CN108692184A - 压缩储气法自动控制挥发性化工产品气体回收技术 - Google Patents
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Abstract
压缩储气法自动控制挥发性化工产品气体回收技术,用于化工行业挥发性液态化学产品在储运过程中产生的挥发性化学物质的回收。技术方案是:在槽车和化学品储罐之间设置一条气相平衡线,在密闭装卸槽车过程中,气体在槽车和储罐之间内部平衡,不外排;设置压缩机和压缩气体储罐,温度升高,化学品储罐内膨胀气体采用压缩机压缩入压缩气体储罐内储存,温度降低,压缩气体储罐释放压缩气体返回化学产品储罐;工艺过程采用PLC或DCS控制系统,控制系统根据化学品储罐上的压力检测信号,控制压缩机的启停和压缩气体的释放。
Description
所属技术领域
本发明涉及化工行业液态化学产品在储运过程中产生的挥发性化学物质的回收技术,适用于易燃、易爆、有毒等挥发性化工产品在储运过程中挥发物质的回收。
背景技术
1.液态化工产品的挥发
石油及其产品、煤化工产品多为液态有机化合物或其混合物,多为易燃、易爆、有毒物质,常温下蒸气压较高,易挥发,故在液态化工产品的储运过程中,存在着挥发问题。挥发不仅给企业和社会造成资源浪费,而且对环境造成污染,对人体健康造成危害,由于液态有机物的挥发造成的火灾爆炸事故直接危害人身安全。因此,应对化工产品的挥发物进行密闭回收。
液态化工产品的挥发主要发生在产品的储存和收、发过程中。
产品储存阶段:液态化工产品的储存一般采用钢储罐,在储存阶段的挥发称为静止储存损耗或“小呼吸”,主要是因受外界环境如温度、风速以及浓度的变化而引起的呼吸损耗,其中温度变化而引起气相空间的热胀冷缩是产生“小呼吸”损耗的主要原因。针对储存阶段的挥发排放问题,目前采用的主要措施是增加储罐的密封性能,储罐设置浮盘,减少储罐液体挥发表面,从而降低挥发的浓度,减少损失。
产品收、发阶段:相对于液态化工产品储存阶段,液态化工产品在收、发阶段的挥发称为“大呼吸”。主要指储罐从外界接收化工产品和将储罐内的化工产品转移到槽车的过程中,随着储罐和槽车中化工产品液位的升高,储罐和槽车内气相压力升高,储罐和槽车内气体被不断地排出储罐和槽车外。
产品收、发阶段气体排放量相对较大,排放浓度较高。目前国内采用的液态化学产品气体回收技术主要是针对产品储运过程中产生的大呼吸进行。
2.气体回收技术现状
目前,国内外,应用于储运行业的气体回收技术主要有吸收法、吸附法、冷凝法、膜分离法。应用较为成熟和广泛的是在成品油的储运过程中,即成品油的油气回收技术。
(1)吸收法
吸收法处理油气属于物理吸收,在吸收过程中油气中的各组分不与吸收剂发生化学反应,而是利用油气中各组分在吸收剂中溶解度的不同,从而将易溶于吸收剂的轻烃组分和难溶解的其他组分分离。吸收法油气处理技术是发展最早、应用最广的方法之一,包括常压常温吸收法和常压低温吸收法两种典型的方法。
吸收法技术关键是吸收剂的选择,世界各国对吸收剂的研究方兴未艾,国外基于吸收法设计的油气回收装置的专利很多,如日本专利J57162631,欧洲专利EP501054,美国专利U$3914115、U84475928、U$3981156、U$3815327、US3830074等。
20世纪80年代,洛阳石化工程公司开始对吸收法油气回收技术进行研究,先后开发了以轻柴油、低温汽油作吸收剂的油气回收装置;1996年开发了以有机溶剂作吸收剂的油气回收装置,适用于炼油厂和大中小型油库。江苏工业学院开发了AbsFOV-97(GB10593-2007)吸收剂,该产品适用于轻质油品收发、装卸、销售作业区等场所,目前已在石化企业铁路油槽车装卸区获得应用,油气回收率高于95%,装油期间装车周围大气中的总烃浓度平均降低98.1%。
