毕 业 设 计（论 文）  

 

 

 

油气回收用活性炭罐的设计

与系统三维模拟

 

 

 

 

 

 

                                       2007 年6月21日·北京

北京石油化工学院

学位论文电子版授权使用协议

论文《油气回收用活性炭罐的设计与系统三维模拟》系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。

本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。

本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。

注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。

 

院系名称：机械工程学院

作者签名：    李磊   

学    号：  030726   

2007年6月21日

北 京 石 油 化 工 学 院

毕 业 设 计 （论 文）任 务 书

 

学院（系）  机械工程学院   专业  环境工程  班级  环03-2 班 

学生姓名        李 磊     指导教师/职称     陈家庆 / 教授  

 

1. 毕业设计（论文）题目

油气回收用活性炭罐的设计与系统三维模拟

2.任务起止日期： 2007 年 3 月 5 日 至 2007 年 7 月 6 日

3.毕业设计（论文）的主要内容与要求（含原始数据及应提交的成果）

 (1) 题目简介与主要内容

因石油石化工业油品蒸发损耗所造成的光化学环境污染在国内日趋严重，必须对油气排放进行控制。在众多的油气回收处理技术当中，基于吸收-吸附的处理技术在油库等大周转量场合应用最为普遍，如美国Jordan Technologies、丹麦Cool Sorption A/S 等公司的商业化产品都是基于上述工作原理。北京石油化工学院环境工程系通过消化吸收相关工艺技术，已经委托国内相关厂家加工制造了一套吸收-吸附汽油油气回收处理装置。本题目将在查阅大量国内外文献的基础上，了解国内外各种吸收-吸附油气回收工艺的流程特点，对本校所建实验装置的整体流程进行三维实体模拟，在此基础上对其中的关键设备活性炭床进行结构设计。

 (2) 原始数据

处理量：300m3/h；入口油气含油浓度：80%(V)；外排油气混合物含油浓度：<5%(V)；容器设计压力0.2/-0.1MPa；容器设计温度164/-29℃；吸附周期15min。

(3) 应该提交的成果

①查阅文献：中文文献不少于10 篇，英文文献不少于2 篇；②开题报告或文献综述；③不少于2 万字符的英文文献原件及其翻译后的A4 打印件；④用C 语言编写的相关设计过程程序；⑤有关固定式活性碳吸附床的设计图纸：手绘1 张A0 装配图，机绘1 张A0 装配图以及全套零件图；⑥有关全套实验系统的三维实体模型；⑦按照校方规定格式的毕业设计(论文)装订本。

4.主要参考文献

（1）陈家庆编著.石油石化工业环保技术概论.北京:中国石化出版社,2005年10月.

（2）姜春明,李俊杰,张卫华,黄贤滨.吸附法油气回收装置的研发与应用.安全、健康和环

境,2006,6(2):3-5.

（3）David L.Gibson.Return circuit for vapor recovery system.United States Patent

No.5871568,Feb.16,1999.

（4）张宏,孙禾.油气回收系统在石油库的应用.石油库与加油站,2004,13(3):32-34.

（5）杜华章,毕加宾,张庆征,姜志兵.地下水封岩洞原油库油气处理方案的探讨.石油工程建

设,2006,32(4):23-25.

（6）朱世勇.环境与工业气体净化技术.北京:化学工业出版社,2001:502～530.

（7）全国压力容器标准化技术委员会.钢制压力容器.1998.

（8）张方瑞,于鹰宇,韩冰.UGNX 入门精解与实战指导.北京:电子工业出版社,2003.

5.进度计划及指导安排

第01 周 —— 接受题目，校内文献查阅，着手撰写文献综述；

第02 周 —— 校外文献查阅，翻译与本题目有关的英文资料，撰写文献综述；

第03 周 —— 撰写修改文献综述，按照规定格式上交Word 打印版，准备开题报告；

第04 周 —— 学习活性炭吸附法工艺流程方面的知识，绘制本校所建系统的工艺流程图；

第05 周 —— 进行本校所建系统的三维实体模拟；

第06 周 —— 进行本校所建系统的三维实体模拟；

第07 周 —— 进行活性炭床的总体结构设计和尺寸设计；

第08 周 —— 用C 语言编写活性炭床结构设计计算程序；

第09 周 —— 修改总体结构设计，考虑各个零部件的具体结构，进行相应的强度计算；

第10 周 —— 计算机绘制装配图和主要零件图；

第11 周 —— 计算机绘制装配图和主要零件图；

第12 周 —— 手工绘制装配图；

第13 周 —— 完善整套系统的三维实体模拟工作；

第14 周 —— 完善整套系统的三维实体模拟工作；

第15 周 —— 撰写毕业论文，并输入计算机；

第16 周 —— 整理资料，修改图纸与论文，准备按照规定时间上交毕业论文；

第17 周 —— 根据评阅教师及指导教师的意见，进一步修改图纸与论文，准备答辩；

第18 周 —— 整理资料，进行毕业答辩。

 

任务书审定日期    年   月   日   系（教研室）主任（签字）                    

任务书批准日期    年   月   日   教学院（部、系）院长（签字）                

任务书下达日期    年   月   日   指导教师（签字）                            

计划完成任务日期     年   月   日   学生（签字）                                                              

摘    要

石油及其产品在加工和储运过程中产生的蒸发损耗是困扰石油和环保行业的重要难题。如果不采取措施，对人们的健康、经济和环境都将产生严重的影响，因此推广和采用油气回收技术是十分迫切和重要的。

本文阐述了吸附法、冷凝法、吸收法、膜分离法等四种油气回收技术的基本原理，对基于吸附法的油气回收工艺进行了较为系统的分析。根据设计要求选择了一种适于吸附法油气回收系统的活性炭材料。对活性炭吸附法油气回收系统的主体设备——活性炭罐进行了设计计算，并进行了强度校核。还绘制了环境工程系实验室活性炭吸附法油气回收系统的流程图，并对该套系统进行了三维模拟。最后对活性炭油气回收技术进行了经济技术分析，认为应用活性炭吸附法油气回收系统将带来明显的社会效益，环境效益及经济效益，有着广泛的应用前景。

 

关键词：油气回收，活性炭，吸附，烃类VOCs，三维模拟

Abstract

The oil vapor loss during the petroleum producing, storing and transporting processes has been a serious problem in petroleum industry and environmental protection for a long time. It is urgent to develop and popularize the technology of oil vapor recovery, otherwise, there will be lots of harms to the health of people, the financial and the environment.

In this paper, the principle of oil vapor recovery is illustrated for four kinds of technologies which are suitable for liquid oil products of delivery, i.e., adsorption, refrigeration, absorption and membrane separation. Different processes based on adsorption are compared and analyzed systematically. According to the requirement of the design task, a kind of activated carbon was selected which has outstanding performance on the activated carbon adsorption process. We still design the activated carbon bed, which is the critical part of activated carbon adsorption system for oil vapor recovery, and check the strength of the equipment. We still draw the flow chart and execute the three-dimensional simulation of the activated carbon adsorption oil vapor recovery syetem constructed in the department of environmental engineering. At last we analyse the feasibility of the activated carbon adsorption technology. The application of the system will not only decrease the inherent fire accident and environmental pollution brought by the oil vapor, but also pay back user high economic benefits from recovering valuable resources, and it has a broad foreground.

 

Key words：oil vapor recovery, activated carbon, adsorption, hydrocarbon volatile compounds(VOCs), three-dimensional simulation

目录

第一章前  言

1.1油气回收的意义

1.2油气蒸发途径

1.3挥发油气的成分

1.4油气挥发的危害

1.5油气回收方法

1.6本文所进行的工作

第二章活性炭吸附法油气回收技术

2.1美国Jordan Technologies公司

2.2美国John Zink公司

2.3美国Symex Americas公司

2.4丹麦Cool Sorption A/S公司

2.5国内工程应用情况

第三章环境工程系烃类VOC污染控制实验平台

3.1实验平台组成

3.2系统防爆、防静电及防雷措施

3.3工艺流程

3.4系统三维实体模拟

第四章吸附与吸附剂

4.1吸附的机理

4.2吸附剂的种类及应用

4.3活性炭吸附剂

4.4活性炭的吸附热

4.5活性炭吸附床压降

第五章活性炭吸附床的设计

5.1活性炭吸附装置

5.2固定式活性炭吸附床的设计计算

5.3制造、检验与验收

第六章计算机辅助设计

6.1AUTOCAD绘图

6.2C语言编程

6.3活性炭吸附法油气回收系统流程图

6.4三维实体模拟

第七章活性炭吸附法经济技术分析及发展前景

7.1活性炭吸附法油气回收技术经济技术分析

7.2活性炭吸附法油气回收技术的展望

参考文献

致    谢

附    录

声    明

第一章                                   前  言

1.1       油气回收的意义

原油和轻质油品含有大量的轻烃组分，这些轻烃组分具有很强的挥发性。在开采、炼制、储运、销售及使用过程中，由于受到工艺、技术及设备的限制，不可避免的会有一部分液态烃因汽化而逸入大气，造成严重的油品蒸发损耗。油品蒸发损耗涉及到石油、石化、交通等诸多领域，已经成为这些领域急需解决的安全、节能、环保难题之一。油品蒸发损耗及降耗技术一直是国内外石油储运工程、化学工程及环境工程工作者都十分关注的一个多学科交叉的重点研究课题[1]。

油气挥发不仅经济损失巨大，挥发的汽油还会形成城市上空的光化学烟雾，造成环境污染。同时，对石化企业工作人员的身体健康造成损害。

随着国民经济的发展，国家对油气的排放已经开始进行有序的管理。商务部制订的《成品油批发、仓储企业经营管理技术规范（2005年征求意见稿）》中，要求油气回收装置尾气排放执行《大气污染物综合排放标准》（GBl6297-l996），非甲烷总烃最高允许排放浓度为120mg/m3。

防止油品蒸发损耗对环境污染的方法可分为四种：一是加强管理，完善制度，改进操作措施；二是抑制油品蒸发排放，如内浮顶罐的大量推广应用；三是焚烧油气；四是进行油气回收。显然第二种方法对大量的车船装卸作业及固定顶罐收发作业很难有所作为，而第三点是不经济的。可见在当今油品收发作业日益频繁及能源日益紧张的情况下，在加强管理的同时，开展油气回收工作是非常必要的。

 

表1.1 各国/地区油气排放标准

国家/地区	法规	排放标准	要求回收率（%）
美国	国家环保署（EPA）标准	35g/m3	94～97
欧盟	European Stage Ⅰ-Directive（94/63/EC）	35g/m3	94～97
德国	TI AIR （section 2.3 and 3.1.7）	0.15g/m3	99.99
日本	行政指导（通常不详细说明）		90

