利用Aspen模拟软件优化冷凝法油气回收工艺.pdf

第38卷第4期 石油与天然气化工 C H E MlC ALE NGINE ERINGOFOIL＆GAS 利 用 Aspen 模拟软件优化冷凝 法油气回收工艺 黄维秋彭群李贝贝 江苏3 - 业学院油气储运技 术省重点实验室 摘要利用A spen模拟软件研究了冷凝 法 油气回收率与 系统能耗的关系，并对 冷凝回收工 艺进行了优化。研究结果认为油气回收工艺宜设计为三段制冷工艺。 当其制冷温度依次为2℃、 一 30℃及 一 80℃时，即可以确 保国家规定的95％以上的回收率，且系统能耗几乎控制在最低； “ -3 其 制冷温度依次为2℃、 一 30℃ 及 一 120℃时，回收率可高达99．62％，而系统能耗不会 剧增 。 关键词油气回收冷凝 Aspen pl us模拟 软件 DOI10．3969／i．issn．1007 3426．2009．04．012 石油、石化、涂料、交通、电子等行业在生产、储 运、销售、使用汽油等轻质油品的过程中，存在严重 的油气排放。油气回收技术可用来控制油气蒸发排 放并回收有价值资源 。随着储油库大气污染 物排 放标准等三个国家标准 口。] 的颁布实施，国内对各 种场合油气排放将采取更实 质性 的监督及治理 ，以 满足健康、安全、环保、节能减排等方面的要求 。目 前，油气回收方法主要有吸 附法 、吸 收法、冷凝法及 膜法等，各种方法都具 有优缺点及适用范围 14J 。油 气 冷凝回收 系统V aporConden sationRecovery S ystem ，V C R S是利用制冷剂通 过热交换器 进行冷 凝分离油气和空气混合气，并可直接回收到油 品，无 二次污染，但因投资成本和运行费用较高，难以得到 推广。本文利用A spen pl u s11．1模拟软件，研究冷 凝法 油气回收率 与系统 能耗 的关系 ，并 优化 冷凝回 收工艺，进而为推广应用提供技术支撑。 油气体积分数，％ 样 品 C1 Qc 3 C亍畦nG1 一 i C亍iC亍t 一 2 一 C亍c 一 2 一 CiGn c；∑岛 一 C5 S，0．010．160．952．030．830．600．330．50 0．690．718．691．224．852．35 S0． 04 0．220．022．145．581．3 10．750．4 50．710．890．87 10．831．425。4 4 S0．000．121．594．151．38 0．941。010．550．860．9412．771．886．401．94 0．402．652．410．926．41 3．576．010．103．012．338．1 10．19 ． 0．106．93 注①表示油气中轻烃组分的体积分数之和；②表示 油气中空 气的 体积分 数之和 。 1 油气回收率影响因素行析 1．1冷凝法油气回收模型 通 过计 算比较 ，选择Aspen模拟软 件 中的PR BM 方 法作 为整个 系统的热 力 学计算方 法 ，选 用 Flash2闪蒸模型来模拟冷凝机，其进口油气参 数依 据文献[5，6] ，选取具有代表性 的四组样品s- ～ S t， 见表 1 。图1为油气冷凝回收模拟流程图。 ∑HC ① ∑Ai一 23．9Z76．08 30．6769．33 34．5365．36 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 1 4 利用 As p e n模拟软件优化冷凝法油气回收工艺 1 ． 2回收率随冷凝温度的变化 利用 As p e n模拟油气冷凝 回收过程 ， 则 As p e n 可输出各个冷凝温度下进、 出口油气的质量流量 ， 从 而根据公式 1 可计算 出对应 的油气 回收率 。图 2 为 4组油气样品回收率 随冷凝温度 t 变化曲线 。 ， 1 ， 、 { 刀 一 1 o 0 ％ 4 1 刀 一 一 上 U U l L，m 式中 G 、 G 锄 分别为冷凝器进 、 出 口油气质量 流量 ， k g ／ s ； 刁为油气质量 回收率 ， 。 由图 2可见 ， 冷凝温度 降为 一8 0 ℃以下时油气 回收率才可达 国家规定 的 9 5 以上。图 2为理论 上的理想 回收率或极限回收率。实际上 ， 考虑到“ 油 气空气” 混合气的进气流量较大 ， 其在冷凝器 中停 留时间较短 ， 再加上换热器面积有 限及存在一定 的 热阻 ， 冷媒温度一般要 比该温度低 1 0 ℃～1 5 ℃。 1 ． 3回收率随其它因素的变化 利用 As p e n进行冷凝工艺模拟 ， 设定冷凝温度 分别为 一8 O ℃、 ～6 0 ℃、 一4 0 ℃， 进行三次平行模 拟 计算 ， 分别研究进气流量 、 进气温度及进气压力对回 收率的影响。模拟输 出结果显示 ， 在各变量实际允 许的变化范围内回收率几乎不受影响 ， 因此影响油 气回收率的关键因素是冷凝温度 。 1 ． 4油气中各烃组分回收率随冷凝温度的变化 冷凝温度对各烃组分回收率 的影响曲线如 图 3 ～ 图 6 。由图可知 随烃组分碳原子数的增加 ， 油气 回收率随之增大， 并且各烃组分的 回收率几乎不受 其它组分的影响， 即油气组成几乎不影响各烃组分 各 自的 回收率。此外 ， 当冷凝 温度降为 一4 0 ℃时 ， C 以上组分绝大部分会冷凝下来； 当冷凝温度 降到 一 6 0 ℃时， C 以上组分绝 大部分会冷凝下来 ； 当温 度 降至 一1 O 0 ℃时 ， C 以上组分绝大部分会冷凝下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 8卷 第 4期 石油与天然气化工 CHEMl CAL ENGI NEERl NG OF OI L GAS 来 ， 且 C 以下组分也可达 9 0 以上的回收率 。 2冷凝回收工艺的优化 2 ． 1优化参数的确定 目前冷凝法油气 回收系统得不到推广的主要原 因是系统能耗大、 投资成本高 ， 所以优化 目的是在确 保 国家规定 的 9 5 回收率的同时 ， 控制系统能耗最 低 。 从以上研究结果得知 ， 影 响油气 回收率的主要 参数是冷凝温度 ， 且确定冷凝 系统最低冷凝温度为 一 8 0 ℃， 但是若装置设计 为一 步制冷 ， 油气直 接从 2 O ℃降为一8 0 。 C， 则压缩机制冷温差过大 ， 对压缩机 的要求很 高 ， 且冷 凝装 置总 能耗也 会非 常 高_ 7 ] 。 根据常规压缩机性能 ， 冷凝 回收工艺宜设计 为三阶 段冷凝 第一阶段为预冷， 目的是将油气中大部分水 汽冷凝下来 ， 防止由于水分结霜而使热阻增加 ， 从而 减少 回收 装置运 行 能耗 ， 所 以设 计 冷 凝 温度 为 2 ℃ ， 此时也有一小部分重烃组分冷凝 下来 ； 第 三阶段冷 凝温度设计为一8 0 。 C， 以确保 9 5 以上 的油气回收 率； 此外 ， 再增加一个中间冷凝段 即为第二 阶段 ， 以减少压缩机制冷温差 ， 同时进一步优化第二 阶段 冷凝 温度 ， 使 冷凝 装 置 总 能 耗 控 制 在 最 低 的水 平 。 三阶段油气冷凝 回收工艺模拟流程如图 7 。 2 ． 2第二阶段冷凝温度的优化分析 冷凝 器进 口油气 和空 气 的t 昆 合 气 流量根 据 文献 [ 9 ] 的计算结果确定为 4 O m。 ／ h ， 不考虑水蒸气以及 空气的冷凝能耗 ， 研究油气 回收率与装置总能耗 的 关系 。设定第一 阶段冷凝温度为 2 ℃， 第 三 阶段冷 凝温度为一8 O ℃， 装置总能耗及回收率 ， 7 随第二 阶 段冷凝温度 ￡ 的变化成抛物线状， 如图 8 、 图 9 。对 于样品 S ， 一 一3 0 ℃时， 装置总能耗最低 ， 此时 7 7 9 5 ． 