吸收剂对化学气体的吸收具有选择性,不同的化学气体需要研制不同的吸收剂。吸收工艺过程较复杂,包括吸收过程和吸收剂的再生过程,工艺设备较多。
(2)吸附法
吸附法油气回收技术是利用吸附剂对化学气体(主要为烃类组分)和空气具有不同的吸附亲合力,将化学气体与空气分离,进而实现对化学气体的选择性回收。
用于油气回收的吸附法可分为两个工艺过程,第一步是吸附,含有油气组分(烃类)的空气通过充填吸附剂的吸附塔,吸附后的尾气直接排入大气。吸附效果主要取决于吸附剂的选择性、油气量以及油气浓度,储运系统常使用的吸附剂有活性炭、硅胶和活性碳纤维,目前采用最多的是活性炭吸附剂,在正常下,吸附率能够达到99%。第二步是解吸,接近饱和的吸附剂在真空泵提供的负压下脱附的烃类组分进入吸收塔,与贫汽油在吸收塔内的填料上接触传质,大部分烃类组分被吸收,输出富油,未被吸收的烃类组分返回吸附器再处理。吸附法油气回收装置一般设有2-4个吸附罐,通过“吸附-再生”的自动切换过程实现循环运行。该技术的主要特点是:尾气排放浓度低,可达到10mg/L以下;吸附剂经“吸附-再生”循环使用,损耗大、运行成本高;常用的活性炭具有吸附量较小、吸附平衡时间长、解吸较困难的特点;吸附过程的凝结热易产生安全隐患。
(3)冷凝法
冷凝法的基本原理是通过与制冷介质进行热交换,在常压下将化学气降至足够低的温度,使其中的绝大部分烃类组分冷凝为液体并加以回收,冷凝后的尾气则直接排入大气。
冷凝法采用多级连续冷却的方法,使混合油气中的烃类各组分的温度低于凝点从气态变为液态,除水蒸汽外空气仍保持气态,从而实现油气与空气的分离。多级连续冷却过程为:预冷段使混合油气降温至2~4℃,冷凝出碳氢化合物重组份和水;其后由复叠或自复叠的2~3级冷却流程,逐级降温至-35℃,-75℃,-110℃,未被凝结的尾气浓度≤25g/m3时排空,冷凝温度越低其回收率越高。
冷凝式油气回收设备采用多级复叠或自复叠制冷技术,系统流程复杂,但其投资和运行成本较低;设备布置紧凑、占用空间小、自动化程度高、维护方便、安全性好、输出为液态油可直接利用等优点。
(4)膜分离法
膜分离法是一种基于溶解扩散机理的气体分离技术,其分离的推动力是气体各组分在膜两侧的分压差,利用气体各组分通过膜时的渗透速率的不同进行气体分离。在膜分离法工艺流程中,混合气经压缩机升压后进入吸收塔,与来自外部系统的贫汽油逆流接触,混合油气中的烃类组分被吸收,未被吸收部分的油气进入膜分离器分离;膜分离器滞留侧的清洁尾气经压控阀后排入大气,膜分离器透过侧的提浓油气经真空泵升压后与进装置的油气混合,形成装置内部循环油气。
膜分离法需要比较大的内部油气循环量以满足尾气排放要求,动力设备负荷比较大,能耗高;膜在油气浓度低、空气量大的情况下,易产生放电层,存在安全隐患;压缩机防爆性能要求极高,目前只有德国、美国的少数公司能够生产;膜及组件需进口,膜的使用寿命一般为10年,成本高。
发明内容
为解决液体化工产品在储运过程中挥发排放问题,本发明提供一种工艺技术,将装卸槽车(包括汽车槽车、火车槽车、船仓)产生的排放气体(大呼吸)和存储过程中挥发排放的气体(小呼吸)全部回收。
本发明可以解决槽车运入运出的储运系统中挥发化学品的回收问题,可以解决槽车运入管道输出的储运系统中挥发化学品的回收问题,可以解决管道进出的储运系统中挥发化学品的回收问题。
一、槽车运入运出的储运系统中挥发化学品的回收技术方案