1.2       油气蒸发途径

石油及其产品产生蒸发损耗的主要方式有[2]：

① 储存时的蒸发损耗

如静止损耗（即温差引起的小呼吸损耗）、储油罐开口及附件不严密或损坏导致油气直接泄漏造成的损耗（即自然通风损耗），以及收发油损耗（即大呼吸损耗）。

② 运输过程中的蒸发损耗

油料运输主要有铁路油罐车运输、汽车油罐车运输、油船运输和管道运输。管道运输基本上没有油品蒸发，其它运输方式在运输过程中，油料随运输工具的运动而不停的晃荡，使油品上方的油气达到饱和。当外界环境温度上升时，大量油气就随气体的呼出而进入大气；当外界环境温度下降时，新鲜空气进入储油器时油料就会继续蒸发。

③ 加油时的蒸发损耗

当油罐（或其它储油容器）收油时，油品液面不断上升，罐内混合气体被压缩而使压力不断升高，当气体空间的压力大于压力阀的控制值时，压力阀打开，混合气体逸出罐外，从而产生蒸发损耗。当油罐向外发油时，油面下降，罐内气体空间压力下降。当压力下降到真空阀控制值时，罐外空气吸入罐内，罐内油品蒸气浓度下降，而油品蒸气的下降又促使油面蒸发。当停止发油时，随着蒸发的进行，罐内压力又逐渐升高，不久又将出现向罐外呼气的现象。

1.3       挥发油气的成分

据统计，油气挥发排放物中的化合物多达450多种，一般以沸点120℃以下的烃类VOCs为主[3]。表1.2为其中部分VOCs的成分列表[4]。

 

表1.2 挥发油气中的部分可能烃类VOCs的成分列表

类别	成分
直链烷烃类 支链烷烃类 环烷烃类 直链或支链烯烃 含氧烃类 芳香烃类	正戊烷 正已烷 正庚烷 异戊烷 2，3-二甲基丁烷 2-二甲基戊烷 3-二甲基戊烷 2，2-二甲基戊烷 环戊烷 甲基环戊烷 环己烷 1，1-二甲基环戊烷 3-甲基-1-丁烯 1，3-丁二烯 1-戊烯 2-甲基-1-丁烯 1-己烯 甲基叔丁基醚（MTBE）乙基叔丁基醚（ETBE） 苯 甲苯 二甲苯 异甲苯 1，2，4-三甲苯 1，3，5-三甲苯

1.4       油气挥发的危害

⑴威胁人类健康，污染环境

油气对人体健康的直接影响主要是对中枢神经系统的麻醉作用。因其具有去脂作用，使细胞内类脂质平衡发生障碍，严重时可引起皮炎和湿疹，油气对造血系统的慢性作用视其芳香烃含量而定。在汽油顶部喷溅式装车的下风侧，油气浓度偶尔很高足以引起急性中毒，轻度中毒者感到头晕、头痛、恶心、呕吐、心慌、全身无力，严重中毒者则可能因意志丧失、反射性呼吸停止而死亡。

油气不仅作为一次污染物对环境产生直接危害，而且还是城市中光化学烟雾的主要诱因之一。油气中的挥发性有机物会在太阳紫外线的作用下与大气中氮氧化物发生光化学反应，生成毒性更大的光化学烟雾。光化学烟雾是当代各国一种普遍而难以治理的大气污染物，它包含有臭氧、氧化氮、醛类、过氧乙酰基硝酸酯（PAN）等多种有毒的氧化性物质[4]。

⑵浪费资源

油气的任意排放不仅对人类健康和环境有影响，另一方面还造成资源的浪费。随着经济的发展和人民生活水平的提高，原油、汽油及其它轻质石油产品（如石脑油、苯系物、各种轻烃）的产量及消耗量将有较大的增长，而且它们从油田→炼油厂→用户的周转环节繁杂，其损耗量及带来的经济损失十分惊人。按全国目前原油的年使用量2.5×108 t估算，全国原油和成品油的总损耗量将达到7.5×106 t/a以上，相当于一个大油田和炼油厂的采炼量，价值3×1010 RMB以上。

⑶油品质量下降

由于油品蒸发损耗的物质主要是油品中的轻烃组分，因此油品蒸发损耗不仅造成油品数量损失，还将造成油品质量下降。其中汽油随着轻馏分的蒸发损耗，汽油的初馏点和10%点将会升高，汽化性能将会变坏，即汽油的启动性能变差。此外每当汽油蒸发损失达1％时，辛烷值将会降低1个单位，使汽油发动机工作性能变坏，加速汽油氧化，增加汽油胶质。

⑷危及石油储运安全

油库和加油站的特点决定了它是一个容易发生重大恶性事故的地方。近几年发生在我国的油库、加油站的爆炸事故已屡见不鲜。全国有县市级以上的油库5000多家，大大小小的加油站更是数以万计。由于绝大多数油库、加油站未对油气进行有效处理，因此造成严重的安全隐患。

据实地检测，在油库给槽车加注90#汽油到一半时，槽车口浓度已达40%vol（1226g/m3）以上，这远高于国家规定的作业现场空气中油气的最高允许浓度35g/m3。如果这时槽车口上方有任何一点火星或静电就不可避免的会发生爆炸。

图1.1 加油站火灾事故的统计图

 

从图1.1中我们可以看出加油站的火灾爆炸事故中，因油气挥发造成的事故发生概率最高。由此可见在加油站安装油气回收装置对安全生产管理的必要性。

1.5       油气回收方法

到目前为止，油气回收方法有2类，即油气管道系统方案和专用设备方案[2]。

1.5.1        油气管道系统方案

采用密闭装卸车（船）、加油设备，将作业过程中排出的油气用管线送回储油罐（固定顶罐），并把各储油罐相连通，形成“油出去，气回来”（卸车过程则流向相反）的平衡系统，平衡不了的油气集中高空放空。该法只能用于拱顶罐，对于我国普遍采用浮顶罐的情况不太适用。该方案操作费用低、能耗少、投资小，可作为新建油库的一种方案选择。但该方法油气回收效果不佳，不能达到相关的排放标准。

1.5.2        专用设施方案

专用设施方案就是把产生的油气用管道输送到油气回收专用设备进行回收。该方案需用专用设备，有一定的费用投入，包括购置、管理、维护、操作、能耗等费用。按工作原理分为以下5种形式：

⑴吸收法

吸收法一般仅限于汽油蒸气的回收，其工艺流程见图1.2。吸收分离过程是通过混合气与液体吸收剂接触，气体中的一种或几种组分便溶解于吸收液中，不能溶解的组分则保留在气相中，于是混合气体得以分离。这种方法对吸收剂要求严格，吸收剂性能的好坏成为吸收法分离油气的关键。吸收液通常是煤油或专用吸收液，此工艺方法回收效率偏低，对于环保要求较高时，很难达到允许的油气排放标准[6]。

 

图1.2 吸收法吸收油气流程图

 

目前吸收过程有两种典型方法，即常压常温吸收法和常压冷却吸收法。

①常压常温吸收法

该方法是在常温常压下，吸收剂与混合油气接触使油蒸气被吸收的一种方法。吸收装置是利用填料塔使从下方进入的混合油气与从上部流下的吸收液进行对流接触，从而达到吸收的效果。这种方法要求气液接触吸收率高、压力损失小，而且吸收剂在向下流动过程中要防止产生静电以及吸收剂发泡。常压常温吸收法有两种油气回收类型：

一种回收类型是富气吸收剂可以再生，吸收分离装置可视为一个独立完整的系统。该类型系统使用范围广泛，但对吸收剂的性能要求严格。如果能够筛选或开发出性能良好易于再生的吸收剂，这种方法就可以得到推广。

另一种回收类型是富气吸收剂回炼油厂装置加工处理，也就是说吸收了油气的吸收剂只能使用一次，因此限制了使用范围。但对于炼油厂内部生产过程中，我们可以直接使用与油气相适应的成品油作为吸收剂，吸收剂在吸收了油气后直接返回装置进行回炼，工艺简单，不需要特殊的设备。因此可在炼油厂的成品灌区、原料灌区、装油栈桥等区域广泛应用。

②常压冷却吸收法

该方法是利用制冷设备将吸收剂冷却到低温，然后送到吸收塔对混合油气进行喷淋。由于吸收剂温度较低可省略吸收的轻组分的气提操作，因此吸收剂一般可直接使用产品汽油。但是为了达到良好的回收效果，吸收剂的温度要控制在-30℃左右，所需要的制冷系统较复杂，吸收装置的设备也要有特殊的要求，因此该类装置的投资较大，推广应用较难。

⑵吸附法

吸附法是用多孔固体介质（吸附剂）将油气中的烃类组分捕获聚集在其表面，从而实现与空气的分离，分子量越大的气体越容易被吸附。达到饱和的吸附剂通过加热解吸或者降压解吸进行再生，再生出来的烃类气体用溶剂进行吸收，从而使烃类组分得到回收。

⑶冷凝法

冷凝法油气回收装置是利用各种烃类VOCs在不同温度和压力下具有不同的饱和蒸汽压，采用多级连续冷却的方法来降低挥发油气的温度，使油气中的轻烃组分凝聚为液体，从而排出洁净空气的一种油气回收方法。

油气经过预冷器，温度降到4℃左右，使油气中的大部分水汽凝结为水而除去（使进入低温冷却器的气体状态稳定，减少装置的运行能耗），然后油气进入一级冷却器冷却到约-40℃，再进入二级冷却器冷却到约-73℃，经过一、二级冷却可以使大部分挥发性有机物冷凝成液体回收。排放的贫油空气中的油气浓度能够达到35mg/L（每装1L油所排放的挥发性有机化合物为35 mg）的标准。如果要求排放的贫油空气中的油气浓度更低，如20mg/L或10mg/L，则需要对油气进行三级冷却。三级冷却采用液氮制冷，使油气温度降到-184℃，在此温度下99%的挥发性有机化合物可以得到回收，但投资费用将大幅增加。冷凝下来的油水混合物经过分离罐分离，油品通过泵送回储罐，污水排入污水处理系统。

凝法虽然初期投入较少，但对于越来越严格的排放要求，迫使这类系统不得不追加投入以满足新的需求。其昂贵的维护费用也限制了其大面积的使用，在美国采用冷凝法进行油气回收的装置仅占全部油气回收装置的15%。

⑷膜分离法

由于油气和空气混合物中的烃类分子与空气分子的大小不同，从而使它们在某些薄膜中的渗透速率差异极大，膜分离法就是利用薄膜的这一物理特性来实现烃类物质与空气的分离（如图1.3所示）。

 

图1.3 膜分离原理示意图

 

图1.4 德国GKSS膜组件结构图

 

膜模块由一系列并联安装于管路上的膜组件构成。真空泵在膜的另一侧产生真空造成膜两侧的跨膜压差，跨膜压差使烃蒸汽优先透过膜。因此膜可将烃蒸汽、空气分成两股物流：含有少量烃类的截留物流和富集烃类的渗透流。净化的截留物流浓度低于排放标准可以排入大气，渗透流循环至压缩机入口，与流入的蒸汽混合形成富集进料物流，进行循环处理。

