Моніторинг природних втрат палив при зберіганні та застосування сорбентів для їх зменшення

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 665.733.3+665.743.3:621.642.84+504.05:656.7:629.73.08

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МОНІТОРИНГ ПРИРОДНИХ ВТРАТ ПАЛИВ ПРИ ЗБЕРІГАННІ ТА ЗАСТОСУВАННЯ СОРБЕНТІВ ДЛЯ ЇХ ЗМЕНШЕННЯ

Спеціальність 05.17.07 - Хімічна технологія палива та пально-мастильних матеріалів

Бойченко Олег Валерійович

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університетi на кафедрі загальної хімії і технологій.

Науковий керівник: член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор Аксьонов Олександр Федотович, радник ректорату Національного авіаційного університету.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук

Соловйов Андрій Миколайович,

професор кафедри фізики Національного авіаційного університету;

кандидат технічних наук

Топільницький Петро Іванович,

доцент кафедри хімічної технології переробки нафти та газу Національного університету “Львівська політехніка”.

Провідна установа: Український науково-дослідний інститут нафтопереробної промисловості “МАСМА”.

Захист відбудеться “ 21 ” червня 2001 р. о 15^оо годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.04 в Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці університету.

Автореферат розісланий “ 21 ” травня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцент Матвєєва О.Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

паливо випаровування сорбувальний бензин

Актуальність теми. Нафта і нафтові палива є найважливішими джерелами світового енергозабезпечення.

Сучасний стан паливно-енергетичного комплексу України характеризується обмеженістю власних запасів нафти та ефективністю нафтопереробних заводів. Внаслідок цього, забезпечення транспортного сектора джерелами енергії здійснюється за рахунок імпорту (автомобільні бензини - 50,7%; дизельні палива - 46%).

При прийманні, транспортуванні, зберіганні та перекачуванні палив спеціалісти на практиці вирішують проблеми втрат палив, серед яких основними є природні втрати, обумовлені випаровуванням вуглеводневих рідин. Загальні втрати від випаровування складають 2-5% від обсягу переробленої нафти, а в резервуарних парках втрати від випаровування досягають 75-80% від усіх втрат. Для резервуарного парку нафтопереробного заводу такі втрати складають 50 000 т вуглеводнів за рік.

Втрати палив від випаровування (природні втрати) призводять до погіршення їхніх експлуатаційних властивостей, насамперед пускових та антидетонаційних, що обмежує технічний ресурс двигунів транспортних засобів.

Актуальним також є екологічний аспект цієї проблеми, оскільки випаровування палива значно збільшує техногенне навантаження на навколишнє середовище.

Втрати вуглеводневих палив від випаровування в умовах їх зберігання обумовлюються властивістю нафти і нафтопродуктів випаровуватися з відкритої поверхні. При цьому основним джерелом втрат від випаровування є “дихальна” арматура резервуарів.

Тому найперспективнішим і ефективним напрямом вирішення проблеми запобігання втратам палив від випаровування є удосконалення “дихальної” арматури резервуарів.

Таким чином, актуальність теми обумовлена чотирма найважливішими народногосподарськими аспектами, а саме:

1) підвищенням ефективності і раціонального використання вуглеводневих палив запобіганням втратам від випаровування; 2) збереженням якості вихідних продуктів переробки нафти; 3) забезпеченням надійної, довговічної, безвідмовної роботи техніки; 4) зниженням ступеня техногенного навантаження на довкілля антропологічною діяльністю під час проведення технологічних операцій використання палива, мастильних матеріалів у техніці.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, які виконані в рамках дисертаційної роботи, спрямовані на вирішення державної науково-технічної програми “Економія пального та використання пально-мастильних матеріалів”. Робота також виконувалась згідно з планом науково-дослідних робіт кафедри загальної хімії і технологій Національного авіаційного університету в рамках держбюджетної науково-дослідної тематики № 820-ГБ98 “Дослідження фізичної стабільності рідких видів палива в умовах зберігання, перекачування та використання” (держ-реєстрація № 01980000707) і госпрозрахункових науково-дослідних робіт № 889-Х99 “Дослідження фізико-хімічних та експлуатаційних властивостей реактивного палива і автомобільних бензинів та їх впливу на роботу техніки” та № 943-Х99 “Дослідження сорбційних властивостей цеолітів, вугілля, силікагелів в процесі випаровування палив нафтового походження в умовах їх зберігання”. Проведення досліджень також виконувалося відповідно з планом науково-дослідних робіт Випробувального центру авіаційної хіммотології органу із сертифікації нафтопродуктів “УЦАХ-СЕПРО”.

