多孔介質輕烴吸附數值研究

吳 琦, 杜 強, 張金華, 張 娜, 谷 智，徐建普

（1. 中煤科工集團重慶設計研究院，重慶 400016；2. 大慶油田有限責任公司 儲運銷售分公司慶哈輸油大隊, 黑龍江 大慶 163000；3. 哈爾濱天源石化工程設計有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150090）

石油作為當代人類能源的首要選擇，隨著油氣資源的逐年減少以及國內外各大石油石化公司全面實施健康、安全與環境（HSE）一體化管理體系，以減少人員傷害、財產損失和環境污染，對其在開采、生產、儲運及銷售過程中的損耗數量的控制越來越成為石油儲運專業人員研究和解決的一個重要課題。

1 研究現狀

利用有效的吸附劑進行油氣吸附分離，一直是國內外研究的重點。上世紀中葉，西方國家已經開始了對油品蒸發損耗進行初步探討并采取了一定的措施控制揮發量。上世紀 80年代，中國也在這一領域展開探究。國際上比較有代表性的油氣回收裝置，有美國喬丹公司設計生產的回收裝置，其原理就是采用活性炭變壓吸附。發達國家已經開展回收油氣以降低油品蒸發損耗并防止油氣污染，并立法控制油氣排放濃度。日美等國在當時研制了油氣回收裝置，形成了成套的活性炭吸附法、貧油吸收法、冷凝法油氣回收裝置；德國也在近年推出了使用膜分離技術的油氣回收成套裝置，使油氣回收技術得到了進一步發展。國內方面，黃維秋、高錫祺等考察了多種吸附劑，通過吸收解吸實驗分析了相應的熱效應情況。在考慮了自身損耗率、安全性、流動性能等方面后得出自制的吸附劑的應用效果[1,2]。 張彥新,結合理論和實踐,分析了各種油氣回收工藝線路所適合的場所并分析了多種工藝組合的工藝路線的優點[3]。黃維秋，沈泳濤等在泡沫金屬中填入活性炭制成吸附材料，計算了其導熱系數，得出了導熱系數明顯升高的結論，并通過實驗證明了自制的吸附材料有一定的降低吸附熱的作用，進而提高了活性炭的吸附量[4]。吳鋒棒等利用吸附法對加油站油氣排放處理裝置開展研發。在對吸附法油庫油氣回收裝置分析的基礎上，提出了活性炭吸附法在加油站油氣回收中的應用工藝，較好的提高了吸附的效率[5]。雖然我國上世紀就推廣建設、改建浮頂油罐儲油，很大程度上降低了油罐內油品儲藏過程中的損耗。但是，目前國內的輕質油敞口式上部裝卸車船工藝造成了大量的油品損耗及油氣污染。隨著油品收發作業、油品使用規模的迅速增加、油氣資源日益匱乏以及從安全角度考慮，加大對油氣回收技術的研制開發和推廣應用，以及研究油品蒸發損耗的預防和控制，是石油儲運和環境保護工作者一直關注的問題。

2 活性炭吸附法

2.1 工藝流程

吸附法油氣回收技術在全球范圍內的油氣回收系統中占有相當重要的位置。吸附法油氣回收的工藝流程見圖1。

利用吸附劑與烴分子的親和作用吸附油氣中的油成分，空氣放回大氣。油氣首先進入吸附灌，近全部的揮發油蒸汽可以被吸附。通過采用抽真空或蒸汽吹掃等方法解析吸附劑。利用分離罐將吸附的油氣分離，然后由吸附塔將超過60%的汽油回收。

2.2 數學模型

多孔介質吸附的數學模型關鍵在于源項的處理。守恒方程加入吸附源項可以解決多孔介質吸附及吸附過程發熱的問題。利用該數學模型計算分析材料對油品蒸發氣的吸附性能變化情況。運用數值分析的方法可以方便的探索碳基材料多孔結構中的傳輸與吸附規律。

2.2.1 質量守恒方程

質量守恒方程式流體要滿足的基本方程之一。質量守恒即流入微小單元體的質量增量與該單元體內的質量增加量相等。質量守恒方程如下：

式中：γ、ρg、ν—間隙度、密度和速度；

Sm—源項即微小體積內質量的變化率。

蒸發油氣在多孔介質中的濃度為：

式中：nm，ads—吸附質的摩爾質量；

mads—吸附劑的質量。

吸附劑的體積為

式中，活性炭填充儲罐中儲罐的體積為Yads，活性炭的體積為Ysys。

吸附劑的質量可以表示為

式中，sr以為活性炭密度。

活性炭在吸附油氣的過程中，吸附源項為：

式中：n—nm，ads；

M—油品蒸發氣的摩爾質量。

由式(2.1)和式(2.5)可得碳吸附油氣的質量守恒方程可以表示為：

2.2.2 動量守恒方程

達西定律

多孔介質的動量方程源項可化簡為達西定律：

式中：αr—滲透系數；

v—速度矢量；

μ—動力粘度。

多孔介質中的動量守恒方程為

p —壓力；

ur—速度；

活性炭動量方程包括慣性項和粘性項：

活性炭的動量源項可簡化為:

2.2.3 能量守恒方程及其能量源項

能量方程在多孔介質中主要通過時間項和對流項的處理得到:

式中：Es—固體能；

Ef—氣體能；

keff—活性炭熱導率；

3 結果與分析

依據以上數學模型采用數值方法進行模擬計算得到油氣組分隨吸附過程的變化結果見圖2。

圖2 油氣組分隨吸附過程的變化Fig.2 The change of oil gas component along with absorbing process

通過計算可以看出：

(1)改進吸附源項處理方法后，計算的精確性得到了提高。

(2)當儲罐內增加多孔介質時，流動阻力和壓縮功均有所增加，特別是在充氣過程的后期影響更加明顯。

(3)充氣壓力越高，儲罐內壓力變化越急劇，溫度場最高溫度越高。在平衡溫度相同的情況下，壓力越大，絕對吸附量越大，即活性炭的吸附量越高。在相同充氣壓力條件下，入口質量流量越大，活性炭罐內的壓力變化越劇烈，越快達到充氣的平衡壓力，絕對吸附量增加得越快，溫度場最高溫度也越高。

油氣的吸附量隨時間和溫度的變化曲線見圖3。

圖3 活性炭油氣吸附曲線Fig.3 Oil-gas absorbing curve of activated carbon

從圖3可以看出，吸附過程中的溫度的升高會帶來吸附性能的降低。油品蒸發氣流經活性炭，氣體中油分子與活性炭的結合作用要高于游離作用，使得活性炭完成對油氣的吸附。在吸附開始階段，隨著溫度的升高活性炭吸附速度較快。而隨著吸附時間的延長，溫度越高油氣組分在活性炭表面的結合作用降低，呈現出吸附率降低的趨勢。

［1］黃維秋,高錫祺,等.蒸發油汽吸收回收技術的研究[J]．石油化工高等學校學報，1999，12(2)：61-65．

［2］黃維秋，高錫祺．各類汽油蒸發同收裝置的分析和評述[J]．江蘇石油化工學院學報，1992，4(3-4)：8-15．

［3］張彥新. 油氣回收技術應用分析[J]．石油礦場機械, 2012, 4(7):97-100.

［4］黃維秋，沈泳濤，呂艷麗，白 娟，趙書華. 基于泡沫金屬的活性炭吸附油氣實驗[J]. 石油學報(石油加工),2012，27(6):972-976.

［5］吳鋒棒.吸附法加油站油氣排放處理裝置研發[J].安全健康環境，2011,11（10）:30-32.