 

图1.5 GKSS膜组件装配图

 

图1.6 加油站膜法油气回收系统

 

膜法油气回收系统的回收率可达99%以上，加油站膜法油气回收系统的尾气排放浓度可控制在35g/m3以内，油库、炼油厂膜法油气回收系统的尾排浓度可控制在10g/m3以内，均可达到欧美标准。作为一种新的油气处理技术，与其他传统技术相比，膜分离的最大优点在于其工作过程清洁、操作维护简单、运行费用低、占地面积小，应用范围广泛。但由于膜技术的高度垄断使该类油气回收装置的前期投资费用较大，从而限制了其广泛的使用。

⑸联合运用

如果所处理的油气中烃类浓度较高、流量较大或者油气排放要求严格，则可以用上述几种基本油气回收方法的组合来进行油气回收。典型的组合方法有吸收/膜分离/吸附组合、冷凝/吸附组合以及吸收/吸附组合。

(a) 吸收/膜分离/吸附组合工艺

吸收/膜分离/吸附组合（如图1.7所示）是为满足德国严格的环保要求（见表1.2）而开发的油气回收工艺。该工艺由三部分组成：第一部分为液环压缩机与吸收塔构成传统的吸收工艺；第二部分为膜分离工艺；第三部分是变压吸附（PSA）工艺，根据不同的排放要求，第三部分可选。油气经压缩机增压后送入吸收塔用汽油吸收，从吸收塔顶流出的饱和油气/空气混合物流进入膜分离单元，进一步回收其中的烃类组分。

 

图1.7 吸收/膜/吸附组合油气回收工艺流程图

 

该流程充分发挥了各种工艺的优点。首先，利用压缩/冷凝、吸收工艺将原料气压力升高，这样既可以借助吸收工艺回收其中的部分油气，也为吸收和膜分离操作创造了有利条件。因为压力越高，吸收的效果越好；同时膜是以压差为推动力的，膜的进料压力和渗透压力相差越大越有利于膜的分离操作。经过前两个单元处理后，由膜尾气侧排出的物流油气含量已经低于10g/m3，可以满足欧洲94/63/EC 排放标准（35g/m3）。如果在膜单元后接入变压吸附单元，利用其低尾排的特点，可将尾气浓度进一步降低。由于大部分的油气在进入变压吸附前已经被回收，会使变压吸附单元的负荷大大降低，从而降低PSA的投资和维护成本，提高其使用寿命，最终使整个油气回收流程得以优化。

在国内，大连欧科公司在采用膜与其他技术耦合的工艺进行油气回收方面处于领先的位置。该公司在2004年与德国BORSIG公司创建国内第一家以膜法油气回收为主的专业性公司——大连欧科力德环境工程公司。该公司在成立当年就在中石化上海灵广加油站安装了国内第一套膜法回收装置，该装置每年可多回收0.3%的汽油，排放标准可达到35g/m3的国际标准。目前该公司还在建立国内第一套每年20吨万加油平台的油气回收系统。

(b) 吸附/冷凝工艺

在某些特定场合，例如无法持续提供吸收液或者希望回收的产品能够准确计量，则可采用吸附/冷凝工艺。该工艺与吸附/吸收组合工艺的主要不同在于使用直接接触冷凝器取代液体吸收塔作为高浓度油气回收设备。John Zink公司的吸附/冷凝工艺（ADCONTM）（如图1.8所示）就是该类型油气回收装置的典型代表。

图1.8 John Zink公司的吸附/冷凝工艺（ADCONTM）

 

(c) 吸附/吸收组合工艺

目前应用于工业生产中的吸附/吸收组合工艺实际上是将活性炭吸附法和溶液吸收法相结合的工艺（下文简称为活性炭吸附法）。活性炭吸附法油气回收装置一般包括三个单元：变压吸附单元、分离罐和吸收塔。

 

图1.9 活性炭吸附法油气回收流程图

 

如图1.9所示。油气首先进入吸附器，烃类物质被活性炭吸附，贫油空气由吸附器上部的排放口排出。通常采用真空解吸使吸附于活性炭的烃类物质在真空状态下挥发，解吸时所需的真空压力取决于装置允许的油气排放浓度。解吸产生的饱和油气通过分离罐分离，分离后的油气进入汽油吸收塔与成品汽油传质后，约70%的油气被汽油吸收，吸收后的尾气再进入吸附罐。

活性炭吸附法中，活性炭选择是很重要的基本步骤。从现有的常规吸附剂分析，活性炭及其改进型具有非极性的表面结构特点，为疏水性和亲有机物质的吸附剂，因此特别适宜于从气体或液体混合物中吸附回收有机物，但活性炭存在寿命问题，而且在吸附油成分的后有较大的温度升高，易形成过热面自燃，存在安全隐患。近几年国内外又不断有许多性能良好的活性炭改进型吸附剂开发问世。

1.6       本文所进行的工作

在本文中笔者将进行下列工作：

⑴简单介绍国内外的活性炭吸附法油气回收系统的特点、应用状况；

⑵介绍吸附、活性炭相关知识，在此基础上对活性炭进行设计选型；

⑶对活性炭床进行设计、校核，并用C语言编程进行相关计算；

⑷绘制活性炭罐及其零件图纸（机绘、手绘）；

⑸绘制环境工程系实验室活性炭吸附法油气回收系统的流程图；

⑹对环境工程系实验室的活性炭吸附法油气回收系统进行三维实体模拟；

⑺对活性炭吸附法油气回收技术进行技术经济分析。

第二章                                   活性炭吸附法油气回收技术

活性炭吸附法油气回收技术是当前世界上油气回收行业经济效益最高、应用最为广泛的的技术之一，美国、日本、欧洲都有相应的设备供应商，其中美国的Jordan Technologies公司、Symex Americas公司、John Zink公司，丹麦的Cool Sorption公司等四家公司处于国际领先地位。下文将对这四个公司的活性炭吸附技术及活性炭吸附法油气回收技术国内工程应用情况做一个简单的介绍。

2.1       美国Jordan Technologies公司

20世纪80年代初，美国的Jordan Technologies公司开始为美国的大型工业企业提供环境控制设备的维护服务；90年代初，开始被美国环保署（EPA）授权对美国国内市场不同制造商的油气回收设备进行检测工作。1993年，该公司根据所掌握到的其他制造商的油气回收装置的优缺点，并结合多年对油气回收装置的维护、跟踪服务经验，开始自行开发、生产油气回收设备。1995年研制成功了第一套工业化油气回收设备，并申请了一系列相关专利。

 

图2.1 Jordan Technologies 公司油气回收系统实物图（北京大兴黄村油库）

 

 

图2.2 Jordan Technologies 公司油气回收系统工艺流程图

 

如图2.2所示，该公司的工艺流程为：油气混和物首先通过凝液分离罐，把携带的凝液分离出来，从而避免液态汽油进入处于吸收状态的活性炭罐。然后油气进入处于吸附状态的活性炭罐，其中的烃类组分被吸附在活性炭表面，而净化后的空气则由活性炭罐顶部的出口排向大气。两个活性炭罐按照特定时间在吸附和再生状态的间交替切换，再生方式为液环式真空泵真空脱附和空气吹扫。液环式真空泵对再生活性炭抽真空到绝对大气压10kPa以下，吸附在活性炭空隙中的烃类组分被解吸。为了保证活性炭床中的油气尽可能解吸彻底，在后期引入少量空气对炭床进行吹扫。当脱附过程完成后，通过工艺管线上的控制阀门使活性炭罐内的压力逐步恢复至常压，然后系统控制活性炭罐至下一个吸附过程。由于吸附油气是一个放热过程，故吸附油气时活性炭床层温度会升高。因此在此活性炭床层又上、中、下多个测温点，当层温升至一定值时控制系统报警，必要时自动切换到另一活性炭罐工作，或关闭油气进口阀门以确保安全。活性炭脱附油气为吸热过程，床层温度会下降。

液环式真空泵中的乙二醇闭路循环，一方面为真空泵提供液封，另一方面还能取走压缩油气产生的热量而冷却真空泵。从液环式真空泵出来的气液混合物进入一个气/液分离罐（或乙二醇分离器），专利设计的旋风分离与标准的重力分离相结合，可以防止乙二醇中凝结的液态汽油的过量积聚。分离罐设置有液位高低报警连锁，当液位超过高限时排油泵启动，液位过低时补液电磁阀自动打开。在分离罐中封液与富油气分离，封液进入换热器被汽油冷却下来后循环使用，富油气则进入装有填料的吸收塔。进入吸收塔的油气与罐区泵送而来、并从吸收塔顶部喷淋而下的常温贫油（汽油）逆流接触而被吸收，含有少量油气的尾气从塔顶返回活性炭罐入口，与新产生的油气会合后进入活性炭罐再次被吸附。吸收了烃类组份后的富油气从气/液分离罐中分离的汽油一起循环至换热器起冷却换热作用后再被泵送回汽油储罐。

该公司的活性炭吸附法油气回收系统的油气回收率可达99%以上，净化后气体的排放浓度低于10mg/L。

2.2       美国John Zink公司

美国John Zink公司早在1983年就申请了活性炭吸附法油气回收的美国专利，该公司的真空再生活性炭吸附工艺也简称为ADABTM。

 

图2.3 John Zink油气回收装置实物图

 

如图2.4所示，与Jordan Technologies公司的流程相比，John Zink公司的油气回收系统的独到之处在于将气液分离罐和吸收塔合为一体。分离器安装在液环式真空泵的出流端，浓缩油气与液环式真空泵所用封液的分离不是靠机械作用，而是靠自身的物理性质进行分离。油气、已经浓缩成液体的油气和封液各自占三相分离区的上，中，下部空间。上方的油气直接通过顶部的可拆卸连通管和吸雾网进入吸收塔，三相分离器下部的封液由封液循环泵送入冷却器中，温度降至进入真空泵以前的温度后继续循环使用。封液冷却器通常为管壳式换热器（封液走壳程），也可采用表面空气冷却器或蒸汽散热器。

 

图2.4 John Zink油气回收装置流程图

 

2.3       美国Symex Americas公司

美国Symex Americas公司油气回收系统（如图2.5所示）最大特点是在于其活性炭吸附剂再生所用的真空设备为一台或多台干式螺杆真空泵，因此该系统也称为干式活性炭吸附系统（DryVAC™ VRS）。液环式真空泵工作时要负责高浓度油气传送和封液循环两方面的动力，由于其中大部分流体为液态，因此运行所需要的能量要明显高于干式螺杆真空泵，循环等量油气时高约30%～35%。干式螺杆真空泵能在全天候状态下工作，每处理1ft3的油气只消耗0.0028～0.0043kw.h的能量。此外，干式油气回收系统不需要设置分离循环封液和油气的设备，因此占地面积较 小。