Мета роботи і задачі дослідження. Мета роботи - моніторинг природних втрат палив при зберіганні та розробка способу їх зменшення.

Об`єкти досліджень - втрати від випаровування автомобільного, авіаційного бензинів та палива для реактивних двигунів.

Предмет дослідження - наукове та організаційно-технологічне забезпечення запобігання втратам від випаровування палив в умовах зберігання.

Для досягнення поставленої мети вирішувались такі задачі:

1. Моніторинг виробництва та споживання нафтових палив транспортними засобами в Україні та виявлення тенденцій розвитку ресурсо- і енергозберігаючих технологій у сфері використання нафтопродуктів.

2. Розробка методики та устаткування для кількісного дослідження втрат палив від випаровування при зберіганні.

3. Проведення лабораторних досліджень з добору сорбувальних матеріалів для ефективного адсорбування й десорбування легких фракцій автомобільного, авіаційного бензинів та палива для реактивних двигунів.

4. Розробка математичних моделей для розрахунку параметрів і ефективності способу зменшення природних втрат палив при зберіганні з використанням сорбувальних матеріалів.

5. Обґрунтування та розробка газовідвідної системи зменшення втрат палива від випаровування при зберіганні через комплексне поєднання сорбційно-десорбційних та термоелектричних процесів.

6. Створення та випробування газовідвідної системи зменшення втрат палива від випаровування в умовах зберігання з використанням сорбентів та визначення її економічної ефективності у порівнянні з діючими аналогами.

Для вирішення цих задач використовувались стандартні методи оцінки якості палив, спеціальні методи визначення сорбційно-десорбційних харак-теристик сорбувальних матеріалів в умовах ексикатору, термогравіметричні методи дослідження температурних інтервалів і кінетики десорбції речовин, а також хроматографічні методи.

Використовувались також розроблені автором дисертації методи дослідження на модельному обладнанні, які дозволяють вивчати вплив різних експлуатаційних факторів на величину втрат палива при зберіганні. Для проведення досліджень застосовувались методи математичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна роботи полягає у наступному:

1. На підставі сучасних уявлень щодо процесів масообміну в паливних резервуарах і сорбційно-десорбційних процесів розроблено фізико-математичну модель насичення резервуара парами вуглеводневої рідини, поглинання цих парів сорбентом з подальшим видаленням і конденсацією. Створення зазначеної моделі дозволило розробити наукові засади технологічного забезпечення вирішення проблеми запобігання втратам палив від випаровування при зберіганні в реальних умовах.

2. Визначено кінетику сорбції летких вуглеводнів С₁-С₅ у складі авіаційного гасу, авіаційного та автомобільного бензинів сорбентами різної природи. Встановлено, що при температурі навколишнього середовища найефективніше поглинання компонентів парів досліджуваних палив (до 50% мас.) забезпечується середньопористим силікагелем КСС-4, використання якого дозволяє реалізувати максимальні сорбційну ємність (450,24 мг/г) і сорбційну здатність (150-210 мг/г).