4 5 9 ／ 6 ； 对 于 S 2 ， 一 ～3 O ℃ 时 ， 装 置 总 能 耗 最 低 ， 此时 7 7 9 6 ． 7 ； 对于 S 。 ， 一一3 0 ℃时， 装置总 能耗最低 ， 此 时 卵 一9 6 ． 0 5 ； 对于 S ， f 一一4 O ℃ 时 ， 装置总能耗 最低 ， 此 时 一9 4 ． 6 5 ， 而 。 一 一 3 0 ℃时装置总能耗 比一4 0 ℃时略高， 此时回收率可 达到 9 5 ． O 5 。考虑到该 四组样 品具有代表性 ， 因 此 设计为一3 O ℃较合适 ， 此时既可保证 9 5 以上 的回收率 ， 装置总能耗又控制在较低值。 3第三阶段冷凝温度的灵敏度分析 设定第一阶段冷凝温度 为 2 ℃， 第二 阶段冷凝 温度为一3 O ℃， 对第三阶段冷凝温度进行灵 敏度分 析 ， 研究进气流量为 4 0 m。 ／ h情况下 的油气回收率 与装置总能耗 的关 系， 结果如 图 1 0 。由图 1 O可看 出， 回收率与装置总能耗曲线存在转折点， 四个样 品 转折点 回收率都 为 9 9 ． 6 2 ， 对 应 冷凝 温度 为 一 1 2 0 ℃。在此转折点之前 ， 装置总能耗随油气 回收率 缓慢上升 ， 转折点之后 ， 油气 回收率增加不大 ， 而装 置 总能耗急剧上升 可见 ， 对于油气排放标准较高 下 转第 3 3 8页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 3 8 A3钢在模拟酸雨环境中腐蚀行为的研究 2 O O 9 [ J ]． 石 油与 天然气化工 ， 2 【 ] 6 ， 1 8 3 2 5 2 8 7 P o up a r d 0 ， Du m a r g u e P． I mp e d a nc e s p e c t r o s c o p y in r e i n f o r c e d c o n c r e t e P r o c e d u r e f o r mo n i t o r i n g s t e e l c 0 r r o s i o n[ J ] ． ma t e r i a l s s c i e n c e， 2 O O 3， 1 1 3 8 2 8 4 5 2 8 5 0 8 l r a s s a r E F， Bo n a v e t t i V L， Go n z 丘 l e z M ． M i c r 0 s t r u c t ur a l s t u d y 0 f s u 1 f a t e a t t a c k 0 n o r d i n a r y a n d n m e s t 0 ne Po r t l a n d c e m e n t s a t a m e n t t e mp e r a t u r e [ J ] ． ce m c o n c r Re s ．2 0 O 3 ， 3 3 1 3 1 4 1 9 U L．Sa g ue s A． Ch l o r j d e c o r r o s i 0 n t h r e s h o 1 d o f r e i n f o r c i n g s t e e lin a l k a 1 i n e s 0 l u t i 0 n c y c l i c p o l a r i z a t i o n b e h a v i 0 r [ J ] ． c o r r 0 s i o n ， 2 ] 2 ， 5 8 4 3 O 4 31 6 1 O S a mt h a n a m M ，C0 h e n D M ，01 e k J ． Ef f e c t s 0 f g y p s u m f o r ma t i o n 0 n t h e p e r f o r ma n c e 0 f c e m e nt mo r t a r s d u r i n g e x t e r n a 1 s u 1 f a t e a t t a c k[ J ] ． c e m ． c o n c r． Re s ， 2 0 o 3 ， 3 3 2 3 2 5 3 3 2 作 者 简 介 黄文章 男， 1 9 6 3 年生。