图2.5 Symex Americas公司油气回收系统实物图

 

干式螺杆真空泵的特殊设计使其运行温度很低（通常不超过40℃），可通过可编程控制器（PLC）控制转速，将功耗直接与烃的组分的解吸量联系在一起，这也把吸附剂过热的风险几乎降低为零。干式螺杆真空泵在烃类组分浓度升高后，能自行处理掉泵中的液滴。

Symex Americas公司采用专门适用于干式工艺的特殊成型活性炭，具有大面积的内部空隙，有效地提高了活性炭床的吸附效率。通过使炭床所承受的压降最小化，减少了活性炭床破碎的机率。

 

图2.6 Symex Americas公司油气回收装置工艺流程图

 

该公司干式油气回收系统可以吸附的烃类包括：链烃、烷烃类（如乙烷，丙烷，丁烷等）、环烃类（如苯，甲苯，二甲苯，环乙烷等）及混于载气（如空气、氮气）中的有机溶剂（如甲醇，丙酮等）。

2.4       丹麦Cool Sorption A/S公司

丹麦Cool Sorption A/S公司成立于1982年，是欧洲油气回收技术和相关设备生产制造的开拓者，该公司已经在世界各地安装运行了200多套油气回收系统。该公司的活性炭真空再生吸附工艺（简称CVA）如图2.7所示，该工艺与John Zink公司的流程相似，采用液环式真空泵，气/液分离器与吸收塔也是合为一体。

 

图2.7 丹麦Cool Sorption A/S 公司油气回收装置实物图

 

图2.8 丹麦Cool Sorption A/S 公司油气回收装置工艺流程图

2.5       国内工程应用情况

面对国内庞大的油气回收市场，前面介绍的各大公司纷纷以代理或成立合（独）资公司的方式在国内推广其油气回收设备。

美国Jordan Technologies公司目前在我国的知名度最高，我国国内工业化的活性炭吸附法油气回收系统很多都是来自于该公司。2004年，Jordan Technologies公司在北京独资注册了乔扬科技发展有限公司，该公司产品已经应用于上海石油销售公司杨浦油库、北京石油销售公司黄村油库、燕山石化公司炼油厂、上海石油销售公司闵行油库，取得了很好的油气回收效果。本设计中的相关参数及数据就是参考了燕山石化公司炼油厂和黄村油库的活性炭吸附法油气回收系统的相关参数。

乌鲁木齐石化总厂曾经进口了一套丹麦Cool Sorption公司的活性炭吸附法油气回收系统，但迄今未见使用效果的公开报道。2003年10月，丹麦Cool Sorption公司和中国蓝星集团联合成立了合资公司——蓝星库索深公司，开始全面进军国内油气回收市场。

2006年2月，美国Symex Americas公司在通过其在中国代理商——海湾石油设备（北京）有限公司，中标长辛店油库（中石化华北最大油库）的油气回收系统工程。长辛店油库总投资2.4亿RMB，一期储油量22万m3、二气储油量34万m3，日发油量5000t，年发油量285万t。油气回收处理能力为700m3/h，排放限制在258mg/L以内（实际可达到<10mg/L）。

在活性炭油气回收设备方面我国与西方国家的差距较大。在引进国外先进设备的同时，我国部分科研单位和企业自主研发了活性炭吸附法油气回收系统，掌握了相关技术，为早日结束国外产品在国内市场的垄断地位做出了贡献。2006年2月，位于“中国光谷”武汉东湖新技术开发区的湖北楚冠实业股份有限公司经过多年的研究，成功开发出我国第一套具有自主知识产权的吸附法油气回收系统。经过中石化环保专家现场严格的测试，其油气回收率大于99%，排放的尾气中非甲烷总烃浓度低于3g/m3，性能水平能满足国外严格的排放标准要求，填补了国内空白。目前，该公司的吸附法油气回收系统已经形成多种规格的系列化产品，并制定出了严格的企业标准，确保了装置在设计、制造、安装等方面的质量，适宜于炼油厂、油库、加油站等易燃易爆危险性场所使用。该公司设计的活性炭吸附法油气回收系统已经成功应用于本校环境工程系的大气污染控制实验室中，但其运行稳定性及油气回收效率还需在实际运行中来检验。国产活性炭吸附法油气回收系统还没有应用于工业化生产中，但相信经过我国科研人员的不懈努力，我国自主设计、制造的活性炭吸附法油气回收系统在不久的将会广泛应用于我国的油气回收行业中。

第三章                                   环境工程系烃类VOC污染控制实验平台

环境工程系结合国内外油气回收技术与装置的发展现状，由相关教师设计了烃类VOC污染控制实验平台（如图3.1所示），该实验平台以活性炭吸收法为基本工艺流程（如附表2所示）。该实验平台能够模拟石化企业及中、小规模油库、加油站中油品贮存和装运等储运环节中含烃气体（油气）的产生过程，综合集成了吸收塔吸收、活性炭吸附等烃类气体污染物的典型单元处理过程，也可以根据不同的需求单独进行吸收塔吸收、活性炭吸附性能等方面的工艺实验，此外还为补充膜分离模块预留了接口。该套实验系统于2006建成，目前处于系统调试阶段，不久将正式投入到实验研究中。

 

图3.1 环境工程系烃类VOC污染控制实验平台

 

3.1       实验平台组成

整个实验平台由装卸车系统、油气催生系统、油气吸附/吸收回收系统、电气仪表监控系统等四大部分组成。

⑴装卸车系统

装卸车系统由拱顶罐、油槽车、离心泵、流量计等组成。油槽车装油管分喷装、半喷装、浸没式三种式样。油槽车上有五个点不同的采样管，可以通过计算机在线分析油气组分。该系统可以模拟汽油油罐、油槽车喷油/半喷装/浸没式装油过程中的油气产生及压力波动情况；可以通过油罐收发油及鹤管密闭装油工艺，观测并实测油气和空气混合气的排放流量、压力、浓度等参数的变化规律，以及油气在罐内及大气空间的扩散规律。

 

图3.2 油槽车(前)和拱顶罐(后)

 

⑵油气催生系统

油气催生系统由空压机、油槽车、油气均质调节罐等组成。空压机输出0.3～0.6MPa压缩空气进入油槽车催生油气，油气经均质调节罐后进入油气吸附/吸收回收系统，该部分系统均为手动操作。

⑶油气吸附/吸收回收系统

油气吸附/吸收回收系统由固定式活性炭床、吸收塔、油气冷凝分离器、真空泵、离心泵、电磁阀等组成。整套系统由监控系统进行程序控制，监控系统自动监测两个固定式吸附床各5个温度点，自动检测吸附气体量；设有U型玻璃管压差计测量吸收塔塔顶与塔底的压差；系统多处开有采样口，以便对不同方位的油气进行采样分析。

⑷电气仪表控制系统

图3.2  监控系统控制柜

 

电气仪表控制系统由低压电气控制柜、监控系统控制柜、PC机等组成。低压电气控制柜用于提供空压机、真空泵、汽油泵、离心泵等的动力控制。

该实验平台的监控系统采用了先进的嵌入式监控系统。嵌入式监控系统由嵌入式硬件、嵌入式操作系统以及相应的数据采集模块等外部设备构成，集数据采集、控制、显示、组态（控制策略与人机界面）、网络通信等功能于一身。即它是集软硬件于一体、可独立工作的“器件”。它是数字式系统，因而不同于传统的模拟式仪表；它没有控制器这一级的硬件，因而也不同于DOS或PLC的数字式系统的传统结构。它以软件运行的方式代替控制器对转换成数字信号的过程参数进行灵活处理，具有高度智能化的特征，而且是针对某一特定的应用，设计、裁剪、组合其硬件和软件，以能用最高的效率完成该应用要求的功能。它是一种专用的嵌入到特定对象应用中的新一代计算机监控系统，在一定程度上可以取代传统的DOS或PLC构成的小型控制系统，其集成度高、可靠性强，而且成本低廉、体积较小，非常适合于工业中小装置的自动化控制，也称谓嵌入式软PLC系统，是PLC、DOS等传统监控系统的重要补充。

嵌入式监控系统的软件环境是基于嵌入式操作系统，采用单任务的、稳定性非常好的Linux操作系统，在追求其短小精悍的同时，非常注重其工作稳定性。效率高、实时性好、防病毒。在出现突然断电时，不会破坏操作系统和应用软件，来电后可直接进入人机操作界面，稳定性好、操作简单、易于维护。

该实验平台系统采用了撬装式，结构紧凑。整个系统无论是在撬体上的设备、仪表、电器，还是撬体外的电气控制柜和操作控制台，都采用了很严格的安全防爆设计，自身的安全性能很高。装卸车系统、油气催生系统、油气吸附/吸收回收系统三部分相对独立。

3.2       系统防爆、防静电及防雷措施

3.2.1        防爆措施

当汽油蒸气浓度达到爆炸极限时（浓度为0.6%-8.0%V），遇到明火就会产生爆炸燃烧。该套系统从其工艺特点及可能造成的各种安全隐患入手，采取针对性的措施，从方案选择、工艺安排、流程组织、设备布置、工艺配管等方面严格把关，从而避免了可能产生的爆炸。

⑴工艺控制措施

该套系统采用经过反复筛选的优质高效的油气回收专用活性炭。这种煤基活性炭非常适合汽油挥发气反复吸脱附场合，脱附性能好，自燃耐温高达450℃，既能有效地保证系统的再生效果，又大大降低了出现热点的频数，具有工业应用的最佳安全性。活性炭床多处设置温度报警、联锁，由于活性炭在吸附时温度升高，脱附时温度下降，当吸附时活性炭温度升高进入危险范围以前，控制系统就自动报警并联锁切换进入脱附状态，确保活性炭温度不会继续升高而危及安全。活性炭罐油气入口前配有凝缩罐和液位计，从而避免液态汽油进入活性炭床层。采用液环式真空泵，该泵泵内运行温度较低，不会超过油气的自燃温度，有效地消除了隐患。分离罐和吸收塔均设置液位报警、联锁。采用先进的控制系统，自动化程度高，正常运行时关键工序全自动操作，所有温度、压力、流量等参数均可实行实时趋势及历史趋势查询功能。系统在运行过程中产生的报警和运行信息长期存储，用来监督管理各种生产运营故障。自动控制系统同时并行设置手动控制系统；系统设置了阻火器及切断阀，进出装置的汽油管线上设有自控阀门，故障或停机状态使汽油不再进入装置。位于现场的所有设备、电气、仪表、控制箱均按国家相关标准采用严格的防爆设计、选型。排放的尾气烃类浓度严格控制在10g/m3以下，以远离油气的爆炸极限下限。尾气浓度的监控可设置可燃气体检测报警系统，其高限报警设定值应小于或等于0.15%或5g/m3。可燃气体检测器和报警器的选用和安装符合SH3063《石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》的有关规定；输送油气和汽油的管线，根据流量选取适当的管径来控制适当的流速，管内的油品流速不应大于4.5m/s，尽可能避免产生静电发生爆炸。

