油氣回收裝置系統(tǒng)改進(jìn)與系統(tǒng)熵分析

劉 亞, 余 敏, 馬 龍

(上海理工大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093)

油氣回收裝置系統(tǒng)改進(jìn)與系統(tǒng)熵分析

劉 亞, 余 敏, 馬 龍

(上海理工大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093)

冷凝法油氣回收系統(tǒng)是采用三級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng),油氣溫度通常要降到-160℃方可凝結(jié)回收.通過對(duì)油氣在其安全范圍內(nèi)進(jìn)行升壓,回收系統(tǒng)改為兩級(jí)復(fù)疊制冷,使油氣凝結(jié)溫度可上升至-124℃左右,同時(shí)對(duì)油氣回收系統(tǒng)采用熵方法進(jìn)行能耗分析,比較得到在可行性范圍內(nèi)的最小能耗.研究表明:改進(jìn)后的系統(tǒng)不僅簡(jiǎn)化了裝置,而且降低了設(shè)備投資和運(yùn)行成本.

油氣回收;防爆壓縮機(jī);制冷系統(tǒng);熵產(chǎn)數(shù)

油氣回收(vapor recovery carbon unit,VRU)是指在裝卸汽油和給車輛加油的過程中,將揮發(fā)的汽油油氣收集起來,通過吸收、吸附或冷凝等工藝的一種或兩種方法,使油氣從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài),重新變?yōu)槠?達(dá)到回收利用、減少油氣污染、消除安全隱患的目的.筆者對(duì)冷凝法油氣回收裝置進(jìn)行改造,提高對(duì)能源的利用率,減小經(jīng)濟(jì)損失,從而得到效益回報(bào),具有重要研究意義和工程價(jià)值.

1 油氣回收裝置簡(jiǎn)介

a.冷凝法

冷凝法是利用不同烴類物質(zhì)具有不同飽和溫度的性質(zhì),通過降溫使某一壓力下油氣中一些烴類溫度達(dá)到過飽和狀態(tài),冷凝成液態(tài)回收油氣的方法.一般采用三級(jí)連續(xù)冷卻方法降低油氣的溫度,使之冷凝為液體回收,但是單一冷凝法需要降到很低的溫度.

b.吸收法

根據(jù)混合油氣中各組分在吸收劑中溶解度的大小,來分離油氣和空氣.吸收法工藝簡(jiǎn)單,成本低,但是回收率較低.

c.吸附法

利用活性炭、硅膠或活性纖維等吸附劑對(duì)油氣和空氣混合氣中各組分吸附力的差別,實(shí)現(xiàn)油氣和空氣的分離.油氣通過活性炭等吸附劑,油氣組分吸附在吸附劑表面,然后再經(jīng)過減壓脫附或蒸汽脫附,收集的油氣用真空泵抽吸到油罐或用其它方法液化.其缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜,成本較高.

d.膜分離法

氣體膜分離技術(shù)是一種基于溶解擴(kuò)散機(jī)理的新型氣體分離技術(shù),其分離的推動(dòng)力是氣體各組分在膜兩側(cè)的分壓差,利用氣體各組分通過膜時(shí)滲透速率的不同,進(jìn)行氣體分離,但是投資大,并且存在安全隱患.

目前在油氣回收系統(tǒng)中用的較多的還是冷凝法,本文是對(duì)冷凝法油氣回收裝置進(jìn)行系統(tǒng)改造.

2 油氣回收裝置系統(tǒng)改造

在大氣壓下,冷凝法油氣回收裝置通常采用三級(jí)復(fù)疊制冷系統(tǒng),冷凝溫度通常要達(dá)到-160℃方可凝結(jié)回收,達(dá)到這一低溫付出的代價(jià)較大,回收成本相應(yīng)提高,屬于能耗較大的節(jié)能措施.

由油氣物性可知,大部分成分是四五個(gè)碳原子的烴類化合物,其冷凝溫度由對(duì)應(yīng)的冷凝壓力所確定.表1為油氣中不同的烴類在不同壓力下所對(duì)應(yīng)的飽和溫度,表2為烴類化合物在油氣中的體積分?jǐn)?shù).

