model is set up．Based on comparison with the existing model，the calculation results from the new model are found to be more convincing and therefore can be used as a priority model for VOC emission calculation in the course of pressure reduction．

Estimation of Volatile Organic Component Emission during Pressure Reduction

Gao Ling，et al
(Beijing MaisonWorleyParsons Co.，Ltd．Beijing 100015)

pressure reductionemissionvolatile organic componentHatfield modelestimation

*高嶺:工程師。1995年畢業于吉林化工學院有機化工專業?，F從事化工工藝設計。聯系電話:(010)59245269。E－mail:ling．gao@worleyparsons。

2011－07－24)