Потери от испарения при хранении.

Испарением называется процесс превращения жидкости в пар, происходящий со свободной поверхности жидкости.

Потери от испарения происходят главным образом при хранении в резервуарах нефти и легкоиспаряющихся нефтепродуктов, пред­ставляющих собой сложные смеси весьма большого числа индиви­дуальных углеводородных компонентов.

В процессе испарения вначале испаряются наиболее легкие фракции, в результате чего жидкая фаза постепенно утяжеляется.

В нормальных условиях резервуар представляет собой гермети­зированный, закрытый сосуд и процессы испарения в нем подчи­няются законам испарения в закрытой емкости.

Если в закрытом сосуде над поверхностью жидкости имеется свободное пространство, то оно постепенно насыщается парами этой жидкости. Физически происходит так называемый процесс массового обмена между жидкой и паровой фазой, т. е. переход вещества из одной фазы в другую. При переходе вещества из жидкой в паровую фазу происходит испарение и, наоборот, при переходе из паровой фазы в жидкую происходит конденсация. Переход веще­ства в обеих фазах происходит путем молекулярной и конвективной диффузий (проникновение). При молекулярной диффузии происхо­дит проникновение молекул из жидкости в пар (испарение) или из пара в жидкость (конденсация). При конвективной диффузии происходит перенос движущихся частиц вещества за счет тепловых воздействий. В пределах каждой фазы, где происходит интенсивное перемешивание, перенос вещества осуществляется главным образом за счет конвективной диффузии.

Между жидкой и паровой фазами существует пограничный слой, который характеризуется резким изменением концентрации распре­деляемого вещества. В области пограничного слоя перенос вещества осуществляется одновременно путем конвективной и молекулярной диффузий, причем по мере приближения к поверхности раздела фаз конвективные потоки уменьшаются и возрастает роль молеку­лярной диффузии. При установившемся процессе на границе раздела фаз наблюдается равновесие между концентрациями обеих фаз. Процесс испарения протекает во вре­мени и поэтому равновесное состоя­ние достигается не сразу, а посте­пенно.

Если испарение протекает в от­крытом сосуде, когда пары непре­рывно и полностью отводятся от по­верхности жидкости в окружающую атмосферу, то испарение совершается с постоянной и максимальной ско­ростью, и, наоборот, в закрытом сосуде (резервуаре) процесс испаре­ния с такой скоростью протекает только в начальный момент, а затем он постепенно замедляется, асимпто­тически приближаясь к нулю.

Скорость испарения — это коли­чество жидкости, испаряющейся за единицу времени; она зависит от ря­да факторов. Главным из них яв­ляется упругость паров, фракцион­ный состав и температурные изме­нения. Немаловажное значение имеет и площадь испарения, тол­щина слоя жидкости, величина коэф­фициента диффузии паров в воздух и другие факторы.

Упругость паров нефти и нефтепродуктов (давление насыщенных паров) характеризует наличие в них легкокипящих фракций, потери которых возрастают с увеличением температуры. Упругость паров определяет парциальное давление их в образующейся паровоздуш­ной смеси и, следовательно, концентрацию паров углеводородов в смеси с воздухом. На рис. 8.1 приведен график зависимости упругости паров бензина от температуры.

Фракционный состав нефтепродукта характеризует содержание отдельных фракций, обусловливающих температуру начала его кипения. Температура начала кипения t_н.к – это температура, при которой давление насыщенного пара данной жидкости равно атмосферному; она позволяет оценивать склонность топлива к испарению и, следовательно, к образованию потерь.

При хранении легкоиспаряющихся жидкостей в резервуарах различают два основных вида потерь – это потери от так называемых «малых дыханий» и «больших дыханий». Кроме того, имеются потери от «обратного выдоха», и от вентиляции газового пространства

резервуаров.

Потерями от «малых дыханий» называют потери при неподвижном хранении, возникающие в результате суточных изменений температуры. В дневное время в результате нагрева резервуара и верхнего слоя нефтепродукта увеличивается количе­ство паров и давление в герметичном резервуаре. Когда давление в резервуаре превысит расчетное давление дыхательных клапанов, происходит выпуск через них избытка паров в атмосферу.