3. Визначено залежності швидкості десорбції летких вуглеводнів С₁-С₅ від температури і природи сорбувального матеріалу. Встановлено, що максимальна швидкість десорбції поглинутих компонентів парів досліджуваних палив середньопористим силікагелем КСС-4 спостерігається при температурі 90-105С, при чому ефективність десорбції досягає 86-93%. Визначені залежності забезпечують необхідні умови як вилучення поглинутих компонентів парів палив, так і пожежної безпеки використання середньопористого силікагелю КСС-4 у складі технологічної системи запобігання втратам вуглеводневих палив від випаровування при зберіганні.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі лабораторних та модельних досліджень розроблено технологічний процес зменшення втрат вуглеводневого палива від випаровування при зберіганні.

1. Розроблено метод моніторингу втрат палива від випаровування в умовах зберігання з використанням сорбувальних матеріалів. Застосування вказаного методу дозволяє кількісно оцінювати природні втрати палив при зберіганні.

2. Розроблена газовідвідна система резервуарної ємкості для легколетючих рідин, яка побудована на використанні сорбційних і термоелектричних процесів. Застосування зазначеної системи дозволяє знижувати втрати палив від випаровування при зберіганні на 86-93%.

3. Розроблено алгоритм вибирання необхідних параметрів для застосування зазначеної системи і розрахунку її ефективності.

Корисність і новизна отриманих результатів підтверджується позитивним рішенням на видачу патенту на винахід газовідвідної системи резервуарної ємкості для легколетючих рідин.

Розроблена система дозволяє одночасно вирішувати ряд актуальних практичних задач сьогодення, а саме: 1) збереження цінної вуглеводневої сировини; 2) забезпечення заданої якості палива протягом усього періоду зберігання; 3) забезпечення значного зниження техногенного навантаження на довкілля.

Основні результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес кафедри загальної хімії і технологій Національного авіаційного університету та застосовуються при проведенні хіммотологічних досліджень в Українському центрі авіаційної хіммотології “УЦАХ-СЕПРО”.

Особистий внесок здобувача. Наукові та методично-практичні результати дисертаційного дослідження були сформульовані і вирішені автором самостійно.

Автором безпосередньо обґрунтовано можливість застосування сорбентів для створення технологічної системи зниження втрат палив від випаровування при зберіганні. Визначено температурні режими кінетики сорбції і десорбції летких вуглеводнів середньопористими силікагелями КСС-3 і КСС-4 в статичних і динамічних умовах. Визначено необхідні умови застосування батареї термоелектричних модулів у складі розробленої технології. Розроблено сорбційний метод оцінки втрат палив від випаровування при зберіганні.

У спільних публікаціях за темою дисертаційної роботи автор зробив вагомий внесок.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи були повідомлені та обговорювалися на I і II міжнародних науково-технічних конференціях “Авіа-99”, “Авіа-2000” (м. Київ), науково-технічних семінарах кафедри, факультету, II звітній науково-практичній конференції Кримського факультету Університету внутрішніх справ МВС України (м. Сімферополь), VII міжнародній конференції “Ресурсоенергозбереження у ринкових відносинах” (м. Ялта), II науково-технічній конференції “Поступ в нафтогазовій та нафтопереробній промисловості” (м. Львів), VI міжнародній науково-практичній конференції “Нафта і газ України - 2000” (м. Івано-Франківськ), а також науково-практичних семінарах на базі об'єктів нафтопродуктозабезпечення корпорації “Борис Incorporated” і “Авіатермінал” аеропорту “Центральний” (м. Сімферополь).

Публікації. Основні положення і наукові результати дисертаційної роботи опубліковані в трьох статтях у наукових журналах і збірниках наукових праць та патенті України.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 114 найменувань і додатків. Повний обсяг дисертації складає 150 с., з них 124 с. основного тексту, 20 рисунків на 10 с., 51 таблиця на 34 с. і шість додатків на 19 с.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми, формулюється мета і задачі досліджень.

