多孔介质轻烃吸附数值研究

吴 琦, 杜 强, 张金华, 张 娜, 谷 智，徐建普

（1. 中煤科工集团重庆设计研究院，重庆 400016；2. 大庆油田有限责任公司 储运销售分公司庆哈输油大队, 黑龙江 大庆 163000；3. 哈尔滨天源石化工程设计有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150090）

石油作为当代人类能源的首要选择，随着油气资源的逐年减少以及国内外各大石油石化公司全面实施健康、安全与环境（HSE）一体化管理体系，以减少人员伤害、财产损失和环境污染，对其在开采、生产、储运及销售过程中的损耗数量的控制越来越成为石油储运专业人员研究和解决的一个重要课题。

1 研究现状

利用有效的吸附剂进行油气吸附分离，一直是国内外研究的重点。上世纪中叶，西方国家已经开始了对油品蒸发损耗进行初步探讨并采取了一定的措施控制挥发量。上世纪 80年代，中国也在这一领域展开探究。国际上比较有代表性的油气回收装置，有美国乔丹公司设计生产的回收装置，其原理就是采用活性炭变压吸附。发达国家已经开展回收油气以降低油品蒸发损耗并防止油气污染，并立法控制油气排放浓度。日美等国在当时研制了油气回收装置，形成了成套的活性炭吸附法、贫油吸收法、冷凝法油气回收装置；德国也在近年推出了使用膜分离技术的油气回收成套装置，使油气回收技术得到了进一步发展。国内方面，黄维秋、高锡祺等考察了多种吸附剂，通过吸收解吸实验分析了相应的热效应情况。在考虑了自身损耗率、安全性、流动性能等方面后得出自制的吸附剂的应用效果[1,2]。 张彦新,结合理论和实践,分析了各种油气回收工艺线路所适合的场所并分析了多种工艺组合的工艺路线的优点[3]。黄维秋，沈泳涛等在泡沫金属中填入活性炭制成吸附材料，计算了其导热系数，得出了导热系数明显升高的结论，并通过实验证明了自制的吸附材料有一定的降低吸附热的作用，进而提高了活性炭的吸附量[4]。吴锋棒等利用吸附法对加油站油气排放处理装置开展研发。在对吸附法油库油气回收装置分析的基础上，提出了活性炭吸附法在加油站油气回收中的应用工艺，较好的提高了吸附的效率[5]。虽然我国上世纪就推广建设、改建浮顶油罐储油，很大程度上降低了油罐内油品储藏过程中的损耗。但是，目前国内的轻质油敞口式上部装卸车船工艺造成了大量的油品损耗及油气污染。随着油品收发作业、油品使用规模的迅速增加、油气资源日益匮乏以及从安全角度考虑，加大对油气回收技术的研制开发和推广应用，以及研究油品蒸发损耗的预防和控制，是石油储运和环境保护工作者一直关注的问题。

2 活性炭吸附法

2.1 工艺流程

吸附法油气回收技术在全球范围内的油气回收系统中占有相当重要的位置。吸附法油气回收的工艺流程见图1。

利用吸附剂与烃分子的亲和作用吸附油气中的油成分，空气放回大气。油气首先进入吸附灌，近全部的挥发油蒸汽可以被吸附。通过采用抽真空或蒸汽吹扫等方法解析吸附剂。利用分离罐将吸附的油气分离，然后由吸附塔将超过60%的汽油回收。

2.2 数学模型

多孔介质吸附的数学模型关键在于源项的处理。守恒方程加入吸附源项可以解决多孔介质吸附及吸附过程发热的问题。利用该数学模型计算分析材料对油品蒸发气的吸附性能变化情况。运用数值分析的方法可以方便的探索碳基材料多孔结构中的传输与吸附规律。

2.2.1 质量守恒方程

质量守恒方程式流体要满足的基本方程之一。质量守恒即流入微小单元体的质量增量与该单元体内的质量增加量相等。质量守恒方程如下：

式中：γ、ρg、ν—间隙度、密度和速度；

Sm—源项即微小体积内质量的变化率。

蒸发油气在多孔介质中的浓度为：

式中：nm，ads—吸附质的摩尔质量；

mads—吸附剂的质量。

吸附剂的体积为

式中，活性炭填充储罐中储罐的体积为Yads，活性炭的体积为Ysys。

吸附剂的质量可以表示为

式中，sr以为活性炭密度。

活性炭在吸附油气的过程中，吸附源项为：

式中：n—nm，ads；

M—油品蒸发气的摩尔质量。

由式(2.1)和式(2.5)可得碳吸附油气的质量守恒方程可以表示为：

2.2.2 动量守恒方程

达西定律

多孔介质的动量方程源项可化简为达西定律：

式中：αr—渗透系数；

v—速度矢量；

μ—动力粘度。

多孔介质中的动量守恒方程为

p —压力；

ur—速度；

活性炭动量方程包括惯性项和粘性项：

活性炭的动量源项可简化为:

2.2.3 能量守恒方程及其能量源项

能量方程在多孔介质中主要通过时间项和对流项的处理得到:

式中：Es—固体能；

Ef—气体能；

keff—活性炭热导率；

3 结果与分析

依据以上数学模型采用数值方法进行模拟计算得到油气组分随吸附过程的变化结果见图2。

图2 油气组分随吸附过程的变化Fig.2 The change of oil gas component along with absorbing process

通过计算可以看出：

(1)改进吸附源项处理方法后，计算的精确性得到了提高。

(2)当储罐内增加多孔介质时，流动阻力和压缩功均有所增加，特别是在充气过程的后期影响更加明显。

(3)充气压力越高，储罐内压力变化越急剧，温度场最高温度越高。在平衡温度相同的情况下，压力越大，绝对吸附量越大，即活性炭的吸附量越高。在相同充气压力条件下，入口质量流量越大，活性炭罐内的压力变化越剧烈，越快达到充气的平衡压力，绝对吸附量增加得越快，温度场最高温度也越高。

油气的吸附量随时间和温度的变化曲线见图3。

图3 活性炭油气吸附曲线Fig.3 Oil-gas absorbing curve of activated carbon

从图3可以看出，吸附过程中的温度的升高会带来吸附性能的降低。油品蒸发气流经活性炭，气体中油分子与活性炭的结合作用要高于游离作用，使得活性炭完成对油气的吸附。在吸附开始阶段，随着温度的升高活性炭吸附速度较快。而随着吸附时间的延长，温度越高油气组分在活性炭表面的结合作用降低，呈现出吸附率降低的趋势。

［1］黄维秋,高锡祺,等.蒸发油汽吸收回收技术的研究[J]．石油化工高等学校学报，1999，12(2)：61-65．

［2］黄维秋，高锡祺．各类汽油蒸发同收装置的分析和评述[J]．江苏石油化工学院学报，1992，4(3-4)：8-15．

［3］张彦新. 油气回收技术应用分析[J]．石油矿场机械, 2012, 4(7):97-100.

［4］黄维秋，沈泳涛，吕艳丽，白 娟，赵书华. 基于泡沫金属的活性炭吸附油气实验[J]. 石油学报(石油加工),2012，27(6):972-976.

［5］吴锋棒.吸附法加油站油气排放处理装置研发[J].安全健康环境，2011,11（10）:30-32.