В ночное, более холодное, время происходит обратный процесс: с понижением температуры наружного воздуха, а соответственно и резервуара происходит частичная конденсация паров, в резуль­тате чего давление в газовом пространстве падает, образуется вакуум и при вакууме ниже расчетного входит наружный воздух. Потери от «малых дыханий» еще называют потерями от термического расши­рения газовоздушной смеси. Аналогичное явление происходит и при изменении барометрического давления воздуха.

Потери от «малых дыханий» в результате температурных изме­нений газового пространства определяют:

1) при известных значениях концентрации С бензиновых паров по

формуле

2) при известных значениях давления насыщенных паров (упру­гости паров),

так как С =, по формуле

Здесь V — объем газового пространства резервуаров; С₁ = Р_y1/Р₁ и С₂ = р_у2/p₂ — концентрации паров нефтепродукта в смеси при температуре Т₁ и Т₂; р₁ и р₂ — давление в газовом пространстве резервуара, соответствующее давлению в дыхательном клапане Р₁ = Р_а — Р_{к .в} и p₂ = р_а +p_к.д.; р_а — атмосферное давление; р_к.в. — давление вакуума; р_к.д — давление избыточное; р_у1, р_у2 — упру­гость паров нефтепродукта (бензина) при температуре Т₁ и Т₂, Мб — молекулярная масса бензиновых паров (М_б = 60 + 0, 34.t_н.к.+ 0, 001t_н.к или М_б = 22, 4р); t_н.к температура начала кипения бензина; R — универсальная газовая постоянная ( = RМ_б); Т ₁ и Т₂ — минимальная и максимальная температуры газового про­странства в течение суток.

Потери от «малых дыханий» при ориентировочных расчетах с 1м³ газового пространства «атмосферных» резервуаров при изменения температуры газа на 1 °С принимают равными

а при изменении барометрического давления на 1 Па

Потери от «малых дыханий» в результате колебаний атмосферного давления в связи с малыми значениями обычно в практических расчетах не учитываются. При ориентировочных расчетах потерь от «малых дыханий» также пользуются эмпирической формулой

где G_{м.д .}— годовые потери, т/год; р_у — давление насыщенных паров при среднегодовой температуре воздуха, Па; D – диаметр резервуара, м; k_н — коэффициент, учитывающий высоту газового пространства [ k_н = 0, 175 (0, 328 Н_г + 5)^{0, 57} – 0, 1]; k₀ – коэффи­циент, учитывающий влияние окраски резервуара (для алюминиевой краски k₀ =1, для белой краски k₀ = 0, 75, для неокрашенной поверхности k₀ = 1, 25). Формула (8.3) получена для условий, когда среднесуточное колебание температуры воздуха в течение года Δ _в = 9° С. При других значениях Δ _в потери пропорционально увеличиваются или уменьшаются.

Потерями от «больших дыханий» называются такие потери, которые происходят при наполнении резервуара, из которого вытесняется паровоздушная смесь. При поступлении в резервуар нефти или нефтепродукта паровоздушная смесь сжи­мается до давления, соответствующего давлению дыхательных клапанов, затем при повышении этого давления вытесняется на­ружу – происходит «выдох». Эти потери называют также потерями от вытеснения паров наливаемой жидкостью.

Потери от «больших дыханий» за одно дыхание из «атмосферных» резервуаров определяют:

1) из резервуаров, в которых давление в газовом пространстве резервуара в начале и в конце закачки принято равным атмосфер­ному (р₁≈ р₂≈ р)

2) из резервуаров, рассчитанных на избыточное давление

где V_б – объем закачанного в резервуар нефтепродукта; С – сред­няя объемная концентрация паров нефтепродукта в смеси; p – плотность паров нефтепродукта ρ =; V₁ – первоначальный объем газового пространства;

р₁ и р₂ — начальное и конечное давле­ния газового пространства резервуаров.

При ориентировочных расчетах потерь от «больших дыханий» пользуются эмпирической формулой

где G_б.д — годовые потери, т/год; V — годовой объем реализации нефтепродукта, м3/год; р —плотность нефтепродукта, т/м3; р_у — давление насыщенных паров при среднегодовой температуре воздуха, Па; k_f — коэффициент, зависящий от оборачиваемости п резервуаров (k_f = 1 при k_f = 1 – 40; k_f = 0, 8 при п = 40 – 60; k_f = 0, 5 при п = 60 – 100).