Перший розділ присвячений огляду й моніторингу сучасного стану проблеми паливозабезпечення України в аспекті ресурсо- і енергозбереження нафтових джерел енергії для транспортного сектора. Обґрунтовується необхідність проведення заходів щодо запобігання втратам вуглеводневих палив від випаровування при зберіганні в резервуарах в кількісному та якісному аспектах. Вивчено вплив якісно-кількісних змін палива на його експлуатаційні характеристики. Розглянуто перспективи вирішення проблеми створення умов для високоефективного використання нафтових палив з урахуванням вимог охорони навколишнього середовища.

Обґрунтовано напрям вирішення проблеми запобігання втратам палива від випаровування при зберіганні через удосконалення “дихальної” арматури резервуарів.

У другому розділі обґрунтовано вибір об'єктів і предмету дослід-ження, а також методики для визначення втрат палив від випаровування в умовах резервуарного зберігання. Подано характеристики сучасних палив, які застосовуються транспортними засобами і продукуються в Україні. Проаналізовано системи дренажної арматури паливних резервуарів як одного з основних джерел природних втрат нафти і нафтопродуктів при резер-вуарному зберіганні. Складено характеристики властивостей різних сорбентів з метою їх використання у складі газовідвідної системи, яка розроблюється. Визначено температурні режими процесів адсорбції і десорбції парів вуглеводневих палив різноманітними сорбентами. Подано матеріал щодо методики експериментальних досліджень. Лабораторні дослідження з добору сорбувальних матеріалів проводили в умовах ексикатора та використанням термогравіметричного методу із застосуванням дериватографа OD-102 фірми МОМ (Угорщина). Пристрiй дозволяє одночасно проводити гравiметричний, диференцiальний гравіметричний та диференцiальний термiчний аналiзи дослiджуваних зразкiв при температурі до 1000^оС, що дає можливiсть одержувати iнформацiю про температурнi iнтервали та швидкості десорбції речовин, загальні втрати ваги, термiчні ефекти, фазові переходи i розділення структур і т. ін.

Дослiдження десорбцiї адсорбованих парів палив та регенерацiї сорбентiв проводили також застосуванням вакуумування до тиску 46,66 Па.

Для дослідження парогазової фази в газовому просторі модельного резервуара застосовувалися хроматографічні методи аналізу.

Аналіз якісних змін досліджуваних палив внаслідок випаровування провадився за стандартними методами випробувань: за ГОСТом 2177 - визначення фракційного складу, за ГОСТом 3900 - густини, за ГОСТом 511 - октанового числа за моторним методом, за ГОСТом 6356 - температури спалаху, за ГОСТом 1752 - тиску насиченої пари, за ГОСТом 29040 - сумарного вмісту ароматичних вуглеводнів і бензолу.

Для проведення досліджень розроблено методику і устаткування, схема якого показана на рис. 1.

Умови проведення експерименту за допомогою устаткування цілком імітують реальні експлуатаційні параметри продукту в резервуарі, тобто широкий діапазон температур, тисків у навколишньому середовищі, а також температур палива в резервуарі, ступінь заповнення резервуара і швидкість його наповнення.

Експеримент провадять в три етапи. Перший етап передбачає оцінку втрат від випаровування при моделюванні процесу наповнення (великих “дихань”) резервуара.

У попередньо зважений контейнер масою m_к 8 поміщають підготовлений до експерименту сорбент масою m_с і зважують з точністю до 0,001 г за допомогою демпферних аналітичних терез типу ВЛА-200. Для реалізації процесу моделювання наповнення резервуара 5 за допомогою повітряного компресора 1 створюється необхідний надлишковий тиск (294,310² Па (0,3 ат); 49110² Па (0,5 ат); 686,710² Па (0,7 ат)), який контролюється манометром 2, у видатковому резервуарі 3. У такий спосіб паливо із заданою швидкістю через трубопровід надходить в основний резервуар. Кран 4 видаткового резервуара відкривають і заповнюють резервуар 5 до позначки заданого ступеня заповнення, що контролюють за допомогою мірної капілярної трубки 14 із ціною поділки 1 мм. При досягненні відмітки заданого ступеня заповнення резервуара 5 кран 4 закривають, виймають контейнер і зважують. За отриманими експериментальними даними визначають втрати G від випаровування (або сорбційну здатність сорбувального матеріалу) за формулою

де m_с - різниця маси сорбенту до і після наповнення резервуара, мг; m_кc - маса контейнера з сорбентом до заповнення резервуара; m_кc1 - маса контейнера з сорбентом після заповнення резервуара, мг.

