趙明婕

(中石油燃料油有限責(zé)任公司，北京 102200)

VOCs是形成高臭氧濃度的光化學(xué)煙霧和高濃度PM2.5霧霾的關(guān)鍵[1]，易引發(fā)呼吸系統(tǒng)的疾病，危害人體健康。在石油石化企業(yè)中VOCs的主要來源是儲(chǔ)罐無組織排放、生產(chǎn)裝置泄漏。我國在2011年首次提出“嚴(yán)格控制揮發(fā)性有機(jī)污染物排放”的政策要求[2]，2015年國家發(fā)展改革委在《揮發(fā)性有機(jī)物排污收費(fèi)試點(diǎn)辦法》中要求各直轄市、各省及計(jì)劃單列市環(huán)保主管部門負(fù)責(zé)征收VOCs排污費(fèi)，確定石油化工行業(yè)作為試點(diǎn)。

據(jù)此，石油石化企業(yè)無組織排放量的準(zhǔn)確核算一方面是制定企業(yè)大氣環(huán)境防護(hù)距離和保障居民健康的必要條件，另一方面也是保障企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和科學(xué)制定污染防治措施的重要前提。目前現(xiàn)行無組織排放量的核算方法有四種，分別來自美國環(huán)保署、美國石油學(xué)會(huì)、《石油庫節(jié)能設(shè)計(jì)導(dǎo)則》和中國石油化工系統(tǒng)。然而這些核算方法多樣且準(zhǔn)確度各異，同時(shí)缺少風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)防改善措施的數(shù)學(xué)模型依據(jù)，這些問題成為環(huán)評(píng)和石油企業(yè)設(shè)計(jì)過程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)[3]。本文采用數(shù)值模擬方法，結(jié)合Fluent軟件完成多相流模型和質(zhì)量傳遞模型，研究拱頂罐在不同進(jìn)油速率和不同罐內(nèi)初始濃度條件下，儲(chǔ)罐內(nèi)部油氣擴(kuò)散規(guī)律，對(duì)比二者對(duì)拱頂罐呼吸損耗的影響，為拱頂罐損耗量核算提供重要參考。

1 數(shù)值模擬模型建立

1.1 幾何模型及控制方程

應(yīng)用ICEM軟件建立如圖1所示的拱頂罐幾何模型，建立二維計(jì)算域，采用多相流(VOF)模型和RNGk-ε模型。規(guī)定水平向右為X軸正方向，進(jìn)油方向沿X軸負(fù)方向，垂直于X軸向上為Y軸正方向。拱頂罐進(jìn)油口直徑為20 cm，呼吸閥直徑為25 cm，儲(chǔ)罐直徑為23.7 m，罐高為12.7 m，拱頂曲率半徑為5.8 m，進(jìn)油口距罐底40 cm。模擬中對(duì)呼吸過程揮發(fā)的油品混合物進(jìn)行簡(jiǎn)化，設(shè)置為乙烷氣體為第一項(xiàng)，空氣為第二項(xiàng)。

圖1 拱頂罐幾何模型Fig.1 The geometric model of dome roof tank

模擬采用多相流(VOF)模型和RNGk-ε模型，其中，油罐底部裝油的流動(dòng)過程采用多相流模型計(jì)算，氣-液相界面可以通過多相流(VOF)模型中體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)性方程的計(jì)算來確定，如式(1)：

(1)

當(dāng)計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)全部是液相時(shí)，a=0，反之充滿氣相時(shí)則a=1。當(dāng)0

(2)

(3)

其中的ρ和μ由平均體積分?jǐn)?shù)確定，如下式：

ρ=αpg+(1-α)ρ1

(4)

μ=αμg+(1-α)μ1

(5)

壓力梯度會(huì)由于氣—液相界面的表面張力而存在，在平衡狀態(tài)下其數(shù)值等于動(dòng)量方程中的體積力，如下式：

(6)

式中：α為體積分率；t為時(shí)間，s；ε為重力加速度，m/s2；x為運(yùn)動(dòng)距離，m；ρ為密度，kg/m3；u為速度，m/s；fσ為體積力，N/(m3·s)；μ為動(dòng)力粘度，Pa·s；ν為運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

油罐底部裝油屬于湍流流動(dòng)，本模擬過程中利用RNGk-ε模型作為湍流方程，模型如下式，其中，常數(shù)σk=1.0；σε=1.2；Cμ=0.09；C1ε=1.44；C2ε=1.9。

