石油儲(chǔ)運(yùn)過程損耗分析研究

宋建英 高明 金佳佳 周師玉 徐可心

摘 要：為解決石油在儲(chǔ)運(yùn)過程的損耗問題，對(duì)石油儲(chǔ)運(yùn)過程中的損耗成因及影響因素進(jìn)行了闡述。影響石油出現(xiàn)損耗現(xiàn)象的主要因素：液體的性質(zhì)、環(huán)境條件及儲(chǔ)存罐結(jié)構(gòu)等。常用的石油儲(chǔ)罐：固定頂儲(chǔ)罐及浮頂儲(chǔ)罐，固定頂儲(chǔ)罐內(nèi)混合氣體的溫度、壓力及濃度可隨著外界環(huán)境的變化而變化，且在作業(yè)收發(fā)過程中易造成動(dòng)液面出現(xiàn)損耗現(xiàn)象;浮頂儲(chǔ)罐的多方面性能均優(yōu)于固定頂儲(chǔ)罐，可最大限度地降低“大小呼吸”產(chǎn)生的廢氣，且浮頂儲(chǔ)罐的石油蒸發(fā)損耗量較小。最終選用浮頂儲(chǔ)罐作為石油的儲(chǔ)存場(chǎng)所。

關(guān)鍵詞：石油儲(chǔ)運(yùn);蒸發(fā)損耗;損耗成因;浮頂儲(chǔ)罐

中圖分類號(hào)：TE89 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2022）02-0039-04

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的增長(zhǎng)，使石油儲(chǔ)運(yùn)量迅速提升且罐區(qū)的規(guī)模不斷擴(kuò)大。石油是一種包含多種碳、氫化合物的油狀液體，該液體在常溫條件下即可出現(xiàn)揮發(fā)現(xiàn)象及油品損耗。油品在交通密集地區(qū)的大量損耗易引發(fā)安全事故，對(duì)于大氣的污染現(xiàn)象較為明顯。對(duì)石油進(jìn)行裝車和卸車時(shí)，石油可發(fā)生蒸發(fā)、滴漏等現(xiàn)象，如何解決油品的儲(chǔ)存問題成為管理人員關(guān)注的焦點(diǎn)之一。為此本研究對(duì)石油儲(chǔ)運(yùn)過程中的損耗成因及影響因素進(jìn)行了闡述。

1 石油儲(chǔ)運(yùn)過程蒸發(fā)損耗分析及影響因素

石油屬于燃點(diǎn)較低的液態(tài)油狀物，在儲(chǔ)運(yùn)過程中易受環(huán)境溫度和壓力的影響，從而出現(xiàn)油氣蒸發(fā)擴(kuò)散、油品泄漏等現(xiàn)象。當(dāng)油品蒸汽在空氣中與其充分混合后，可發(fā)生物理反應(yīng)，并生成爆炸性混合氣體。該氣體遇到高溫環(huán)境即可發(fā)生燃燒爆炸。當(dāng)前單個(gè)油罐的容積逐漸走向大型化，一旦發(fā)生爆炸現(xiàn)象，可引發(fā)巨大的人員、環(huán)境及財(cái)產(chǎn)方面的損失[1]。

在單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)速度及蒸發(fā)率可表示為：液體從氣體界面進(jìn)入氣體空間的凈量e，其單位為kmol/s或kg/s。凈量公式[3]：

e=dmdτ

可采用菲克定律對(duì)單位面積內(nèi)氣體擴(kuò)散的通量進(jìn)行描述，其中氣體擴(kuò)散的通量為：氣體在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于濃度梯度方向上產(chǎn)生擴(kuò)散現(xiàn)象。此時(shí)液體中可供蒸發(fā)的表面積為f，則公式為：

e=dmdτ=-cDfdydzz=0

e=dmdτ=-DfRTdpdzz=0

式中：dpdz表示擴(kuò)散方向?yàn)閦時(shí)，氣體在該方向上的分壓梯度，Pa/m;dydz表示擴(kuò)散方向?yàn)閦時(shí)，氣體在該方向上的摩爾分率梯度，m-1;T為氣體溫度，K;D為分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;c為氣體濃度，kmol/m3[4]。

影響石油蒸發(fā)速度的主要因素包括：

1.1.1 液體的實(shí)際溫度

液體在蒸發(fā)過程中，其蒸發(fā)速度與溫度之間存在正比關(guān)系，若液體處于高溫環(huán)境下，隨著溫度的升高，可使液體的蒸發(fā)速度不斷加快。液體溫度與內(nèi)部分子的平均平動(dòng)動(dòng)能之間處于正比例關(guān)系變化，隨著液體溫度的不斷升高，分子的平均平動(dòng)動(dòng)能逐漸增大，該現(xiàn)象可使逸出液面的分子數(shù)增多。為克服該現(xiàn)象，需要對(duì)分子間存在的作用力進(jìn)行做功[5]。