由表1中數(shù)據(jù)可知,油氣壓力越高,相對(duì)應(yīng)的飽和溫度也越高,當(dāng)壓力從0.1 MPa上升到1 MPa 時(shí),甲烷的凝結(jié)溫度可從-163℃提高到-124℃,若忽略含量很少的甲烷和乙烯,凝結(jié)溫度可由原來的-89℃提高到-32℃.

據(jù)此原理對(duì)現(xiàn)有的油氣回收裝置進(jìn)行技術(shù)改造,采取油氣冷凝之前對(duì)其升壓的方法提高冷凝溫度.由于提高壓力的過程中會(huì)遇到油氣燃點(diǎn)和閃點(diǎn)問題,要保證安全,提高后的壓力必須避開其閃點(diǎn)范圍,汽油通常的壓比為8∶1～12∶1,所以油氣在10個(gè)大氣壓范圍內(nèi)是安全的.通過在裝置前端加裝防爆壓縮機(jī)來提高壓力,提高蒸發(fā)冷凝溫度,降低蒸發(fā)冷凝器熱負(fù)荷,使油氣回收制冷系統(tǒng)由原來的三級(jí)變?yōu)閮杉?jí)得以實(shí)現(xiàn),相應(yīng)降低了回收成本.改造后的裝置如圖1所示.

表1 油氣中烴類化合物在不同壓力下的飽和溫度Tab.1 Saturated temperature of different hydrocarbons in different pressures_℃

表2 烴類化合物在油氣中的體積分?jǐn)?shù)[1］Tab.2 Concentrations of hydrocarbon in oil and gas%

圖1 改造后的二級(jí)制冷油氣回收裝置Fig.1 Transformed two-cascade-type refrigeration gas collection device

收集好的油氣先經(jīng)過防爆壓縮機(jī)升壓后進(jìn)入第一級(jí)制冷系統(tǒng)的一級(jí)蒸發(fā)冷凝器,初步冷卻后進(jìn)入第二級(jí)制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器,油氣凝結(jié)后經(jīng)過汽液分離器進(jìn)入儲(chǔ)油罐.整個(gè)制冷系統(tǒng)為復(fù)疊式系統(tǒng)[2],第一級(jí)制冷劑為乙烯,第二級(jí)制冷劑為甲烷,乙烯經(jīng)過一級(jí)制冷壓縮機(jī)后進(jìn)入冷凝器,再過節(jié)流閥,然后進(jìn)入一級(jí)蒸發(fā)冷凝器冷卻油氣和甲烷；甲烷在經(jīng)過第二級(jí)壓縮機(jī)后進(jìn)入冷凝器,再進(jìn)入第一級(jí)制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)冷凝器進(jìn)一步冷卻,然后經(jīng)過節(jié)流閥,最后進(jìn)入二級(jí)蒸發(fā)器和油氣換熱達(dá)到凝結(jié)油氣的目的.

3 油氣回收裝置實(shí)際循環(huán)的熵分析

由圖1可知整個(gè)油氣回收系統(tǒng)為二級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng),經(jīng)過一系列的換熱達(dá)到冷凝油氣的目的,傳遞過程中存在著不可避免的熱量損失.熵是與熱力學(xué)第二定律緊密相關(guān)聯(lián)的狀態(tài)參數(shù),是研究能量品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo),反映了過程的方向性和實(shí)際過程不可逆程度的大小.