Потерями от «обратного выдоха» называются потери от насыще­ния газового пространства «атмосферных» резервуаров.

В процессе откачки в резервуар входит воздух, который, насы­щаясь, увеличивает объем паровоздушной смеси; избыток смеси выходит наружу, т. е. происходит дополнительный «обратный вы­дох». Потери от «обратного выдоха» определяют по формуле

где р_у.к — парциальное давление паров в конце выкачки; р_у.б. — парциальное давление насыщенных паров бензина.

Практически потери от «обратного выдоха» небольшие и соста­вляют 7—12% от «больших дыханий». В среднем при расчетах их принимают равными 10% от объема потерь при «больших дыханиях».

Потерями от вентиляции называются потери, воз­никающие в результате недостаточной герметичности резервуаров; эти потери делятся на потери от выдувания и от газового сифона.

Потери от выдувания происходят в резервуарах с негерметич­ными крышами, через неплотности которых происходит выдувание паров ветром.

Наружный воздух, входя в резервуар через отверстие с наветрен­ной стороны, выходит через другое отверстие с подветренной стороны и уносит с собой пары, т. е. происходит как бы продувка паровоз­душного пространства чистым воздухом.

Потери от газового сифона происходят в тех случаях, когда один конец трубы соединен с газовым пространством, а другой конец опущен до нижней части резервуара и сообщен с атмосферой, в результате чего паровоздушная смесь выходит из резервуара наружу. Такой газовый сифон может создаться, например, в пеноподводящей трубе, не имеющей герметизирующей мембраны или при нарушении ее плотности.

Газовый сифон также образуется в случаях, когда отверстия в крыше резервуара расположены на разных уровнях. В этом случае пары нефтепродуктов, как более тяжелые, выходят наружу через нижнее отверстие, а воздух входит в резервуар через верхнее. Таким образом создается естественная циркуляция воздуха и паров.

Потери от вентиляции при наличии газового сифона определяют по формуле

где Q — секундный расход при газовом сифоне

С — концентрация паров нефтепродукта в паровоздушном простран­стве; р — плотность паров нефтепродукта; μ — коэффициент рас­хода паров при истечении через отверстие (для практических расче­тов μ = 0, 58); f — площадь отверстия; h — расстояние между отверстиями пo высоте; р_см — плотность паровоздушной смеси в резервуаре; р_в — плотность воздуха.

Для выполнения расчетов по определению потерь всех видов необходимо располагать данными о температурном режиме резер­вуаров, включая температуры газового пространства и поверхно­стного слоя нефтепродукта, изменяющиеся в зависимости от воздей­ствия наружного воздуха и солнечной радиации.

Эти температуры определяют теоретически при сравнительных расчетах эффективности и при исследованиях. Поскольку эти рас­четы достаточно сложны, на практике отдают предпочтение опреде­лению температур путем непосредственных измерений.

Определение фактических потерь нефтепродуктов в резервуарах производятся также путем непосредственных замеров. Количество выходящей из резервуара паровоздушной смеси замеряют газо­выми счетчиками, объемную концентрацию — газоанализаторами. В некоторых случаях величину потерь определяют по изменению; показателей качества нефтепродуктов в процессе хранения, т.е. изменения фракционного состава, упругости паров, плотности и т. д. Однако широкого применения этот способ не получил вслед­ствие недостаточной его точности.

Замерами в типовом наземном стальном резервуаре с бензином объемом 5000 м³ в летнее время в средней зоне были установлены, например, следующие потери: от «малого дыхания» — 100 кг/сут; от «большого дыхания» — 1 кг/м³.

Расчетные суммарные годовые потери (т/год) от испарения бензина в резервуаре объемом 5000 м³ в зависимости от оборачиваемо­сти и климатической зоны расположения характеризуются следу­ющими данными (таблица 1)

Потери при наливе железнодорожных цистерн в среднем составляют в летнее время около 0, 4 кг/м³ наливаемого бензина, что равно около 20 кг на одну цистерну объемом 50 м³.

Таблица 1

Годовые потери бензина от испарения (в т/год) в зависимости от оборачиваемости