1.1.2 液體自由表面

在氣、液兩相系統(tǒng)中，液體的蒸發(fā)速度與直接接觸的液體自由表面之間也呈正比關(guān)系。隨著接觸的液體自由表面不斷增大，可為液體分子提供逸入氣相的機(jī)會(huì)，在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入氣相的分子數(shù)越多，則表明液體蒸發(fā)的速度越大。1.1.3 液體蒸發(fā)濃度

在氣相中液體蒸發(fā)的濃度越高，可使液體分子數(shù)不斷增長(zhǎng)。隨著液體分子與液面之間接觸頻率的不斷增加，可支持液體分子重新回到液相，從而使液體的蒸發(fā)速度出現(xiàn)不斷降低現(xiàn)象。假設(shè)氣相中液體蒸汽的飽和度用S表示，液體蒸汽的飽和度與蒸發(fā)速率e之間的關(guān)系為：二者之間處于反比例關(guān)系變化，隨著液體蒸汽的飽和度不斷降低，蒸發(fā)速率處于不斷增長(zhǎng)狀態(tài)，即S越小，e越大。液體蒸汽的飽和度S的公式：

S=cAcAS=PAPAS=vAvAS

式中：cA為液體蒸氣的濃度;cAS為液體蒸氣濃度的飽和值;PA為液體蒸氣分壓;PAS為液體蒸氣分壓的飽和值;vA為液體蒸氣的分體積;vAS為液體蒸氣分體積的飽和值;S為液體蒸氣飽和度[6]。

1.1.4 混合氣體總壓強(qiáng)

為保證石油儲(chǔ)運(yùn)罐不出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象，通常情況下，在儲(chǔ)運(yùn)罐內(nèi)部留有一定空間，石油產(chǎn)生的蒸氣與上方控制混合，可形成爆炸性氣體。若外界條件均處于不變的情況下，隨著混合氣體壓強(qiáng)的不斷增大，可使氣相內(nèi)液體蒸氣分子撞擊液面的頻率與被捕獲的分子數(shù)也隨之增長(zhǎng)，最終導(dǎo)致逸入氣相的分子數(shù)變少。

1.1.5 液體種類

不同種類的液體，若分子間作用力存在較大差異，但所處的環(huán)境條件一致，也可使蒸發(fā)速率出現(xiàn)不一致現(xiàn)象。液體相對(duì)密度、分子內(nèi)聚力以及液體蒸發(fā)速率三者之間的關(guān)系為：隨著液體相對(duì)密度的不斷減小，可使液體內(nèi)各分子之間內(nèi)聚力處于降低狀態(tài)。而液體的蒸發(fā)速度會(huì)越來越大。

2 石油貯運(yùn)過程蒸發(fā)損耗成因

石油在貯存罐內(nèi)運(yùn)輸過程中，其內(nèi)部液體易出現(xiàn)蒸發(fā)損耗現(xiàn)象，使石油產(chǎn)生蒸發(fā)損耗現(xiàn)象的主要影響因素為：液體的性質(zhì)、環(huán)境條件及儲(chǔ)存罐結(jié)構(gòu)等。當(dāng)前常用的石油儲(chǔ)罐為：固定頂儲(chǔ)罐及浮頂儲(chǔ)罐。

2.1 固定頂儲(chǔ)罐及損耗成因

2.1.1 固定頂儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)

固定頂儲(chǔ)罐主要包含兩種類型：垂直和水平固定頂儲(chǔ)罐。其中垂直固定頂儲(chǔ)罐的罐體為圓柱形結(jié)構(gòu)，上端為錐形或者拱形的固定頂。垂直固定頂儲(chǔ)罐對(duì)氣體進(jìn)行排放時(shí)，通常需要通過呼吸閥，該方式屬于一種無組織氣體排放方式，易受溫度、壓力及液面高度等因素的影響。垂直固定頂儲(chǔ)罐整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

水平固定頂儲(chǔ)罐主要包含兩種類型：地下式及地上式水平固定頂儲(chǔ)罐。水平固定頂儲(chǔ)罐憑借自身承壓能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于油品需求量較小的企業(yè)，有利于安裝、拆卸及運(yùn)輸?shù)暮?jiǎn)便性。地下式水平固定頂儲(chǔ)罐內(nèi)部油氣大量損耗的原因是：對(duì)石油進(jìn)行收發(fā)過程中，石油液面的高度易出現(xiàn)變化，從而引起油氣損耗現(xiàn)象的發(fā)生。但通常情況下地下的環(huán)境條件較為穩(wěn)定，由地下環(huán)境因素而引發(fā)的油氣損耗現(xiàn)象可忽略不計(jì)[7]。