圖2和圖3(見下頁)為改造前后的復(fù)疊式制冷循環(huán)T- S圖.圖3中5′-1′為一級(jí)制冷劑壓縮過程,1′-3′為一級(jí)制冷劑冷卻過程,3′-4′為一級(jí)制冷劑節(jié)流過程,4′-5′為一級(jí)制冷劑初步冷卻經(jīng)防爆壓縮機(jī)升壓后的油氣,同時(shí)冷卻二級(jí)制冷劑甲烷的過程；5-1為二級(jí)制冷劑壓縮過程,1-7為二級(jí)制冷劑在冷凝器中的冷卻過程,7-3為二級(jí)制冷劑在一級(jí)蒸發(fā)冷凝器中的冷卻過程,3-4為二級(jí)制冷劑節(jié)流過程,4-5為冷凝油氣的過程.由圖3可知,完成循環(huán)還要有冷源和熱源,從熱源吸熱和對(duì)冷源放熱是不可逆過程,就必定伴隨著熵的變化.將整個(gè)油氣回收系統(tǒng)、冷源和熱源看作一個(gè)孤立體系,整個(gè)體系的熵產(chǎn)存在于與外部的換熱以及壓縮機(jī)的散熱損失,即一級(jí)冷凝器與外界的換熱、一級(jí)蒸發(fā)冷凝器與油氣的換熱、一級(jí)壓縮機(jī)的散熱損失、二級(jí)冷凝器與外界的換熱、二級(jí)蒸發(fā)器與油氣的換熱、二級(jí)壓縮機(jī)的散熱損失.根據(jù)熱力學(xué)第二定律,孤立體系的熵產(chǎn)為[3]

式中,ΔSzf、ΔSln為蒸發(fā)器、冷凝器熵產(chǎn),kJ/(K· S)；ΔSjl、ΔSys為節(jié)流、壓縮散熱熵產(chǎn),kJ/(K·S).

將復(fù)疊式制冷系統(tǒng)看作是一個(gè)整體,是介于低溫?zé)嵩春透邷責(zé)嵩粗g的二級(jí)復(fù)疊式制冷循環(huán).將整個(gè)制冷循環(huán)的放熱量和吸熱量看做整體,此時(shí)孤立體系的熵產(chǎn)為

式中,Q1、Q2為吸熱量和放熱量,kJ/S；T1、T2為平均吸熱和放熱溫度,K；TH、TL為高溫和低溫?zé)嵩雌骄鶞囟?K；ΔSxt為系統(tǒng)熵產(chǎn),kJ/(K·S).

由于復(fù)疊式制冷循環(huán)是一完整的循環(huán),所以ΔSxt為0.

引入無因次熵產(chǎn)數(shù)[4]

式中,m為油氣的質(zhì)量流量,kg/s；cp為10個(gè)大氣壓下油氣第一級(jí)冷卻時(shí)的比定壓熱容,取cp= 0.368 2 kJ/(kg·k).

改造后兩級(jí)制冷油氣回收裝置的熵產(chǎn)數(shù)分別為

式中,m1、m2為一二級(jí)制冷裝置制冷劑的質(zhì)量流量,kg/s；T′、T″為一二級(jí)蒸發(fā)冷凝器冷卻油氣時(shí)油氣的平均放熱溫度,K；T0為環(huán)境溫度,K；hi為圖2和圖3(見下頁)中對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的焓值.為比較起見,原油氣回收裝置的熵產(chǎn)數(shù)經(jīng)整理后,得到

式中,m01、m02、m03為一二三級(jí)制冷油氣回收裝置的制冷劑的質(zhì)量流量,kg/s；T01、T02、T03為一二三級(jí)蒸發(fā)器冷卻油氣時(shí)油氣的平均溫度,K.

圖2 三級(jí)復(fù)疊式制冷T- S圖Fig.2 TheT- S figure of two-cascade-type refrigeration

圖3 兩級(jí)復(fù)疊式制冷T- S圖Fig.3 TheT- S figure of two-cascade-type refrigeration

根據(jù)計(jì)算得到油氣回收裝置在不同壓力下的系統(tǒng)熵產(chǎn)數(shù)Ns,原三級(jí)油氣回收裝置的系統(tǒng)熵產(chǎn)數(shù)Ns(未經(jīng)升壓處于大氣壓0.1 MPa)與加裝防爆壓縮機(jī)后的兩級(jí)油氣回收裝置的系統(tǒng)熵產(chǎn)數(shù)Ns(壓力0.3～1 MPa)比較如表3和圖4所示

