混空輕烴燃?xì)饴饵c(diǎn)計(jì)算方法的探究

樊玉光，史冬雨，魏 嘉，張 碩

西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 （陜西 西安 710065）

改革開(kāi)放以來(lái)，隨著人口數(shù)量的增長(zhǎng)以及國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度的加快，能源供求問(wèn)題日益突顯出來(lái)，煤電油供求關(guān)系明顯趨緊。目前我國(guó)能源利用問(wèn)題主要是能源利用技術(shù)落后以及能源利用效率比較低，根據(jù)可持續(xù)發(fā)展的要求，提高能源利用率、研究發(fā)展新型能源迫在眉睫[1]。

混空輕烴燃?xì)馐怯奢p烴原料經(jīng)過(guò)工藝裝置氣化，與空氣按一定比例充分混合配制成的可燃?xì)怏w。作為我國(guó)新能源領(lǐng)域的一種新型燃?xì)?，混空輕烴燃?xì)庠谖覈?guó)的工業(yè)以及家用領(lǐng)域均有較為廣闊的發(fā)展前景。但與此同時(shí)，由于其發(fā)展時(shí)間較短，與混空輕烴燃?xì)庀嚓P(guān)的工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是露點(diǎn)的制定仍然很不完善。作為一項(xiàng)重要的燃?xì)鈪?shù)，經(jīng)濟(jì)、合理地確定混空輕烴燃?xì)獾穆饵c(diǎn)對(duì)于保證混空輕烴燃?xì)獾拈L(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及輸氣管道安全運(yùn)行具有重要的意義。

目前國(guó)家涉及露點(diǎn)描述的燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)大部分均是以天然氣為參考制定的，并且只規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)饴饵c(diǎn)在運(yùn)輸過(guò)程中的合理范圍，缺乏相關(guān)精確的計(jì)算過(guò)程，或者只有露點(diǎn)的相關(guān)檢測(cè)方法。因此，制定一套完整的混空輕烴燃?xì)饴饵c(diǎn)規(guī)范是非常必要的。

1　現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的混空輕烴露點(diǎn)計(jì)算

1.1　計(jì)算方法

在諸多標(biāo)準(zhǔn)中，目前國(guó)家只有CJT 341—2010《混空輕烴燃?xì)狻份^為詳細(xì)地規(guī)定了針對(duì)混空輕烴燃?xì)獾穆饵c(diǎn)計(jì)算，其計(jì)算方法如下[2]。

1）輕烴混空氣中氣液平衡時(shí)輕烴的蒸汽分壓按式（1）計(jì)算：

式中：P為輕烴混空氣中氣液平衡時(shí)輕烴的蒸汽分壓，Pa（絕）；γi為該組分在輕烴氣相中的體積分?jǐn)?shù)，%；pi為輕烴混合液體中該組分的蒸汽壓，Pa（絕）。

洪江市山洪災(zāi)害防治非工程措施項(xiàng)目建設(shè)實(shí)踐與體會(huì)…………………………………………………… 蔣益錢(18.10）

2）輕烴原料的蒸汽壓按式（2）計(jì)算：

式中：t為液體溫度，℃；P為t溫度下的蒸汽壓，Pa（絕）；A、B、C是與碳?xì)浠衔锓N類有關(guān)的系數(shù)，按安托內(nèi)公式的常數(shù)采用。

1.2　現(xiàn)有計(jì)算方法的局限性

1）上述計(jì)算方法實(shí)際投入使用的輕烴原料成分均較為復(fù)雜，含有很多戊烷以外的物質(zhì)，如苯、雙環(huán)戊二烯等，這些重質(zhì)組分的含量對(duì)混空輕烴燃?xì)獾穆饵c(diǎn)影響較大。而且上述計(jì)算方法既需要輕烴原料的氣態(tài)參數(shù)，又需要確定輕烴液態(tài)時(shí)混合液體各組分的參數(shù)，不僅會(huì)使計(jì)算過(guò)程變得復(fù)雜化，而且計(jì)算誤差的來(lái)源也會(huì)增多，降低計(jì)算精確度。

2）上述計(jì)算方法并沒(méi)有考慮混空輕烴燃?xì)夂那闆r。參考天然氣及人工煤氣制造運(yùn)輸規(guī)范，在實(shí)際混空輕烴燃?xì)庵圃旌瓦\(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，水蒸汽的含量會(huì)對(duì)燃?xì)獾穆饵c(diǎn)產(chǎn)生影響，不僅會(huì)提高混空輕烴燃?xì)庹w的露點(diǎn)值，而且運(yùn)輸管道中析出的液體會(huì)降低天然氣管道的輸送效率，增大輸送介質(zhì)腐蝕管道內(nèi)壁的概率，嚴(yán)重時(shí)管道中的帶液還會(huì)造成燃燒的發(fā)生，甚至爆炸。

2　相平衡常數(shù)法計(jì)算混空輕烴燃?xì)饴饵c(diǎn)

由于混空輕烴燃?xì)獾臍鈶B(tài)烴部分經(jīng)常是由多種烴類構(gòu)成的混合物，所以可以根據(jù)多組分物系露點(diǎn)的相平衡常數(shù)法進(jìn)行露點(diǎn)的計(jì)算。其原理是根據(jù)已知混空輕烴燃?xì)飧鹘M分的氣相分率以及工作壓力，依據(jù)相平衡關(guān)系以及濃度總和歸一方程，最終求解出混空輕烴燃?xì)庠谝欢▔毫顟B(tài)下的露點(diǎn)溫度。相平衡常數(shù)的計(jì)算方法及濃度總和歸一方程如下：