⑵设备、管道及布置配管

放空排气管的出口高出地面2.5m以上，并高出距排气管3m范围内的操作平台2.5m以上。排气管周围15m半径范围内没有明火、散发火花；管段坡度小于2‰；固定工艺管道采用无缝钢管。埋地钢管的连接采用焊接，油气回收连通软管采用导静电耐油软管；真空泵、油泵等周围预留出了必要的检修、安全空间。

3.2.2         防静电措施

油气回收系统内的设备管道内介质是汽油和油气，如果油管无静电接地，造成静电积聚放电，极易点燃油蒸气。油品由于磨擦而产生静电的电压可高达几十万伏，处理不当易造成放电，引起爆炸燃烧事故。爆炸危险区域内管道上的法兰、胶管两端等连接处应用金属线跨接。平行敷设于地上或管沟的金属管道，其净距小于100mm时，应用金属线跨接。管道交叉点净距小于100mm时，其交叉点应用金属线跨接。跨接是使其形成等电位，防止相互之间存在电位差而产生火花放电。防静电接地装置的接地电阻不应大于。工艺流程中真空泵及油泵入口管线上设置有过滤器，但不要随意设置精密过滤器，否则油品中静电产生量会明显增加，有时会增加10～100 倍，确保接地良好。静电接地能减少电荷向地壳泄露的电阻,加快油品中电荷的泄露。

3.2.3        防雷措施

雷电直接击中油气回收装置，或者雷电作用在油气回收装置等处产生间接放电，都会导致油品燃烧或油气混合气爆炸。加油站、炼油厂、油库本身的安全措施是很严格的，一般配备有接闪器、引下线、接地装置、避雷针。油气回收装置必须进行防雷接地，罐体、管道、法兰及其它金属附件均进行电气连接并接地，接地点不应少于两处。本系的活性炭油气系统放置于实验室内，雷击概率不大，但也应采取一些防雷措施，避免突发情况的发生。

3.3       工艺流程

该套实验装置工艺流程如附表2所示。该套系统的活性炭吸附采用固定式活性炭床轮流交替工作，一个处于吸附油气工作状态时，另一个处于真空解吸再生状态。当油罐车开始装油时，罐内所产生的油气经均质调节罐后进入活性炭床520，被活性炭吸附(此时电磁阀HV-a2和HV-b1关闭, 电磁阀HV-a1打开)。当吸附量达到设定值时（活性炭此时未达到饱和状态），汽油供给和返回线上的单向阀全部打开。启动汽油供给泵和汽油返回泵，使汽油开始循环。打开冷却水循环管线上的截止阀（截止阀V547关闭），同时启动液环式真空泵。当真空泵入口管线的真空度达到设定值时，控制系统自动打开活性炭床的再生阀HV-a2，对活性炭床进行抽真空再生。再生后期电磁阀HV-a4打开，引入干净的空气对活性炭床进行吹扫，使得更多的烃类从活性炭床上脱附下来。活性炭脱附油气时，为吸热过程，床层温度又会下降。当活性炭床内的油气被液环式真空泵吸出时，与真空泵的封液水混合进入油气冷凝分离器，在分离器内被分开。水通过外排管道向室外排放。冷凝下来的部分液态汽油进入汽油返回管线。气相组分进入吸收塔下部，来自储油罐的汽油从吸收塔上部喷淋，将富集后的油气吸收。吸收塔顶部尾气重新送入油气均质调节罐或活性炭罐循环处理，底部汽油被汽油返回泵抽回拱顶储油罐。

3.4       系统三维实体模拟

环境工程系烃类VOC污染控制实验平台三维实体模拟图见图6.3～图6.6。

第四章                                   吸附与吸附剂

由于在活性炭吸附法油气回收系统中，活性炭的选取对整个系统的工作效率起决定性的作用，因此下面我们将对活性炭的吸附机理、种类 、理化性质进行较为详细的介绍，从而指出选择活性炭作为油气回收装置中吸附剂的原因，及本设计选用的活性炭的类型。

4.1       吸附的机理

吸附是利用多孔性固体物质表面上未平衡的分子力，把气体混合物中的一种或几种组分吸留在固体表面，从而将其从气流中分离而除去的净化操作过程。具有吸附能力的固体物质称为吸附剂，被吸附到固体表面的物质称为吸附质。吸附仅使吸附质在吸附剂的表面浓缩富集成一层吸附层（或称吸附膜），并没有使吸附质分散到吸附剂的内部。由于吸附是一种固体表面现象，因此只有那些具有较大内面积的固体才有较强的吸附能力[12]。

吸附过程是非均相过程，一相为流体混合物，一项为固体吸附剂。气体分子从气相吸附到固体表面，其分子的自由能会降低，与未被吸附前相比，其分子的熵也会降低。根据热力学定律：

                      （4-1）

式中均为负值，故也肯定是负值，因此吸附过程必然是一个放热过程，所放出来的热称为该物质在此固体表面上的吸附热。

根据吸附作用力的不同，可以把吸附分为物理性吸附及化学性吸附。

4.1.1        物理吸附

引起物理吸附的作用力是吸附剂和吸附质间的分子引力，分子引力又称为范德华力，因此物理吸附又称为范德华吸附。这一类吸附的特征是吸附质与吸附剂不发生化学反应、无选择性、吸附速度极快、吸附剂本身性质在吸附过程中不变化，吸附过程是可逆的。

物理吸附不发生化学反应，因此它的吸附热很低，一般只有20kJ/mol左右，只相当于相应气体的液化热。也正是由于物理吸附不发生化学反应，因此它吸附的择性选较低，它的选择性只取决于气体的性质和吸附剂的特性。物理吸附只能在低温下才较显著，吸附量随温度的升高而迅速减少，且与表面的大小成正比。由于这种吸附属纯分子间的引力，所以有很大的可逆性，当改变吸附条件，如降低被吸附气体的分压或者升高系统的温度，被吸附的气体很容易从固体表面上逸出，这个过程是吸附的逆过程，称为“脱附”或者“解吸”。油气回收系统中就是采用降低油气的分压，从而进行吸附剂（活性炭）的再生，同时回收被吸附的油气。

物理吸附可以是单分子层吸附，也可以是多分子层吸附。多分子层吸附是指吸附剂表面吸附了第一层分子之后，由于表面的气体分子引力还可以吸附第二层吸附质分子，以此类推可继续发生多分子层吸附。低压时，一般为单分子层吸附，当吸附质的气压增大时，吸附层就会变成多分子层，这是与化学吸附不同的。

4.1.2        化学吸附

化学吸附又称为活性吸附。它是由于固体表面与吸附气体分子间的化学键力所造成的，是吸附剂与吸附质的间化学作用的结果。吸附的结果是在吸附剂表面生成一种结合物，并且化学吸附的作用力远远超过物理吸附的范德华力。

由于化学吸附中有化学作用的发生，因此化学吸附放出的吸附热比物理吸附所放出的吸附热要大的多，可以达到化学反应热的数量级，一般为80～400kJ/mol。由于化学性质所决定，化学吸附具有很高的选择性，只能吸附参与化学反应的气体组分。例如氢可以被钨或镍化学吸附，而不能被铝和铜化学吸附。化学吸附不同于物理吸附，其过程往往是不可逆的，而且脱附以后，脱附的物质往往和原来的物质是不一样的，发生了化学变化。并且化学吸附总是单分子层吸附。

从化学吸附能量变化的大小考虑，被吸附分子的结构发生了变化，活性显著升高，使所需的反应活化能比自由分子的低，从而加快了反应速率。化学吸附宜在较高温度下操作，且吸附速度随着温度的升高而增加。

应当指出，同一物质在较低温度下可能发生的是物理吸附，而在较高温度下所发生的往往是化学吸附。在吸附法油气回收过程中，往往是两种吸附综合作用下的结果。但为了延长活性炭的炭的使用寿命，以及系统的安全性，必须控制反应热的大小，也就是要严格控制化学吸附的发生。使吸附过程中，活性炭的物理吸附处于主导地位，尽量避免或者减少化学吸附的发生。为了避免发生过多的化学吸附，影响活性炭的使用寿命，我们要严格控制吸附过程中活性炭层的温度。

4.2       吸附剂的种类及应用

吸附剂是吸附分离的物质基础。在工业上，不同的分离用途所选用的吸附剂也不同。广义而言，所有固体表面对流体分子都具有吸附作用，但合乎工业需要的吸附剂，必须具备以下几个条件：

·具有巨大的比表面积和较大的孔隙率；

·对不同的气体要具有选择性的吸附能力；

·吸附容量较大；

·具有较好的机械强度、热稳定性及化学稳定性；

·颗粒度适中且均匀；

·宜再生和活化；

·制造方便，价廉易得。

常用的工业吸附剂有活性炭、活性氧化铝、树脂、硅胶和沸石分子筛。

⑴硅胶

硅胶是粒状无晶形氧化硅，它是用硅酸钠（水玻璃）与硫酸反应生成的硅酸凝胶（SiO2/nH2O）。硅胶的孔径分布均匀，亲水性强，吸收空气中的水分可达自身重量的50%，同时放出大量的热，使其容易破碎，并且会降低了对其他气体的吸附能力。硅胶是一种极性吸附剂，可以用来吸附SOx、NOx等气体，但难于吸附非极性的有机物。

⑵活性氧化铝

活性氧化铝是部分水化的、多孔的、无定形的氧化铝。它以氢氧化铝作原料，经过焙烧、成型制取而成。活性氧化铝是一种极性吸附剂，对水的吸附容量很大，常用于高湿度气体的吸湿和干燥。它还用于多种气态污染物如SO2、H2S、含氟废气、NOx以及气态碳氢化合物等废气的处理。但其比表面积太小，不利于吸附大量的气体。

⑶沸石分广筛（简称分子筛）

分子筛是一种具有多孔骨架结构的硅铝酸盐结晶体。分子筛内具有孔径均一的微孔，因而具有筛分性能。分子筛与其他吸附剂比较，其主要优点是：①具有很高的吸附选择性，因其孔径大小整齐均勺，能有选择性地吸附直径小于某个尺寸的分子；②沸石分子筛又是一种离子型吸附剂，对极性分子，尤其是水具有较强的亲和力，对一些极性分子在较高的温度和较低的分压条件下仍有很强的吸附能力；③具有较强的吸附能力，沸石分子筛空腔多、孔道小、比表面积大，可容纳大量分子，吸附力强，对低浓度气体净化效果也十分显著。

油气回收系统中的吸附质是有机蒸汽，属于非极性分子。分子筛和硅胶都不能对其进行有效的吸附。活性氧化铝虽然能够吸附非极性的有机蒸汽，但是其吸附容量过小，用其来做吸附剂将会大大增加容器体积，给生产带来不便。对于油气回收系统来讲，以上三种吸附剂都不能满足油气回收系统的要求，而活性炭却能满足这些要求，下面我们将对活性炭进行详细的介绍。