由表3和圖4可以得到,在復(fù)疊式油氣回收制冷系統(tǒng)中蒸發(fā)冷凝器壓力越高,對(duì)應(yīng)溫度相應(yīng)升高,偏離環(huán)境的溫差越小,熵產(chǎn)越??；1 MPa時(shí)兩級(jí)復(fù)疊制冷系統(tǒng)熵產(chǎn)數(shù)約為原油氣回收裝置在0.1 MPa下的三級(jí)復(fù)疊制冷系統(tǒng)熵產(chǎn)數(shù)的50%,大大降低了能耗；油氣回收裝置通過升壓由原來的三級(jí)復(fù)疊式制冷改為兩級(jí)制冷,不僅降低了系統(tǒng)設(shè)備的初投資,而且使運(yùn)行成本也隨之下降.

表3 不同壓力下油氣回收系統(tǒng)熵產(chǎn)數(shù)Tab.3 Entropy production number of oil and gas recovery system in different pressure

圖4 不同壓力下油氣回收系統(tǒng)的熵產(chǎn)數(shù)Fig.4 Entropy production number of oil and gas recovery system in different pressure

4 結(jié) 論

對(duì)現(xiàn)有的油氣回收制冷裝置進(jìn)行技術(shù)改造,在油氣回收系統(tǒng)前加裝防爆壓縮機(jī),提高油氣壓力,相應(yīng)提高了冷凝溫度,使得油氣回收系統(tǒng)由原來的三級(jí)復(fù)疊制冷變?yōu)閮杉?jí),計(jì)算得到提高壓力降低了油氣回收系統(tǒng)的熵產(chǎn),且壓力越高,熵產(chǎn)越小.事實(shí)表明,在安全范圍內(nèi)壓力的提高降低了能耗和熵產(chǎn)數(shù),簡(jiǎn)化了回收裝置,降低了整個(gè)油氣回收系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本,符合當(dāng)前節(jié)能減排的方針國(guó)策.

[1] 趙志偉,杜凱.冷凝法油氣回收技術(shù)中心的油氣冷凝特性分析[J].流體機(jī)械,2009,37(9):67-70.

[2] 張祉祐,石秉三.制冷及低溫技術(shù)[M].1版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981.

[3] 沈維道,蔣智敏,童鈞耕.工程熱力學(xué)[M].3版.北京:高等教育出版社,2001.

[4] 傅秦生.能量系統(tǒng)的熱力學(xué)分析方法[M].1版.西安:西安交通大學(xué)出版社,2006.

Improvement of oil recovery system and its entropy analysis

LIUYa, YUMin, MA Long
(School of Emergy amd Power Emgimeerimg,Umiversity of Shamghai for Sciemce amd Techmology,Shamghai 200093,Chima)

At present,the three-cascade-type refrigeration system is usually used to condense the recovered oil,by which the gaseous oil is normally condensed until the temperature reaches -160℃.In the article,the recovery system was improved by adopting two-stage cascade refrigeration through increasing the pressure within its security range.The oil condensed temperature can rise to-124℃around.The minimum energy consumption of system was achieved in the possible range by using the entropy analysis on the oil recovery system.The improved system can simplify the device and also reduce the investment and operation cost.

vapor recovery；explosiom-proof compressor；refrigeratiom system；mumber of emtropy productiom

TK 124文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1007-6735(2011)05-0495-04

2011-01-12

上海市寶山區(qū)產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(CXY-2010-12)

劉 亞(1986-),男,碩士研究生.研究方向:強(qiáng)化傳熱與節(jié)能.E-mail:19861026liuya.226@163.com

余 敏(聯(lián)系人),女,教授.研究方向:強(qiáng)化傳熱與節(jié)能技術(shù)、熱力系統(tǒng)與設(shè)備優(yōu)化.E-mail:usstyuminm@yahoo.com.cn