用（3）式計(jì)算出的相平衡常數(shù)Ki適用于中壓、液相非理想性不是很強(qiáng)的烴類系統(tǒng)。在一些精度要求不高的計(jì)算中，相平衡常數(shù)還可以通過(guò)查閱相平衡常數(shù)P—T—K列線圖得到。但是對(duì)于大部分極性物質(zhì)、大分子化合物等非理想型較強(qiáng)的系統(tǒng)，上述相平衡常數(shù)計(jì)算方法得到數(shù)值并不精確，此時(shí)相平衡常數(shù)由以下公式求得：

實(shí)驗(yàn)室用某企業(yè)提供的混合輕烴組分進(jìn)行了混空實(shí)驗(yàn)，其各組分含量如下：戊烷總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.40%，其中正戊烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.35%，異戊烷54.05%；C6及以上的重組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，C4組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60%，氣態(tài)輕烴與空氣常壓下以體積比1∶4混合，得到混空輕烴燃?xì)狻？紤]到C6以及C4組分均為少量，計(jì)算時(shí)用正己烷與正丁烷代替，并利用相平衡常數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，最終得出這種混空燃?xì)庠诔合碌穆饵c(diǎn)溫度為-7.8℃，這與CJT 341—2010《混空輕烴燃?xì)狻分袑?duì)混空燃?xì)饴饵c(diǎn)溫度在-10～-2.5℃之間的描述基本相符。

在實(shí)際操作過(guò)程中，當(dāng)空氣中水分含量超過(guò)某一值時(shí)，就會(huì)對(duì)與空氣混合后的混空輕烴燃?xì)獾穆饵c(diǎn)造成極大的影響。參考天然氣標(biāo)準(zhǔn)，管輸天然氣中水含量一般不高于300 mg/m3，在一些高含硫化氫氣田中開(kāi)采出來(lái)的含CO2、H2S的天然氣，其飽和水含量也不會(huì)超過(guò)1 000 mg/m3。由此計(jì)算當(dāng)混空輕烴燃?xì)庥刹缓嵘胶? 000 mg/m3時(shí)，露點(diǎn)提升了約2℃。查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，在含水量為100 mg/m3時(shí)，常壓下天然氣露點(diǎn)由約-160℃上升為-47 ℃左右[3-5]。

相比天然氣，混空輕烴燃?xì)馐芩康挠绊懴鄬?duì)較小，這與兩種氣體的組分不同有關(guān)，但是水含量不僅會(huì)對(duì)燃?xì)饴饵c(diǎn)產(chǎn)生影響，也會(huì)對(duì)燃?xì)獾娜紵阅墚a(chǎn)生影響。不僅影響到燃燒是否能夠持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，而且水含量過(guò)多也會(huì)降低火焰溫度，影響到工業(yè)生產(chǎn)及家庭生活使用，所以控制燃?xì)庵兴咳匀皇欠浅１匾摹?/p>

3　相平衡常數(shù)計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)

在實(shí)際油品煉制的過(guò)程中，產(chǎn)物的種類非常多。因此，作為石油煉制產(chǎn)品的副產(chǎn)物，混空燃?xì)獾囊合噍p烴原料的成分也較為復(fù)雜，同分異構(gòu)的情況非常常見(jiàn)，并且還會(huì)含有少量的重質(zhì)組分[6]。

相平衡常數(shù)法計(jì)算露點(diǎn)的方法不僅適用于組分復(fù)雜的情況，對(duì)于大多數(shù)極性或者非極性烴類化合物系統(tǒng)，均有較高的計(jì)算精度。并且同樣適用于原料含水時(shí)的露點(diǎn)計(jì)算，這是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法所不能達(dá)到的。

4　結(jié)論

1）由于混空輕烴燃?xì)庠谖覈?guó)屬于新能源領(lǐng)域，其露點(diǎn)的確定對(duì)燃?xì)獾闹苽?、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程有顯著影響。在混空燃?xì)庵苽涞倪^(guò)程中，需要綜合考慮輕烴原料成分、燃?xì)膺\(yùn)輸條件以及當(dāng)?shù)貧夂驐l件的影響，通過(guò)控制與空氣混合的比例來(lái)調(diào)節(jié)制造出混空燃?xì)獾穆饵c(diǎn)，如適當(dāng)增加混合的空氣量或者降低空氣的水分含量以降低混空輕烴燃?xì)獾穆饵c(diǎn)。若當(dāng)?shù)丨h(huán)境氣溫較低，如我國(guó)東北地區(qū)，則可考慮在輸送管道中設(shè)置保溫層以防止混空輕烴燃?xì)庖夯?/p>

2）綜合考慮各種因素的影響，經(jīng)濟(jì)合理的確定輕烴原料的組分含量以及輕烴原料和空氣的混合比例，有助于混空輕烴燃?xì)庠诠I(yè)領(lǐng)域更好地利用。

總的來(lái)說(shuō)，混空燃?xì)庠谖覈?guó)發(fā)展?jié)摿薮?，針?duì)混空輕烴燃?xì)庀嚓P(guān)參數(shù)尤其是露點(diǎn)的計(jì)算方法還有待深入研究，有助于其進(jìn)一步地推廣和使用，以促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。