副教授， 博士研究生， 主要从事金属腐 蚀与防腐 研究 。 收稿日 期 2 0 O 8 1 2 一o 8 ； 收修改稿 2 ] 8 1 2 2 0 ； _编辑 冯学军 上接 第 3 1 5页 的区域 ， 可将第三阶段冷凝温度设定为一1 2 0 ℃， 这 样在装置能耗不剧增 的情况下 ， 可以达到 9 9 ． 6 2 ％ 的高 回收率 ， 基本杜绝油气排放 ， 但此时还是要考虑 压缩机 的制冷负荷能力及深冷保温问题。 4结 论 1 研究了各种因素对油气 回收率的影响。明 确了冷凝温度是影响冷凝法油气 回收率 的关键 因 素 。 2 研究了油气 中各烃组分 回收率随冷凝温度 的变化规律 ， 确定 出了回收各烃组分所必须达到的 冷凝 温 度 。 3 冷凝装置宜设计为三 阶段冷凝工艺 ， 并对， 冷凝温度进行 了优化。其制冷 温度依次为 2 ℃、 一 3 0 ℃及一8 O ℃时， 既可确保油气 回收率达 国家规定 的 9 5 以上 ， 装置能耗又几乎控制在最低。 4 对第三 阶段冷凝温度进行 了灵敏度分析 。 当王段制冷温度依次为 2 ℃、 一3 0 ℃及 一1 2 0 ℃时， 既保证 9 9 ． 6 2 的高 回收率 ， 基本杜绝油气排放， 装 置 能耗 又不 至于 剧增 。 参 考 文 献 1 GB 2 O 9 5 O 一2 】 7 ， 储油库大气污染物排放标准[ s ] 2 GB 2 O 9 5 1 2 ] 7 ， 汽油运输大气污染物排放标准[ s ] 3 GB 2 o 9 5 3 2 O O 7 ， 加油站大气污染物排放标准[ s ] 4黄维秋 ， 钟秦．油气 回收技术分析与 比较[ J ] ． 化学工程 ， 2 [ ] 5 ， 3 3 5 5 3 5 6 5黄维秋 ， 蔡智 ， 赵书华 等．油气 吸收 回收 系统 的研究及工业应用 I 一中型试验及结果分析[ J ] ． 石油炼制 与化工 ， 2 o o 6 ， 3 7 8 4 9 5 3 6蔡智 ， 黄维秋 ， 赵书华 等．油气 吸收 回收 系统 的研究及工业应用 Ⅱ 一工业试验及效果分析[ j ] ． 石油炼制 与化工 ， 2 ] 6 ， 3 7 9 4 1 4 4 7张金 ， 王建基 ， 张兴华．冷凝式油气回收装置研究[ J ] ．石油规划 设计 ， 2 [ ] 6 ， 1 7 5 4 6 4 7 8 S e J L．，Lu C Y．，Ch a n g C Y．Re c o v e r y。 f g a s 0 l i ne v a p o r b y a c omb i ne d p r o c e s s o f t wo s t a g e d e hu mi d - f i c a t i 0 n a n d c o nd e n s a t i o n [ J ] ．J o u r n a l o f t h e C h i n e s e I n s t i t u t e 。 f C h e mi c a 1 E n g i n e e r s ， 2 O O 3 ， 3 4 6 6 O 5 6 1 6 9黄维秋 ， 彭群 ， 刘 君．加油站油气排放治理技术 [ J ] ．环 境工程 学报 ， 2 O 0 8 ， 2 1 2 收稿日 期 2 O O 8 1 2 2 3 ； 收修改稿 2 9 一o 3 一o 4 ； 编辑 杨 兰 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m