4.3       活性炭吸附剂

活性炭是将一些含有碳元素的物质（如：煤、椰子壳、木屑、人工合成的高分子树脂等）经过炭化及活化等处理而得到的多孔（孔隙体积0.33cc/g～1.5cc/g），且具有巨大面积（通常为800～1500m2/g）的优良吸附剂。除了碳元素为其主要成份外，由于原料制造程序的不同，活性炭内常夹杂有少量的灰份、水份、氧、氢、硫磺及一些含金属元素等物质，而这些物质常常会影响活性炭的吸附性能。

活性炭具有非极性表面，为疏水性和亲有机物的吸附剂。它具有性能稳定、抗腐蚀、吸附容量大和解吸容易等优点。经多次循环操作，仍可保持原有的吸附性能。活性炭的结构除石墨化晶态炭外，还有大量的过渡态炭。过渡态炭有三种基本结构单元，即乱层石墨、无定形和高度有规则的结构。含氧量较高的原材料制成的活性炭，因炭化温度不同，活性炭表面的化学性质与它的元素组成、表面氧化物和有机官能团的形态有密切的关系。活性炭有较大的比表面积，并且活性炭价格较为低廉，对油气的吸附效果好，故我们选择活性炭作为油气回收系统的吸附剂。

 

图4.1 乱层结构与石墨晶体结构示意图

（1）石墨结构的重叠状态（2）乱层结构的重叠状态

 

图4.2 活性炭表面的有机官能团

 

4.3.1        活性炭的种类

活性炭依来源及制法不同，其所产生的孔洞特性及比表面积大小也不同。一般而言，按照活性炭的外形大概可以分为：

⑴粉末活性炭

通常粉末活性炭是指直径小于300mesh的微粒炭粉，由于颗粒小，很容易造成压力降低及粉尘问题，除非将其固定于纤维织布上，否则很少作废气处理。用在水处理方面，则因吸附速度较快，可用于脱色，脱臭等。但近年来由于废活性炭处理问题，也逐渐不被采用。

⑵粒状活性炭

粒状活性炭依形状的不同又可分为破碎状，圆柱状及球形等三种。一般来说其吸附力较粉末活性炭小，但因颗粒较大可减少压力降低的问题，而且具有可以再生的优点，所以使用广泛。圆柱状常用的规格是直径1-3mm或3-10mm，而破碎状大约在4～40mesh范围，圆柱状与破碎状的活性炭装置大都采用固定床方式，有单塔，双塔甚至多塔的处理系统，其中双塔系统应用实例最多，商业上有并联及串联两种结合方式，并联形式常用于有机溶剂回收系统，当一塔吸附达某一操作值后即将废气转换至另一塔处理，而该塔即以改变压力、温度或通入蒸汽的方式进行再生，如此双塔交互使用，属于线上再生型（in-site regeneration model）；串联型常用于臭气等较难处理的废气系统，各塔可以填充不同种类的活性炭分别处理吸附力不同的物质，通常其再生技术也比较麻烦，所以常取出外送至再生处理厂的方式来处理饱和炭。球形活性炭具有压降小，磨耗率低且容易操作的优点，正常状况下磨耗量约0.3g/m2·hr，可用于流化床系统。

⑶纤维状活性炭（ACF）

利用酚系、丙烯晴系等原料合成的纤维活性炭，具有粉末活性炭高面积、高吸附力及粒状活性炭压降小、可再生的优点。而且纤维状活性炭比表面积大、细孔均匀整齐、吸附效率高、容量大、易脱附、阻力小、安全性好。但由于活性炭纤维的机械强度低和制造费用较大，因此限制了其推广应用。

⑷表面涂布的基材活性炭

表面涂布的基材活性炭多用于微量污染物的去除，如洁净室的净化等。目前市售的基材活性炭可分为直接涂布形、三明治形及混纺形三种。直接涂布形大都以陶瓷纤维纸或玻璃纤维纸等耐燃性物质为基材，先成型为蜂巢状，再将含有黏合剂的炭粉涂布分散于基材表面，此产品处理效率较高，且在高风速流量时压降较低。三明治形主要将微粒状的活性炭夹在织布中间，多做成折叠状的滤材成品。由于炭粒与炭粒的间无法紧密结合，一般而言，此类型的产品效率较差，无法达到极低浓度的去除效果，且使用时压降也较大。混纺形则为将炭粉加入高分子材料中，再制成丝后织成产物，此类型产品可添加炭粉的量有限，使用寿命较短且价格较贵。

综上所述，用于油气回收方面的活性炭应选择颗粒型活性炭或纤维状活性炭。纤维状活性炭较颗粒型活性炭吸附效果好，但其成本较颗粒型活性炭过高，故本设计采用颗粒型活性炭作为吸附剂。

4.3.2        颗粒型活性炭

颗粒型活性炭又分煤基颗粒型活性炭和木基颗粒型活性炭。

煤基炭相对于木基炭价格较高，但选择使用煤基炭可以降低维修成本，这些包括由于活性炭出现热点、粉化、尘化和活性炭再活化所带来的维护和维修成本。根据相关数据统计，每年木基活性炭炭床有10余套出现热点，而平均每年煤基炭床只有0.2套出现热点。将过热的炭床降温到正常的温度需要48小时，如果正常冷却方法不奏效（在木基活性炭床上，常规冷却方法往往不能奏效），就只有用水喷淋炭床。经过水喷淋的炭床其吸附能力将大大降低，6周后才能恢复到正常的吸收吸附能力，因此回收量大大降低。此外，用水喷淋过的活性炭常常会聚结，因此要将活性炭拆出，并重新安装，使炭床填充密度均匀。煤基活性炭消除了冷却和用水喷淋的必要，因此也就减少了停车时间和将活性炭拆出的时间，从而增加了装置的可用性。此外，煤基炭床可以重新活化再生，其成本为新制造活性炭价格的一半，但木基活性炭床不能有效的活化再生。

故本设计中我们将采用煤基颗粒型活性炭作为本设计的吸附剂，下文采用的活性炭相关数据也是基于煤基颗粒型活性炭。

4.4       活性炭的吸附热

研究表明，活性炭对气体分子吸附时略带有化学吸附的性质，因此在用活性炭吸附有机蒸气时，会放出一定数量的热，因而会导致吸附床温度的升高。但是，温度升高又会导致活性炭吸附能力的下降，因此在研究活性炭对有机蒸气的吸附时，还是应该按物理吸附的规律去研究，同时考虑它在放热方面的特殊性[12]。

吸附剂的吸附热可以用带吸附装置的量热计直接测量出来。表4-1列出了一些物质不同温度时在活性炭上的吸附热，表中所列是500kg活性炭吸附1mol蒸气时产生的吸附热。

实际计算有机蒸气的吸附热时，可以忽略温度的影响。对一些有机化合物，吸附热与吸附的有机蒸气量可利用下面经验公式进行估算：

                            （4-2）

式中：  q — 吸附热，kJ/kg活性炭；

a — 已吸附的蒸气量，m3/kg活性炭；

m，n — 常数，其值见表4-2。

 

表4-1 若干有机物质不同温度时在活性炭上的吸附热

 

 

 

 

表4-2 常数m和n

 

4.5       活性炭吸附床压降

流体在固定床中的流动情况较的在空管中的流动要复杂的多，固定床中流体是在颗粒间的空隙中流动的，颗粒间空隙形成的孔道是弯曲且相互交错的，孔道数和孔道截面积沿流向也在不断变化。所以流体流过床层的压力降，主要是由于流体与颗粒表面间的摩擦阻力和流体在孔道间中的收缩、扩大和再分布等局部阻力引起，当流动状态为层流时，以摩擦阻力为主，当流动状态为湍流时，以局部阻力为主。由于影响压力降的因素很多，目前尚无一个较为完善的通用计算公式。

下面介绍估算固定床吸附器的压力降的欧根（Ergun）方程：

 

            （4-3）

 

式中：  — 通过床层的压降，Pa；       

— 床层高度，m；

    — 气体的动力粘度，Pa/s；     

  — 颗粒层孔隙率，%；

   — 气体密度，kg/m3；

   — 床层进口横截面积处气体平均流速，m/s；

    — 吸附剂颗粒直径，m。

由于国内缺少活性炭吸附热及活性炭床压降的相关计算参数的基本数据，故本设计将不对活性炭吸附热及活性炭床压降进行计算。

第五章                                   活性炭吸附床的设计

5.1       活性炭吸附装置

吸附装置是吸附系统的核心，工业上所使用的吸附装置共三大类，即固定床、移动床和流化床，其中以固定床应用最为广泛。但不论是哪一类吸附装置在进行气体净化设计时，必须考虑一些基本要求[12]。

5.1.1        吸附装置设计的基本要求

⑴吸附装置出口排气必须达到排放标准 

这是对吸附装置的最起码要求。按照目前的规定，各类气态污染物的排放浓度必须达到国家环保局颁布的《大气污染物综合排放标准（GBl6297—1996）》的规定，如果地方政府还有更严格的规定，还必须执行地方政府的规定。今后随着可持续发展战略的实施，国家还会对标准进行更严格的修订，因此在设计吸附装置时应随时注意排放标准的要求。

⑵设备选型要面向生产实际 

设备选型要考虑实际生产中的规模、排气量、排污方式（连续或间歇，均匀排放还是非均匀排放）、污染物的物化特性、回收还是进一步处理等因素，正确选择吸附装置和吸附工艺系统，尤其对一些特殊污染物或特殊要求的场合。选择工艺系统时还应考虑生产的发展，留有适当的余地。

⑶采用先进技术 

通过改进设备结构及采用先进技术，使吸附装置能保持在最佳状态下运行，使所设计的吸附系统处理能力大、效率高、收益大。

⑷考虑经济因素 

所设计的吸附装置和系统尽可能地简化，易于安装、维修，使用寿命长，同时要使系统操作简便，易于管理，以节省投资及运行费用。

5.1.2        固定床吸附器

固定床吸附器，它是将吸附剂固定在某一部位上，在其静止不动的情况下进行吸附操作。它多为圆柱形设备，在内部支撑的格板或孔板上放置吸附剂，使处理的气体通过它，吸附质被吸附在吸附剂上。目前使用的固定床吸附器有立式、卧式和环式三种类型。

立式固定床吸附器吸附剂装填高度以保证净化效率和一定的压力降为原则，一般取0.5～2.0m。床层直径以满足气体流量和保证气流分布均匀为原则。处理腐蚀性气体时应注意采取防腐蚀措施，一般是加装内衬。立式固定床吸附器适合于小气量浓度高的情况。

基于5.1.1提到的几点以及活性炭吸附法油气回收系统在工业化应用中所普遍采用的吸附装置形式，本设计的活性炭吸附床采用上流式立式固定床吸附器。

5.2       固定式活性炭吸附床的设计计算

5.2.1        设计参数

⑴给定的相关设计参数

 