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：A為氣液相界面體積，m2；K為湍動(dòng)能，m2/s2；ε為耗散率，m2/s2；σ為表面張力；GK為由于層流速度梯度而形成的湍流動(dòng)能，m2/s2；Gb為浮力形成湍流動(dòng)能，m2/s2。

1.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

選用非定常模型，重力設(shè)置為-9.8 m/s2，采用SIMPLE算法，在氣—液交界面處，引入如下式所示的用戶自定義函數(shù)(簡(jiǎn)稱UDF)的方法[6]來解決以上問題，即命名一個(gè)質(zhì)量源項(xiàng)，也就是選取氣液體共同存在的網(wǎng)格單元作為飽和油氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)層。流場(chǎng)內(nèi)全部采取結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，以Determinant 3×3×3為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)滿足進(jìn)出口質(zhì)量相對(duì)誤差小于5%，且連續(xù)性方程殘差界限設(shè)不超過10-5的條件時(shí)，即可認(rèn)為計(jì)算收斂。

(11)

(12)

式中：xoilgas為油氣的摩爾分?jǐn)?shù)；Moilgas為油氣的分子質(zhì)量，kg/mol。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模擬模型驗(yàn)證

由于本模擬忽略了外界環(huán)境溫度的變化對(duì)油品蒸發(fā)速率的影響、實(shí)驗(yàn)的環(huán)境條件等因素共同限制，不可避免地促使實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與模擬值之間存在一定誤差。但是模擬過程時(shí)間短，溫差變化較小，保證了模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。從表1不同高度時(shí)油氣體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化可知，在同一時(shí)刻油氣體積分?jǐn)?shù)都是隨高度的升高而降低。且由圖2油氣體積分?jǐn)?shù)隨距罐底高度的變化可知，縱向油氣濃度分布曲線有一個(gè)比較明顯的拐點(diǎn)，靠近油液面附近存在高濃度層，油氣濃度沿高度變化比較顯著，距離油液面較遠(yuǎn)處油氣濃度較低，但濃度隨高度變化分布均勻，符合罐內(nèi)縱向油氣體積分?jǐn)?shù)的分布基本規(guī)律[7]，說明了模型的準(zhǔn)確性。

表1 不同高度時(shí)油氣體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的模擬值Table 1 Simulated values of oil and gas volume fraction over time at different heights

圖2 油氣體積分?jǐn)?shù)隨距罐底高度的變化Fig.2 The oil and gas volume fraction at the different height from the bottom of the tank

2.2 進(jìn)油速率的影響

國外內(nèi)四種核算方法中損耗量皆隨周轉(zhuǎn)量的增大而明顯增加[8]，而進(jìn)油速率是周轉(zhuǎn)量大小的主要影響因素，由于液面高度的變化以及氣體間的存在，強(qiáng)迫對(duì)流占主導(dǎo)地位的傳質(zhì)過程[9]。因此可看出進(jìn)油速率是拱頂罐呼吸損耗量核算公式的一項(xiàng)重要參數(shù)。

模擬不同進(jìn)油速率時(shí)拱頂罐呼吸閥處油氣體積分?jǐn)?shù)變化。圖3表示進(jìn)油速度為0.01 m/s、0.02 m/s和0.03 m/s時(shí)呼吸閥處的油氣體積分?jǐn)?shù)云圖。進(jìn)油速度同為0.01 m/s，進(jìn)油時(shí)間為50 s時(shí)呼吸閥處油氣體積分?jǐn)?shù)為27%；80 s時(shí)，呼吸閥處油氣體積分?jǐn)?shù)為39%，累計(jì)時(shí)間125 s時(shí)呼吸閥處油氣體積分?jǐn)?shù)增加到45%；進(jìn)油速度為0.02 m/s，選取相同的時(shí)間點(diǎn)發(fā)現(xiàn)呼吸閥處油氣體積分?jǐn)?shù)分別為為33%、46%和50%；進(jìn)油速度為0.03 m/s，呼吸閥處油氣體積分?jǐn)?shù)分別為為42%、49%和53%。由圖4油氣體積分?jǐn)?shù)隨進(jìn)油速率的變化曲線可知，在進(jìn)油速度較小的情況下，呼吸閥處油氣體積分?jǐn)?shù)變化比較平緩，隨著進(jìn)油速度的加快，呼吸閥處油氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到飽和程度的速率也同步加快。這是因?yàn)殡S著罐內(nèi)液面的不斷升高，壓縮罐內(nèi)上部空間的混合氣，裝油過程的進(jìn)行使得呼吸閥處的油氣體積分?jǐn)?shù)不斷增加，單位時(shí)間內(nèi)壓縮的體積增多，最終達(dá)到飽和狀態(tài)。