本发明解决槽车运入运出储运系统“大呼吸”排放所采用的技术方案是:在槽车和化学品储罐之间设置一条气相平衡管线,将槽车的气相空间和化学品储罐的气相空间联通,与槽车连接处设置阀门和阻火器,在化学品储罐顶设置阻火器。在气相平衡线去化学品储罐的分支管线上设置远程控制的气动(或电动)阀门,该阀门与化学品储罐物料进出口管线上气动(或电动)阀门及储罐的压力检测仪表联锁,在物料进出口管线上气动(或电动)阀门有一台开启的情况下该储罐的气相平衡线上气动(或电动)阀门即开启。气相平衡线上的气动(或电动)阀门还与该储罐的压力联锁,在化学品储罐压力达到压缩机启动条件时气相平衡线上气动(或电动)阀门开启。气相平衡管线的管径依据气体流量、管线长度、及槽车的设计压力、储罐的设计压力经计算确定。在气相平衡线的低点位置设置低点集液罐,防止气相平衡线低点积液,低点集液罐内设置潜液泵(或其它自吸泵)和远传液位计,液位达到一定高度时,开启潜液泵将集液罐内液体打入化学品储罐。在装卸槽车过程中通过气相平衡线保持化学品储罐和槽车气相空间压力平衡,装槽车过程中槽车内多余气体通过气相平衡线流入储罐,卸槽车过程中储罐内多余气体通过气相平衡线流入槽车,即消除了装卸车过程中对外界产生的“大呼吸”。
本发明解决槽车运入运出储运系统“小呼吸”排放所采用的技术方案是:设置气体压缩机和压缩气体储罐,压缩机的进气口与气相平衡管线或低点集液罐连接,压缩机出口与压缩气体储罐连接,压缩气体储罐与化学品储罐之间设置气体释放管线,连通化学品储罐的分支气体释放管线设置远程控制的气动(或电动)阀门,化学品储罐设置压力检测仪表,压力信号传送至控制系统。压缩气体储罐底部设置排液管线,凝液排入化学品储罐。
当外界温度升高,化学品储罐内气体压力随着温度的升高而上升,当化学品储罐压力达到呼吸阀(或压力调节阀)开启压力的90%~95%时,通过控制系统给气相平衡管线的气动(或电动)阀门打开信号,同时给压缩机发送启动信号,压缩机启动,同时打开压缩机出口气动(或电动)阀门,将化学品储罐内多余气体压缩到压缩气体储罐;当化学品储罐压力降至常压(或操作压力)时,控制系统给压缩机发送停机信号,同时关闭压缩机出口和气相平衡管线气动(或电动)阀门。当化学品储罐压力随着温度的下降而降低,压力降至呼吸阀进气(或压力调节阀)开启压力的90%~95%,控制系统给气体释放管线的气动(或电动)阀门开启信号,压缩气体储罐内气体,依靠与化学品储罐内气体的压差作用,气体流入化学品储罐,当储罐压力升至常压(或操作压力)时,控制系统给气体释放管线的气动(或电动)阀门发送关闭信号。当压缩气体储罐储存气体不足以补充储罐内气体压降时,呼吸阀(或压力调节阀)开启,补充罐内气体。通过对储罐内的气体压缩和压缩气体的释放消除储罐对外界产生的“小呼吸”。
1.压缩气体储罐容积确定
压缩气体储罐容积根据当地一年最大温差、化学品储罐的空罐时容积、化学品的最小储量、压缩气体储罐的设计压力综合考虑,依据理想气体状态方程PV=nRT、玻义耳-马略特定律P1V1=P2V2、查理定律P1/T1=P2/T2、盖-吕萨克定律V1/T1=V2/T2计算确定。计算过程假定大气压力恒定,假定气体为理想气体。
设定:V全为化学品罐全容积,V小为化学品罐最小体积储量,
则,化学品储罐气体空间体积V1=V全-V小,
设定:T1为当地绝对最低温度,T2为当地绝对最高温度,温度由T1→T2,在压力恒定条件下,
依据盖-吕萨克定律,则:
V2=V1·T2/T1
ΔV为温度由T1→T2体积膨胀量,则:
ΔV=V2-V1=V1·T2/T1-V1=V1·(T2-T1)/T1
Δt为当地温差,Δt=T2-T1,则:
ΔV=Δt·V1/T1
ΔV即为需要压缩的最大气体量,需要压缩的最大气体量与当地的最大温差和最小罐存时气体体积V1成正比,与当地最低温度成反比。
压缩气体储罐最大操作压力为P压,压缩气体储罐体积为V压,化学品储罐操作压力为P,根据玻义耳-马略特定律,则:
V压=ΔV·P/P压
由上式可知,所需压缩气体储罐的容积与压缩气体储罐的操作压力成反比。化学品储罐操作压力一般为常压或为微正压,即可近似0.1MPa(绝对压力)。则:
V压=ΔV/10P压
上式是当地最大温差、化学品储罐存量最小情况的最不利条件计算。建议压缩气体储罐操作压力不低于1.6MPa,则压缩气体储罐罐容为化学品储罐罐容的1.6%以下。
2.压缩机的确定
压缩机出口压力根据压缩气体储罐的最大操作压力确定,压缩气体能力按化学品储罐单位时间最大气体膨胀量确定。最大气体膨胀量按化学品储罐最大气相空间体积、当地最低温度下单位时间内最大温升确定。
设单位时间内储罐内气体最大膨胀量ΔV升,单位时间最大温升为Δt升,则:
单位时间内化学品储罐最大气体膨胀量:ΔV升=Δt升·V1/T1。
上式给出的是在当地最低温度下最大温升,化学品储罐存量为最小情况的计算公式。根据气相资料,各地最大温升在1小时内一般不超过4度。根据计算公式,1万m3的化学品储罐,根据最低温度的不同,压缩机的能力为1.5~3.0m3/min。
3.压缩气体储罐气体释放速率
在密闭条件下,化学品储罐压力会随着温度下降而降低,需要向化学品储罐补充气体维持操作压力。单位时间最大气体补充量按单位时间最大温降的最大冷缩量确定。最大气体冷缩量按化学品储罐最大气相空间体积、当地的最低温度、当地单位时间内最大温降确定。
设单位时间最大温降为Δt降,假定压力恒定,根据前面计算则体积缩小量ΔV降=Δt降·V1/T1。则单位时间内最大气体释放量为:Δt降·V1/T1。
二、槽车运入管道输出的储运系统中挥发化学品的回收技术方案
本发明解决槽车运入管道运出储运系统排放所采用的技术方案与槽车运入运出储运系统所采用的技术方案基本相同:设置一条气相平衡线和低点集液罐,设置压缩机、压缩气体储罐、气体释放管线。
1.压缩气体储罐容积确定
槽车运入管道运出的储运系统,化学品在输出时,压缩气体储罐气体储存量不足以补充化学品储罐所需气体量,需要从外界补充气体维持操作压力。
压缩气体储罐需要储存的膨胀气体,是化学品储存周期内最大温升的气体膨胀量。气体膨胀量按化学品储罐储存期间的气体空间体积、储存周期内最低温度、储存周期内最大温差及压缩气体储罐操作压力计算。
设化学品储存周期内最大温差为ΔT,气体膨胀量为ΔV,依据前面计算,则:
ΔV=ΔT·V/T,V为气相空间体积,T为储存周期内最低温度。
压缩气体储罐体积V压=ΔV/10P压,V压为压缩气体储罐体积,P压为压缩气体储罐操作压力。
2.压缩机的确定
压缩机能力的确定与槽车运入运出的储运系统压缩机确定原则一致。
3.压缩气体储罐气体释放速率
在无化学品输出时,压缩气体储罐气体释放速率与槽车运入运出的储运系统压缩气体储罐气体释放速率确定原则一致。在化学品输出时,压缩气体储罐释放气体量不足以维持化学品储罐操作压力,需要开启呼吸阀或压力调节阀保持储罐压力,即从外界吸入气体。
三、管道进出的储运系统中挥发化学品的回收技术方案
本发明解决管道进出化学品储罐系统排放所采用的技术方案是:设置气体压缩机和压缩气体储罐,压缩机的进气口管线直接与化学品储罐气相空间相连,压缩机出口与压缩气体储罐连接,压缩气体储罐出口与化学品储罐连接,气动(或电动)阀门设置与前面方案相同。
1.压缩气体储罐容积确定
压缩气体储罐容积根据当地一年最大温差、化学品储罐的空罐时容积、化学品的最大储量、压缩气体储罐的设计压力综合考虑,依据理想气体状态方程PV=nRT、玻义耳-马略特定律P1V1=P2V2、查理定律P1/T1=P2/T2、盖-吕萨克定律V1/T1=V2/T2计算确定。计算过程假定大气压力恒定,假定气体为理想气体。
设定:V1为化学品罐体积,V化为化学品罐最大体积储量,