表5.1 给定的相关设计参数

 

⑵有关吸附质参数的确定

油库和加油站的油品种类较多，本设计中选用比较有代表性的93号汽油作为参照进行设计计算。93号汽油成分复杂，是近百种烃类有机物的混合物。93号汽油中含量较高的是（体积分数）：甲苯，14.45％；2-甲基戊烷，6.82％；2-甲基丁烷，6.60％；甲基特丁基醚，5.40％；甲基环戊烷3.78％；3-甲基戊烷，3.63％；戊烷，3.49％；己烷，3.21％；E-2-戊烯，3.05％；2-甲基己烷，2.64％；丁烷，2.40％；环己烷，2.31％。其中甲基特丁基醚作为无铅汽油中的一种常用添加剂，可提高辛烷值使汽油燃烧更完全，减少环境污染[13]。

取93号汽油中含量最大的六种成分进行分析：甲苯分子量为92；2-甲基戊烷分子量为86；2-甲基丁烷分子量为72；甲基特丁基醚分子量为88；甲基环戊烷分子量84；甲基戊烷分子量为86。从而估算出93号汽油中分子的平均分子量为

   （5-1）

假设在标准状况下93号汽油的组分均可以挥发，则在标准状况下93号汽油油气的密度约为

                 （5-2）

5.2.2        罐体类型

根据《压力容器安全技术监察规程》相关规定，油气回收用活性炭罐属于第二类压力容器。活性炭罐在吸附油气过程中内压大于外压，属于内压容器；在解吸过程中，由于真空泵抽真空作用，使其内部出现负压，属于外压容器[17]。

按内压容器计算，活性炭罐所需最小壁厚为

           （5-3）

式中：  —设计温度下壳体材料的需用应力，MPa；

—焊缝系数（本设计中取1）；

—圆筒内直径，mm；

—设计压力，MPa。

而按外压容器设计，活性炭罐所取名义壁厚为10mm（见5.2.4），远大于按内压容器计算所得壁厚，故本活性炭罐按外压容器设计。

5.2.3        基本尺寸的确定

吸附炭罐的空塔气速为6m/min～36m/min，本设计取6m/min[14]。由表5.1可知设计处理量为300m3/h，则罐体内径

              （5-4）

取整，得D=1100mm。

根据进、出口处油气浓度，可计算出所设计的活性炭罐最大处理效率为98.68%，以下关于油气处理效率的数值都取该最大值98.68%。

在一个吸附周期内（15min），一个活性炭罐吸附的油气量为：

            （5-5）

式中：  —油气处理量，m3/h；       

—进口油气浓度；

    —油气处理效率；     

  —汽油油气密度，kg/m3；

    —活性炭罐吸附周期，min。

查得颗粒活性炭对甲苯的平衡吸附量（质量分数）为30％[14]，则吸附222.40kg油气所需要的活性炭质量为：

                  （5-7）

考虑到装填损失，每次新装活性炭时需用活性炭的质量为（1.05～1.2）m[27]，本设计取1.1m，则本设计中单罐实际所需活性炭质量为822.8kg。

本设计采用的煤基颗粒活性炭的堆填密度为500kg/m3[14]；则所需活性炭体积为：

                   （5-8）

活性炭层高度为：

                （5-9）

为方便罐内零件的布置，取筒体部分高度h为2000mm。

5.2.4        外压圆筒

⑴圆筒材料的选定

根据设计参数及相关规定，选16MnR钢为活性炭罐筒体的材料（GB6654-2003）[17]。

表5-1 16MnR钢板相关参数值 （GB6654-2003）

钢号	使用状态	钢板标准	厚度 mm	常温强度指标 MPa	常温强度指标 MPa	在下列温度（℃）下的许用应力 MPa
						≤20	100	150	200
16MnR	正火	GB6654	6～16	510	345	170	170	170	170

 

⑵外压圆筒计算过程符号说明

—系数，查GB150-1998图4-2或表4-1～4-9；

—加强圈的截面积，mm2；

—系数，查GB150-1998图4-3～图4-10，MPa；

—厚度附加量，mm；

—钢板的厚度负偏差，当C1<6%时，取0mm；

—腐蚀裕量，本设计取1.5mm；

—圆筒内直径，mm；

—圆筒外直径（），mm；

—材料的弹性模量，MPa；

—圆筒计算长度；

—许用外压力，MPa；

—圆简或球壳的名义厚度，mm。

⑶外压圆筒设计计算

①确定圆筒计算长度L

图5.1 圆筒计算长度示意图

 

根据5.2.5知椭圆封头的曲面深度hf为275mm；则

                     （5-10）

取整得，L=2200mm。

②有效厚度的计算

根据GB6654-1996取，圆筒内径Di等于吸附床直径，即Di =1100mm，则

         （5-11）

             （5-12）

             （5-13）

                                  （5-14）

                    （5-15）

根据、L/Do的值，查GB150-1998图6-2得

A=0.00038；

由A值查GB150-1998图6-5得

B=45MPa；

则许用外压力[p]：

            （5-16）

设计压力p<[p]，满足要求。

查得DN=1100mm的圆筒的密度为274kg/m[14]；则所设计圆筒质量为

              （5-17）

5.2.5        封头设计计算

本设计采用椭圆封头（JB/T 4746-2002）。

 

图5.2 椭圆封头结构示意图

 

⑴椭圆封头材料

椭圆形封头材料与筒体材料相同，同为16MnR。

⑵椭圆形封头计算过程符号说明

—封头内直径，mm；

—封头外直径（），mm；

—封头曲面深度，mm；

—最大允许工作压力，MPa

—封头计算厚度，mm；

—封头有效厚度，mm；

—封头名义厚度，mm；

—设计温度下封头材料的许用应力，MPa；

—焊接接头系数（本设计中取1）。

⑶椭圆形封头设计计算

设，则：

              （5-18）

             （5-19）

       （5-20）

            （5-21）

              （5-22）

由可知该封头为标准封头，查得K1=0.9，则

           （5-23）

              （5-24）

               （5-25）

查GB150-1998图6-5可知A值落在材料线上方，故用式5-26计算该封头的许用外压力。

由该图查得t=200℃时，E=1.86×105，则许用外压力[p]：

     （5-26）

设计压力p<[p]，满足要求。

该椭圆封头标准号为 EHA 1100×10-16MnR JB/T 4746。该椭圆形封头具体参数如表5.2所示。

 

表5.2 DN1100椭圆封头基本参数（JB/T 4746-2002）

公称直径 DN	曲面高度h1 mm	曲面高度h2 mm	内表面积F ㎡	厚度δ mm	质量G kg	封头容积 m3
1100	100	25	1.3980	10	108.6	0.1980

 

5.2.6        内部支撑结构设计

㈠支撑圈设计

支撑圈作为内部支撑结构，将承载格栅及活性炭。根据相关规定本设计采用的支撑圈外径为1100mm，宽为40mm，厚为8mm ；该支撑圈的材料为A235-A[18]。

㈡格栅设计

⑴格栅设计计算过程符号说明[18]

—填料高度，1750 mm；

—栅板条长度，1100-30-8=1062mm；

—栅板条间距，20 mm；

—栅板条厚度，4 mm；

—栅板条高度，20mm；

—栅板条断面系数，cm3；

—填料堆积容重，kg/ m3；

—厚度附加量，1.5mm；

—栅板条的拉伸强度，MPa；

—栅板条的拉伸强度安全系数，n=2.2；

—栅板条的拉伸许用应力，MPa；

—栅板条的弯曲许用应力，MPa。

⑵格栅设计计算

均部载荷：

               （5-27）

栅板条最大弯矩：

        （5-28）

栅板条断面系数：

  （5-29）

栅板条的弯曲应力：

            （5-30）

栅板条材料采用Q235-A，查得 =375MPa，则

     （5-31）

故设计符合要求。

㈢不锈钢丝网设计

⑴设计标准：GB/T5330-2003；

⑵不锈钢丝网选型

不锈钢丝网设计选型要求：

①筛分面积尽可能大，有利于罐体内油气的流动，对油气的阻力较小；

②孔径要小于所选用的活性炭颗粒粒径（活性炭颗粒粒径为1.5～4.0mm）；

③采用双层网设计，进一步降低活性炭掉落到罐底的可能性。

图5.3 丝网结构示意图

根据以上原则，本设计选用的不锈钢丝网的具体参数如下：

 

表5.3 本设计采用的不锈钢丝网相关参数

 

本设计中共采用4张不锈钢丝网：其中两张是用来作为活性炭承托网；另外两张放置在活性炭层上方，防止炭粒因气流流动而被吹起。

单张不锈钢丝网面积：

           （5-32）

则4张不锈钢丝网的总重：

                    （5-33）

5.2.7        油气进口设计

⑴管道设计

油气进口位于罐体正下方，下椭圆封头的中心处。根据GB50316-96可知油气在管道中的流速为8m/s，则油气进口管径：

         （5-34）

查得所取管道尺寸为；钢管材料为20号钢，其成分应符合GB9948-1998的规定[20]。

⑵法兰设计

对于油气管道设施应采用凸面带颈对焊法兰（HG/T 20595-1997），公称直径为DN150，其材料为16MnR（该法兰数据如表5.4所示）。

 

 

图5.4 凸面带颈对焊法兰结构示意图

 

表5.4 DN150凸面带颈对焊法兰基本参数

公称 压力PN MPa	公称通径 DN	钢管外径（法兰焊端外径） mm	连接尺寸					法兰厚度 C	法兰颈				法兰高度 H	法兰理论质量/ kg
			法兰外径 D mm	螺栓孔中心圆直径 K	螺栓孔直径 L	螺栓孔数量 n	螺纹 Th		N	S	H1	R
1.0	150	159	285	240	22	8	M20	24	184	4.5	12	8	55	9.13

 

5.2.8        油气出口

⑴管道设计

油气进口位于罐体正上方，上椭圆封头的中心处。根据GB50316-96可知油气在管道中的流速为8m/s，则油气出口管径：

         （5-35）

查得所取管道尺寸为；钢管材料为20号钢，其成分应符合GB9948-1998的规定。

⑵法兰设计

同样采用凸面带颈对焊法兰（HG/T20595-1997），其公称直径为DN80，材料为16MnR，其基本数据如表5.5所示。

 

表5.5 DN80凸面带颈对焊法兰基本参数

公称 压力PN MPa	公称通径 DN	钢管外径（法兰焊端外径） mm	连接尺寸					法兰厚度 C	法兰颈				法兰高度 H	法兰理论质量/ kg
			法兰外径 D mm	螺栓孔中心圆直径 K	螺栓孔直径 L	螺栓孔数量 n	螺纹 Th		N	S	H1	R
1.0	80	89	200	160	18	8	M16	20	110	2.9	10	6	50	4.22