2.1.2 固定頂儲(chǔ)罐損耗成因

“小呼吸”損耗的發(fā)生過程為：太陽(yáng)出來后，外界環(huán)境的溫度不斷增高，可使儲(chǔ)罐內(nèi)氣體空間及油面溫度不斷上升，此時(shí)石油的蒸發(fā)速度隨著溫度及空間的不斷增長(zhǎng)而逐漸加快;油氣體積也隨著溫度及空間的變化而變化，該現(xiàn)象可直接影響混合氣體的壓力，使混合氣體的壓力增加。當(dāng)固定頂儲(chǔ)罐內(nèi)壓力達(dá)到所能承受的最大范圍時(shí)，固定頂儲(chǔ)罐頂部分呼吸閥被打開，油品的蒸氣可伴隨混合氣體一定排出罐外。固定頂儲(chǔ)罐對(duì)空氣的吸入時(shí)間在午后，空氣吸入流程為：當(dāng)溫度處于下降狀態(tài)時(shí)，固定頂儲(chǔ)罐上方氣體體積處于不斷收縮狀態(tài)，氣體體積收縮至一定狀態(tài)，儲(chǔ)罐真空閥打開即可吸入空氣，且油品的蒸發(fā)速度隨著油氣濃度的降低而加快。

固定頂儲(chǔ)罐在作業(yè)收發(fā)過程中易造成動(dòng)液面出現(xiàn)損耗現(xiàn)象。固定頂儲(chǔ)罐對(duì)石油進(jìn)行儲(chǔ)存時(shí)，罐內(nèi)油品液面不斷上升，使油面上方氣體空間逐漸減小、壓力隨之增大。當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到固定頂儲(chǔ)罐承受壓力的最大范圍時(shí)，打開呼吸閥呼出氣體;發(fā)油時(shí)固定頂儲(chǔ)罐內(nèi)部油面下降，此時(shí)罐內(nèi)壓力逐漸下降，打開真空閥吸入空氣，隨著混合氣體濃度的不斷降低，可使石油的蒸發(fā)速度加快，此類油品損耗現(xiàn)象可稱之為“大呼吸”損耗。

2.2 浮頂儲(chǔ)罐及損耗原因

2.2.1 浮頂儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)

浮頂儲(chǔ)罐主要用于對(duì)原油進(jìn)行儲(chǔ)存，包括外浮頂儲(chǔ)罐及內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐兩種類型。外浮頂儲(chǔ)罐的罐體結(jié)構(gòu)一般為鋼，其組成結(jié)構(gòu)為：圓柱形殼體及可浮動(dòng)浮頂。外浮頂儲(chǔ)罐內(nèi)部浮頂與石油液面之間存在的氣體空間較小，不會(huì)隨著儲(chǔ)存量的變化而變化，可有效降低油面的蒸發(fā)損耗現(xiàn)象。但是該儲(chǔ)罐的浮盤與罐壁之間存在較嚴(yán)重的密封不嚴(yán)現(xiàn)象，可造成石油出現(xiàn)污染。

內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐的構(gòu)建主要在固定頂儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)上增加浮盤，在功能上充分結(jié)合固定頂儲(chǔ)罐及外浮頂儲(chǔ)罐的優(yōu)勢(shì)，有利于降低汽油的蒸發(fā)損耗現(xiàn)象，并保證儲(chǔ)存液體不被外界環(huán)境污染。

2.2.2 浮頂儲(chǔ)罐損耗成因

浮頂儲(chǔ)罐出現(xiàn)石油損耗的根本原因：浮頂儲(chǔ)罐內(nèi)部包括浮盤結(jié)構(gòu)，隨著浮盤的上下移動(dòng)，可使浮盤與儲(chǔ)運(yùn)罐之間形成密閉空間，該空間易出現(xiàn)封閉不嚴(yán)現(xiàn)象，從而引發(fā)石油的損耗，該損耗現(xiàn)象可稱之為“小呼吸”損耗。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)部油面處于下降狀態(tài)時(shí)，部分石油粘附在儲(chǔ)罐的內(nèi)壁，該損耗現(xiàn)象可稱之為“大呼吸”損耗[8]。

通過上述內(nèi)容可知，浮頂儲(chǔ)罐的多方面性能均優(yōu)于固定頂儲(chǔ)罐，可最大限度地降低“大小呼吸”產(chǎn)生的廢氣;且浮頂儲(chǔ)罐的石油蒸發(fā)損耗量較小。

3 結(jié)語(yǔ)

由于石油在儲(chǔ)存運(yùn)輸過程中，其內(nèi)部液體易出現(xiàn)蒸發(fā)損耗現(xiàn)象，并且石油易受環(huán)境溫度和壓力的影響，從而出現(xiàn)油氣蒸發(fā)擴(kuò)散、油品泄漏等現(xiàn)象。

當(dāng)油品蒸汽在空氣中與其充分混合后，可發(fā)生物理反應(yīng)，并生成爆炸性混合氣體。該氣體遇到高溫環(huán)境即可發(fā)生燃燒爆炸，可引發(fā)巨大的人員、環(huán)境及財(cái)產(chǎn)方面的損失。為此，對(duì)石油儲(chǔ)運(yùn)過程中的損耗成因及影響因素進(jìn)行分析，最終選用性能更具優(yōu)勢(shì)的浮頂罐儲(chǔ)運(yùn)石油。

本文只研究了飽和蒸氣壓對(duì)儲(chǔ)罐蒸發(fā)損耗的影響，為更準(zhǔn)確的估算石油的蒸發(fā)損耗情況，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)石油的多種特性進(jìn)行分析。

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