设定:T1为当地绝对最低温度,T2为当地绝对最高温度,温度由T1→T2,在压力恒定条件下,
依据盖-吕萨克定律,则
V2=V1·T2/T1
ΔV为温度由T1→T2化学品储罐气体体积膨胀量,则
ΔV=V2-V1=V1·T2/T1-V1=Δt·V1/T1
当化学品储罐存量最大时,在当地最高温度下需要压缩的气体体积为
ΔV+V化=Δt·V1/T1+V化
ΔV+V化即为需要压缩的最大气体量,需要压缩的最大气体量与储罐体积、当地的最大温差、化学品罐最大体积储量有关。
压缩气体储罐最大操作压力为P压,压缩气体储罐体积为V压,化学品储罐操作压力为P,根据玻义耳-马略特定律,则
V压=(ΔV+V化)·P/P压
由上式可知,所需压缩气体储罐的容积与压缩气体储罐的操作压力成反比。化学品储罐操作压力一般为常压或为微正压,即可近似0.1MPa(绝对压力)。则:
V压=(ΔV+V化)/10P压
计算给出的是在当地最低温度和最高温度下,化学品储罐存量最大情况的计算。
2.压缩机的确定
压缩机出口压力根据储罐的最大操作压力确定,单位时间压缩气体能力按化学品储罐单位时间进料量和最大气体膨胀量确定。最大气体膨胀量按化学品储罐最大气相空间、当地的最低温度、当地单位时间内最大温升确定。
设单位时间内储罐内气体最大膨胀量ΔV升,单位时间最大温升为Δt升,则
单位时间内化学品储罐最大气体膨胀量:ΔV升=Δt升·V1/T1。
设单位时间进罐体积量流量为Q入,则单位时间内最大气体压缩量为:
Δt升·V1/T1+Q入
3.压缩气体储罐气体释放量
化学品储罐内产品管道送出和温度下降,需要向化学品储罐补充气体,保持化学品储罐压力维持在操作压力,单位时间内气体补充量按单位时间内化学品出罐体积流量和最大冷缩量确定。最大气体冷缩量按化学品储罐最大气相空间、当地的最低温度、当地单位时间内最大温降确定。
设单位时间最大温降为Δt降,单位时间出罐体积量流量为Q出,则单位时间内最大气体释放量为:Δt降·V1/T1+Q出
本发明的有益效果是,实现储运过程中化学气体的“零”排放,减少环境污染,降低健康危害,全自动化过程控制,设备少,工艺过程简单。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明槽车装卸储运系统带控制点的工艺流程图。
图2是本发明槽车运入管道运出储运系统带控制点的工艺流程图。
图3是本发明管道出入储运系统带控制点的工艺流程图。
图中:1.压缩机,2.压缩气体储罐,3.低点集液罐,4.潜液泵,5.化学品储罐,6.槽车,7.卸车泵,8.装车泵,9.气相平衡管线,10.装车管线,11.卸车管线,12.压缩机入口管线,13.压缩机出口管线,14.气体释放管线,15低点集液罐凝液排放管线,16.压缩气体储罐凝液排放管线,17.气动(或电动)阀门,18.阀门,19安全阀,20.单向阀,21.阻火呼吸阀,22.阻火器,23.压力变送器,24现场压力表,25.液位变送器,26.放空口,27.临时过滤器,28。鹤管,29.过滤器。
图纸虚线内是本发明流程部分,虚线外是与本发明相关的储运流程示意图部分。
在图1中,槽车(6)与化学品储罐(5),通过气相平衡管线(9)连接,在气相平衡线低点处设置低点集液罐(3),气相平衡管线去槽车分支管线,在与槽车连接处设置阻火器(22)和阀门(18),分支管线公称直径小于装卸车鹤管公称直径一个数量级;气相平衡线去化学品储罐的分支管线上合适位置设置气动(或电动)阀门(17),在与储罐连接处设置阻火器;气相平衡管线主管道的公称直径根据槽车的承压能力、化学品储罐的承压能力、气相平衡管线允许的压力损失,经水力计算确定,压降应小于化学品储罐和槽车的承压能力;气相平衡线应设置坡度坡向低点集液罐,坡度不应小于3‰。低点集液罐设置液位变送器(25),低点集液罐内设置潜液泵(4),凝液达到一定液位高度时,启动潜液泵经低点集液罐凝液排放管线(15)将液体化学品送入卸车管线(11),进入化学品储罐。