 

5.2.9        装料口设计

⑴管道设计

装料口位于上椭圆封头，共三个，同一水平面上均匀分布；所取管道尺寸为；钢管材料为20号钢，其成分应符合GB9948-1998相关规定。

⑵法兰设计

采用凸面带颈对焊法兰（HG/T20595-1997），其材料为16MnR；该法兰基本数据和油气进气口法兰相同。

5.2.10      卸料口设计

本设计采用手孔作为卸料孔。本设计采用的手孔类型为带颈对焊法兰手孔（HG 21531-95 RF型PN2.5MPa）。

 

图5.5 带颈对焊法兰手孔（RF型）

 

5.2.11      放净口、温度计口及安全阀口

根据燕山石化的油气回收装置的设计，本设计的放净口、温度计口及安全阀口采用以下具体设计方案[18]：

放净口：公称尺寸1〞，连接尺寸标准（PN2.0 /DN25 /HG20617-97），连接面形式 RF，位于罐体下方，具体位置见图纸。

温度计口：设在罐体中部，公称尺寸3/4〞；连接尺寸标准NPS 3000#；本活性炭罐体设置四个温度计口，具体安放位置如图纸所示 。

安全阀口：置于罐体上方，公称尺寸1〞，连接尺寸标准NPS 3000#。

5.2.12      油气布流器设计

㈠油气入口布流器

⑴油气入口布流气用途

分散入口油气气流，降低气流对局部炭层的冲击力，使炭层充分吸附油气。

⑵油气入口布流器开孔形式

油气入口布流器开孔形式为：圆孔U形排列（GB10613-2003）。

⑶油气入口布流器开孔基本数据

油气入口布流器开孔基本数据如表5.6所示。

 

表5.6 油气入口布流器开孔基本数据

 

㈡油气出口布流器

⑴油气出口布流器开孔形式

油气出口布流器开孔形式为采用非标准开孔，具体开孔形式见图纸。

⑵油气出口布流器开孔基本数据

油气出口布流器开孔基本数据如表5.7所示。

 

表5.7 油气出口布流器开孔基本数据

 

5.2.13    开孔补强

根据 GB150-1998第八章相关规定，本活性炭罐只需对卸料口（手孔）进行开口补强计算[17]。

㈠开孔补强计算符号说明

—开孔削弱所需要的补强面积，mm2；

—补强有效宽度，mm；

—厚度附加量，1.5mm；

—圆筒内直径，mm；

—开孔直径，等于接管内直径加2倍厚度附加量，mm；

—强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力的比，    当该比值大于1.0时，取=1.0；

—设计压力，MPa；

—壳体开孔处计算厚度，mm；

—壳体开孔处的有效厚度，mm；

—接管有效厚度，，mm；

—壳体开孔处的名义厚度，（本设计中）mm；

—接管名义厚度，（本设计中）mm；

—接管计算厚度，mm；

—设计温度下壳体材料的需用应力，MPa；

—焊缝系数（本设计中取1）。

㈡圆筒开孔（手孔）补强计算

⑴开孔直径

               （5-36）

⑵圆筒壳体的计算厚度

                    （5-37）

⑶接管有效厚度

             （5-38）

⑷强度削弱系数

查得接管的许用应力，筒体的许用应力；则

                   （5-39）

所需要的补强面积：

      （5-40）

⑸有效补强范围及补强面积

计算开孔补强时，有效补强范围及补强面积按图5.6中矩形WXYZ范围确定。

 

图5.6 有效补强结构示意图

 

(a)有效补强范围

①有效宽度B

              （5-41）

    （5-42）

             取两者中较大值   B=506mm

②有效高度：

外侧高度：

             （5-43）

  =接管实际外伸高度=100mm                （5-44）

    取两者中较小值  

内侧高度：

             （5-45）

                   =接管实际内伸高度=50mm                （5-46）

取两者中较小值  h2=50mm

(b)有效补强面积

在有效补强范围内，可作为补强的截面积按式计算：

                        （5-47）

式中：  ——补强面积，mm2；

——壳体承受外压所需设计厚度的外的多余金属面积，mm2；

——接管承受外压所需设计厚度的外的多余金属面积，mm2； ——补强区内的焊缝面积，约2mm2；

       （5-48）

        （5-49）

若，则开孔不需要另加补强；若，则开孔需要另加补强；本设计中，所以不需要另加补强。

5.2.14    支腿设计

⑴容器重量计算

若不包括支腿，操作情况下容器总重量包括筒体、封头、手孔、钢丝网、接管、支撑结构、零部件和活性炭床达到饱和时所吸附的油气重量及罐内活性炭质量。

筒体的质量：548kg ；

两个封头总质量：108.6×2=217.2kg ；

罐内活性炭的总重：822.8kg ；

不锈钢丝网的总质量：2.51；

支撑圈、栅板的总质量：15kg ；

手孔的总质量：40kg ；

DN150法兰质量：9.13kg；

DN80法兰质量：4.22kg；

活性炭质量：822.8kg；

活性炭吸附饱和时油气质量：224.40kg；

接管及其他零件的总质量（估计）：60kg ；

总质量：

  M=548+28+217.2+822.8+2.51+15+40+9.13×4+4.22+822.8+224.40

=2761.45kg                                              （5-50）

总重量：G=mg=2761.45×9.8=27062.21N                     （5-51）

⑵支腿选型

由于所设计的活性炭罐符合以下条件：

a.公称直径DN400～DN1600，mm；

b.圆筒长度与公称直径DN的比L/DN<5；

c.容器总高H1<5000mm。

故根据JB/T4713-92本设计选择A型腿式支座（如图5.7所示），支座号4，其具体数据如表5.6所示：

 

表5.6 A(4)型腿式支座数据表

 

支腿材料：角钢支柱、材料盖板、垫板材料均为 Q235-A·F；地脚螺栓：M20，螺栓孔径db为24mm；支腿总重：25.4kg。

每根支腿承重：

         Q=27062.21/4=6765.55N<<19KN              （5-52）

故设计符合要求。

该支腿标记为：

JB/T 4713-1992，支腿A4-1100

 

 

图5.7 A型腿式支座结构示意图

 

图5.8 A型腿式支座空间布置图

 

5.2.15      吊耳

⑴吊耳的选取

根据本设计中筒体DN>1000mm以及活性炭罐总质量，本设备选用顶部板式吊耳，其代号为TP，简称为TP型吊耳（HG/T21574-1994）。该吊耳适合于轻型立式装备的吊装。

图5.9  TP型吊耳结构示意图

 

⑵吊耳安装位置

吊耳应位于顶部封头0.7D范围内。本设计中D=1100mm，故0.7D=770mm，取700mm。本设备安装三个TP型吊耳，在同一水平面上均匀分布，具体位置见图纸，其材料为Q235-A。

其标记为：

TPP-2 HG/T 21574-1994

5.3       制造、检验与验收

本部分内容按照GB150-1998第十章及其他相关标准进行。

5.3.1        材料焊接

对于压力容器，焊接方式必须是全透焊或者双面焊[23-24]。

㈠椭圆封头与筒体焊接

封头材料为16MnR；筒体材料为16MnR。

根据HG20583-1988，选择焊接接头所采用的形式为对焊接头（DU8）；

焊接方法：采用焊条电弧焊；

焊条选择：两个连接体材料相同，均为低强度合金钢16MnR，故采用的焊条型号为E5016-G，牌号为J506RH。

㈡手孔与筒体

手孔材料（管体部分材料）为20号钢，筒体材料为16MnR。

根据HG20583-1988，选择焊接接头所采用的形式为全焊透T型接头（G2）；

焊接方法：采用焊条电弧焊；

焊条选择：两个连接体材料不同，为低强度合金钢与炭素钢间焊接，故采用的焊条牌号为J427N1。

㈢油气进、出口与封头

⑴管体与封头

封头材料为16MnR；管体材料为20号钢。

焊接接头形式、焊接方法、焊条型号同5.3.2。

⑵法兰与管体

法兰材料为16MnR；管体材料为20号钢。

焊接接头形式为对焊接头（DU8）；

焊接方法、焊条型号同5.3.2。

 

图5.10 带颈对接法兰与管体焊接结构示意图

 

㈣吊耳和封头

吊耳材料为Q235-A；封头材料为16MnR。

焊接接头形式、焊接方法、焊条型号同5.3.2。

㈤支腿与筒体

支腿材料为16MnR；筒体材料为16MnR。

焊接方法：采用电弧焊，且为连续焊；

根据HG20583-1988，焊接接头所采用的形式为对焊接头（DU4）；

焊条型号同5.3.2。

㈥内支撑圈和筒体

内支撑圈材料为Q235-A；筒体材料为16MnR；

根据HG20583-1988，焊接接头所采用的形式为全焊透T型接头（G2）；

焊接方法、焊条型号同5.3.2。

5.3.2        焊后热处理

活性炭罐焊接完成后要进行整体热处理，采用炉内加热的方法。其操作应符合如下规定：

⑴焊件进炉时炉内温度不得高于400℃；

⑵焊件升温至400℃后，加热区升温速度不得超过℃/h（为焊接接头处钢材厚度，mm），且不得超过200℃/h，最小可为50℃/h；

⑶升温时，加热区内任意50 00mm长度内的温差不得大于120℃；

⑷保温时，加热区内最高与最低温度的差不宜超过65℃；

⑸升温及保温时应控制加热区气氛，防止焊件表面过度氧化；

⑹炉温高于400℃时，加热区降温速度不得超过℃/h，且不得超过260℃/h，最小可为50℃/h；

⑺焊件出炉时，炉温不得高于400℃，出炉后应在静止空气中继续冷却。

5.3.3        无损检测

容器的焊接接头，经形状尺寸及外观检查合格后，再进行无损检测。

本设计按JB4730-94对A类和B类焊接接头进行100%射线检测，不低于Ⅱ级为合格；对焊缝表面进行100%磁粉或渗透探伤，Ⅰ级为合格。

经射线检测的焊接接头，如有不允许的缺陷，应在缺陷清除干净后进行补焊，并对该部分采用原检测方法重新检查，直至合格。磁粉或渗透检测发现的不允许缺陷，应进行修磨及必要的补焊，并对该部位采用原检测方法重新检测，直至合格。

5.3.4        压力试验和气密性试验。

制造完工的容器应按图样规定进行压力试验（液压试验或气压试验）或增加气密性试验。本设计采用液压压力试验，不进行气压试验和气密性试验。

根据GB150-1988相关规定外压容器以内压进行压力试验。液压压力试验必须用两个量程相同的并经过校正的压力表。压力表的量程在试验压力的2倍左右为宜，但不应低于1.5倍和高于4倍的试验压力。本设计采用的试验液体为水。液压试验温度不得低于5℃，液压试验压力 按式5-53计算。

                       （5-53）

式中：  —试验压力，MPa；

—设计压力，本设计为0.1MPa。