多孔介質(zhì)輕烴吸附數(shù)值研究

吳 琦, 杜 強(qiáng), 張金華, 張 娜, 谷 智，徐建普

（1. 中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院，重慶 400016；2. 大慶油田有限責(zé)任公司 儲運(yùn)銷售分公司慶哈輸油大隊(duì), 黑龍江 大慶 163000；3. 哈爾濱天源石化工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150090）

石油作為當(dāng)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(nèi)外各大石油石化公司全面實(shí)施健康、安全與環(huán)境（HSE）一體化管理體系，以減少人員傷害、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染，對其在開采、生產(chǎn)、儲運(yùn)及銷售過程中的損耗數(shù)量的控制越來越成為石油儲運(yùn)專業(yè)人員研究和解決的一個重要課題。

1 研究現(xiàn)狀

利用有效的吸附劑進(jìn)行油氣吸附分離，一直是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。上世紀(jì)中葉，西方國家已經(jīng)開始了對油品蒸發(fā)損耗進(jìn)行初步探討并采取了一定的措施控制揮發(fā)量。上世紀(jì) 80年代，中國也在這一領(lǐng)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(shè)計(jì)生產(chǎn)的回收裝置，其原理就是采用活性炭變壓吸附。發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開展回收油氣以降低油品蒸發(fā)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(dāng)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(shù)的油氣回收成套裝置，使油氣回收技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展。國內(nèi)方面，黃維秋、高錫祺等考察了多種吸附劑，通過吸收解吸實(shí)驗(yàn)分析了相應(yīng)的熱效應(yīng)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(yīng)用效果[1,2]。 張彥新,結(jié)合理論和實(shí)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(yōu)點(diǎn)[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(jì)算了其導(dǎo)熱系數(shù)，得出了導(dǎo)熱系數(shù)明顯升高的結(jié)論，并通過實(shí)驗(yàn)證明了自制的吸附材料有一定的降低吸附熱的作用，進(jìn)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(fā)。在對吸附法油庫油氣回收裝置分析的基礎(chǔ)上，提出了活性炭吸附法在加油站油氣回收中的應(yīng)用工藝，較好的提高了吸附的效率[5]。雖然我國上世紀(jì)就推廣建設(shè)、改建浮頂油罐儲油，很大程度上降低了油罐內(nèi)油品儲藏過程中的損耗。但是，目前國內(nèi)的輕質(zhì)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(fā)作業(yè)、油品使用規(guī)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(shù)的研制開發(fā)和推廣應(yīng)用，以及研究油品蒸發(fā)損耗的預(yù)防和控制，是石油儲運(yùn)和環(huán)境保護(hù)工作者一直關(guān)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(shù)在全球范圍內(nèi)的油氣回收系統(tǒng)中占有相當(dāng)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(jìn)入吸附灌，近全部的揮發(fā)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(shù)學(xué)模型

多孔介質(zhì)吸附的數(shù)學(xué)模型關(guān)鍵在于源項(xiàng)的處理。守恒方程加入吸附源項(xiàng)可以解決多孔介質(zhì)吸附及吸附過程發(fā)熱的問題。利用該數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析材料對油品蒸發(fā)氣的吸附性能變化情況。運(yùn)用數(shù)值分析的方法可以方便的探索碳基材料多孔結(jié)構(gòu)中的傳輸與吸附規(guī)律。

2.2.1 質(zhì)量守恒方程

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

式中：γ、ρg、ν—間隙度、密度和速度；

Sm—源項(xiàng)即微小體積內(nèi)質(zhì)量的變化率。

蒸發(fā)油氣在多孔介質(zhì)中的濃度為：

式中：nm，ads—吸附質(zhì)的摩爾質(zhì)量；

mads—吸附劑的質(zhì)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(zhì)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(xiàng)為：

式中：n—nm，ads；

M—油品蒸發(fā)氣的摩爾質(zhì)量。

由式(2.1)和式(2.5)可得碳吸附油氣的質(zhì)量守恒方程可以表示為：

2.2.2 動量守恒方程

達(dá)西定律

多孔介質(zhì)的動量方程源項(xiàng)可化簡為達(dá)西定律：

式中：αr—滲透系數(shù)；

v—速度矢量；

μ—動力粘度。

多孔介質(zhì)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(xiàng)和粘性項(xiàng)：

活性炭的動量源項(xiàng)可簡化為:

2.2.3 能量守恒方程及其能量源項(xiàng)

能量方程在多孔介質(zhì)中主要通過時間項(xiàng)和對流項(xiàng)的處理得到:

式中：Es—固體能；

Ef—?dú)怏w能；

keff—活性炭熱導(dǎo)率；

3 結(jié)果與分析

依據(jù)以上數(shù)學(xué)模型采用數(shù)值方法進(jìn)行模擬計(jì)算得到油氣組分隨吸附過程的變化結(jié)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(jì)算可以看出：

(1)改進(jìn)吸附源項(xiàng)處理方法后，計(jì)算的精確性得到了提高。

(2)當(dāng)儲罐內(nèi)增加多孔介質(zhì)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(nèi)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(zhì)量流量越大，活性炭罐內(nèi)的壓力變化越劇烈，越快達(dá)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(fā)氣流經(jīng)活性炭，氣體中油分子與活性炭的結(jié)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(jié)合作用降低，呈現(xiàn)出吸附率降低的趨勢。

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

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

［3］張彥新. 油氣回收技術(shù)應(yīng)用分析[J]．石油礦場機(jī)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(shí)驗(yàn)[J]. 石油學(xué)報(bào)(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(fā)[J].安全健康環(huán)境，2011,11（10）:30-32.