压缩机(1)通过压缩机入口管线(12)经气相平衡管线(9)与化学品储罐(5)气相空间相连,压缩机入口管线可以与气相平衡线相连,也可以与低点集液罐(3)直接相连,压缩机入口管线与气相平衡管线同径,压缩机入口管线设置阀门(18)和临时精密过滤器,坡度不小于3‰,坡向气相平衡管线或低点集液罐。压缩机出口经压缩机出口管线(13)与压缩气体储罐(2)入口相连,压缩机出口管线与压缩机出口同径,管线设置单向阀(20)和气动(或电动)阀门(17)。压缩气体储罐出口经气体释放管线(14)与化学品储罐连接,管线上设置手动阀门、气动(或电动)阀门(17)和阻火器(22),管径应保证流量,流量按当地小时最大温降差、化学品储罐最低液位时气相空间体积,依据盖-吕萨克定律V1/T1=V2/T2计算确定,根据计算流量确定气体释放管线管径。
在图1中,当化学品储罐出入口气动(或电动)阀门(17A或17B)其中一台打开,即通过控制系统打开气相平衡管线气动(或电动)阀门(17C);化学品储罐设置压力变送器(23),压力检测信号传送至控制系统,当化学品储罐压力升高至阻火呼吸阀(21)排气压力的90%-95%时,控制系统发出信号,打开气动(或电动)阀门(17C),同时开启压缩机(1),将化学品储罐内多余气体压缩到压缩气体储罐(2)储存起来,随着化学品储罐气体减少,压力降至操作压力后,控制系统发出信号关停压缩机同时关闭气动(或电动)阀门(17C);化学品储罐压力降低至阻火呼吸阀(21)吸气压力的90%-95%时,控制系统发出信号打开气体释放管线管线上气动(或电动)阀门(17D),将压缩气体储罐(2)内气体释放进化学品储罐(5),化学品储罐(5)压力升至操作压力后,控制系统发出信号关闭气体释放管线管线上气动(或电动)阀门(17D)。控制系统采用可编程控制系统(PLC)或分散型控制系统(DCS)。
在图2中,化学品由槽车运入,在卸车过程中,槽车(6)和化学品储罐(5)之间气相平衡。在化学品输出过程中,由于没有气相返回储罐,储罐需要从外界补充气体维持储罐操作压力。图2虚线内是本发明流程部分与图1本发明流程部分一致。
在图3中,化学品由管道(11)输入和管道(10)输出化学品储罐(5),没有槽车和化学品储罐(5)之间气相平衡问题,针对管道输入和管道输出的化学品储罐,本发明取消气相平衡管线,本发明其他流程与图1本发明流程部分一致。
Claims (2)
1.压缩储气法自动控制挥发性化工产品气体回收技术,在槽车和化学品储罐之间设置气相平衡管线,设置压缩机和压缩气体储罐,压缩机入口管线与化学品储罐气相空间连接,压缩机出口与压缩气体储罐连接,压缩气体储罐出口与化学品储罐连接,连接管线设置可PLC或DCS控制的气动或电动阀门,其特征是:化学品储罐气体压力升高,开启压缩机,对化学品储罐内膨胀气体进行压缩储存,化学品储罐气体压力下降,压缩气体储罐释放气体返回化学品储罐,维持化学品储罐操作压力。
2.根据权利要求1所述压缩储气法自动控制挥发性化工产品气体回收技术,化学品储罐设置压力检测仪表,压力信号传送至控制系统,压缩机入口、出口管线设置可控的气动或电动阀门,压缩气体储罐出口设置可控的气动或电动阀门,化学品储罐物料入口、出口设置可控的气动或电动阀门,其特征是:采用可编程控制系统(PLC)或分散型控制系统(DCS)实现过程的自动控制。
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