圖3 不同進(jìn)油速率時(shí)呼吸閥處油氣體積分?jǐn)?shù)Fig.3 The oil and gas volume fraction contour at different oil inlet speed

圖4 油氣體積分?jǐn)?shù)隨進(jìn)油速率的變化Fig.4 The oil and gas volume fraction at different oil inlet speed

2.3 罐內(nèi)初始油氣濃度的影響

模擬在不同罐內(nèi)初始油氣濃度條件下拱頂罐呼吸閥處油氣體積分?jǐn)?shù)變化。如圖5表示在進(jìn)油速度為0.01 m/s，罐內(nèi)初始濃度分別為0%、15%和30%時(shí)呼吸閥處的油氣體積分?jǐn)?shù)云圖。初始濃度為15%，進(jìn)油時(shí)間為50 s時(shí)拱頂罐呼吸閥處油氣體積分?jǐn)?shù)為32%，85 s時(shí)為46%，125 s時(shí)為49%；初始油氣濃度為30%，選取相同的時(shí)間點(diǎn)發(fā)現(xiàn)拱頂罐呼吸閥處油氣體積分?jǐn)?shù)分別為45%、51%和53%。由圖6油氣體積分?jǐn)?shù)隨罐內(nèi)初始油氣體積分?jǐn)?shù)的變化可知，罐內(nèi)初始油氣體積分?jǐn)?shù)值增大，油氣體積分?jǐn)?shù)增長的速率越緩慢，這是由于罐內(nèi)初始油氣體積分?jǐn)?shù)增加，罐內(nèi)油氣體積分?jǐn)?shù)較初始濃度為0%時(shí)梯度減小，蒸發(fā)速率減緩，油氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線隨初始油氣體積分?jǐn)?shù)的升高而變緩。

圖5 不同初始油氣體積分?jǐn)?shù)時(shí)油氣體積分?jǐn)?shù)Fig.5 The oil and gas volume fraction contour with different initial oil and gas volume fraction in the tank

圖6 油氣體積分?jǐn)?shù)隨罐內(nèi)初始油氣濃度的變化Fig.6 The oil and gas volume fraction with different initial oil and gas volume fraction in the tank

3 結(jié) 論

(1)通過拱罐頂內(nèi)油氣擴(kuò)散進(jìn)行模擬，繪制油氣體積分?jǐn)?shù)隨距罐底高度變化的曲線可知，縱向油氣濃度分布曲線存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，靠近油液面附近存在高濃度層，油氣濃度沿高度變化比較顯著，距離油液面較遠(yuǎn)處油氣濃度較低，但濃度隨高度變化分布均勻。

(2)進(jìn)油速率對(duì)罐內(nèi)油氣擴(kuò)散具有明顯影響，是拱頂罐呼吸損耗量核算公式的一項(xiàng)重要參數(shù)。在罐內(nèi)初始油氣體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，進(jìn)油速率越大，罐內(nèi)液面的不斷升高，上部空間的混合氣不斷被壓縮，當(dāng)進(jìn)油速率從0.01 m/s升高至0.03 m/s時(shí)，呼吸閥處油氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%的時(shí)間從183 s縮短至80 s。

(3)在進(jìn)油速率相同時(shí)，罐內(nèi)初始油氣濃度越大，油氣濃度梯度越小，達(dá)到飽和的時(shí)間縮短，在罐頂空間內(nèi)油氣體積分?jǐn)?shù)的變化越平緩。當(dāng)罐內(nèi)初始油氣濃度從0%增加至30%時(shí)，呼吸閥處油氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%的時(shí)間從183 s減少至66 s。結(jié)合初始油氣濃度對(duì)拱罐內(nèi)油氣擴(kuò)散也具有明顯影響的情況，建議將罐內(nèi)初始油氣濃度作為拱頂罐呼吸損耗量核算公式的一項(xiàng)參數(shù)。