惰性气体置换油罐内油蒸气时间的数学计算与实验.doc

惰性气体置换油罐内油蒸气时间的数学计算与实验.doc惰性气体置换油罐内油蒸气时间的数学计算与实验摘要采用惰性气体对油罐内油蒸气进行置换清洗具有安全性高、效率高的优点。通过对惰性气体置换油罐油蒸气过程的假设和简化, 得到了计算置换时间的微分方程, 求解得到置换时间的计算公式后引入扩散系数 F 对公式进行了修正。基于对 3 次不同流量条件下实验数据的非线性拟合,分别计算出了 3 次实验条件下气体扩散系数 F 的具体值,得到了 O 2 体积分数与置换时间之间的完整计算式。本文推导得到的计算公式对油罐油蒸气的置换清洗施工具有较大的实际参考价值。关键词油罐;惰化置换;置换时间; O 2 体积分数;扩散各类油罐, 特别是汽油油罐, 在定期检查、除锈、涂装、维修改造等施工以前, 须先对油罐内的油蒸气进行通风处理。目前油库采用的通风作业方式大多是机械通风, 这种通风方式有着明显的弊端。首先, 安全性差。油蒸气是典型的易燃易爆品, 稍有不慎就会引发燃烧爆炸, 从而导致巨大的人员伤亡和巨额的经济损失。其次, 通风时间长, 效率低。一般情况下, 一个 3000m 3 的油罐通风作业, 作业时间达 20 天左右, 效率低下。因此, 油罐油蒸气通风作业的安全性和效率一直是油蒸气储运行业关注的焦点。研究和实践表明,惰性气体对燃烧爆炸具有良好抑制作用[1-3] 。采用惰性气体对油罐内环境进行惰化置换处理,不仅提高了通风作业的安全性,还大大缩减了通风作业时间[4]。目前, 惰性气体置换方法主要有大气压力稀释法、压力循环法和抽真空法[5]。其中大气稀释法也叫通流置换法, 是油库常用的油罐通风处理方法。然而, 由于通流惰化置换过程是一个复杂的置换过程,涉及多组分的紊态扩散流动,影响因素复杂,如各组分气体的扩散性能、通风流量、进气气体组分、外界环境和油罐形状及其进出口位置、大小等, 因此对通流惰化置换时间的精确计算存在一定难度。本文采用数学分析与模拟实验相结合的方法对该问题加以研究,即先通过对油罐惰性气体置换过程进行合理的假设和简化,对该过程完成数学分析, 然后通过模拟实验得到修正参数的取值,最后得到 3 次模拟实验置换时间的完整计算公式。 1数学分析与计算油罐的惰化是指控制罐内油蒸气浓度低于燃烧爆炸的下限( % ) 或者控制氧气体积分数低于燃烧爆炸所需的最低值( 14% ) ,并维持这一状态。如图 1 所示, 设油罐体积为 V, 油罐中 O 2 体积分数为A ,油蒸气体积分数为 B 。惰性气体为制造成本较低的燃烧废气, 主要成分是 O 2、 CO 2和N 2, 体积分数分别为?、?和?。惰性气体以流量 Q 从油罐底部进入油罐, 与油罐中气体混合扩散后,经过罐顶的气体出口排入大气中。在惰化置换过程中无论是哪种气体组分, 都存在与其他气体组分的对流扩散过程, 并且其对流扩散过程具有相似性, 因此只要弄清楚一种气体组分的变化规律, 其他气体组分的变化规律就可以用相同的方法得到。本文选取 O 2 作为数学分析的气体组分。 假设与简化如前所述, 惰性气体与罐内各气体组分的混合扩散过程, 涉及各气体组分之间的流动与传质特性, 影响因素复杂。为了便于分析计算, 先对该过程作理想化的假设与简化, 推导出图 1 油罐置换过程示意图计算公式后,再考虑气体扩散对置换过程的影响。故本文的假设简化如下: 1 )暂忽略惰性气体与罐内各气体组分的混合扩