Сорбційну здатність додатково оцінюють хроматографічним методом, визначаючи склад парогазової фази до і після контейнера із сорбентом. Для відбору проби (1 мкл) парогазової фази за допомогою хроматографічного шприца до сорбенту передбачений пробовідбірний отвір 11, а для відбору проби парогазової фази після сорбенту - у верхній частині “дихального” клапана 7. Обробку отриманих хроматограм провадять за еталонними хроматограмами, що були попередньо отримані при використанні еталонної газової суміші, тобто методом абсолютного калібрування.

Потім контейнер із сорбентом поміщають у конструкцію “дихального” клапана 6 і вмикають термоелектричний модуль (ТЕМ) 9, підтримуючи струм І 5А, напругу U - 8-9 V за допомогою випрямляча 12.

При досягненні температури гарячих спаїв ТЕМ модуля Т_м1 до 60^оС його вимикають. Потім контейнер із сорбентом виймають, зважують і оцінюють здатність сорбенту регенеруватися Р (ефективність десорбції) за формулою

,

де m_р.с - різниця маси сорбенту до і після регенерації, мг; m_kc2 - маса контейнера із сорбентом після десорбції, мг.

Другий етап експерименту являє собою оцінку втрат від випаровування при моделюванні процесу видачі палива.

Для реалізації моделювання процесу видачі палива з резервуара відкривають кран 4 для зливу продукту, імітуючи тим самим процес видачі і продування сорбенту конвективними потоками в “дихальному” клапані 6. Після того, як паливо з резервуара 5 повністю надійде у видатковий резервуар 3, кран 4 закривають. Виймають контейнер 8 із сорбентом і зважують, визначаючи ефективність десорбції Р₁ за формулою

,

де m_р.с1 - різниця маси сорбенту до і після продувки, мг; m_кc3 - маса контейнера із сорбентом після продувки, мг.

Для дослідження впливу температури палива на розмір втрат від випаровування в установці передбачений нагрівальний пристрій 13.

Третій етап експерименту передбачає оцінку втрат палив від випаровування і визначення ефективності роботи “дихального” клапана при моделюванні малих “дихань” резервуара. Для цього наповнюють резервуар 5 до рівня запланованого ступеня наповнення без контейнера із сорбентом у “дихальному” клапані. Після цього поміщають сорбувальний контейнер у конструкцію клапана і фіксують час початку етапу, температуру палива і навколишнього середовища, атмосферний тиск і масу сорбенту. Через добу знову фіксують ці параметри, виймають контейнер і зважують. Втрати від випаровування G₁ або сорбційну здатність сорбенту знаходять за формулою

,

де m_кc3 - маса контейнера із сорбентом в кінці етапу малого “дихання” резервуара, мг.

Вищеописані методика й устаткування дозволяють досліджувати втрати палив від випаровування при зберіганні, прийманні та видачі палива, застосовуючи адсорбційний метод у комплексі з кріотехнологією.

У третьому розділі наведено результати досліджень резервуарного зберігання нафтових палив на об'єктах паливозабезпечення України з метою визначення джерела природних втрат палив і вирішення проблеми їх запобігання.

Описано результати досліджень різних сорбувальних матеріалів. Результати дослідження кiнетики сорбції парiв вибраних нафтових палив промисловими та спецiальними сорбентами рiзної природи в статичних умовах показані на рис. 2-4, результати термогравіметричних досліджень з десорбції вибраних сорбентів наведені в табл. 1.

Аналіз отриманих результатів свідчить про те, що найбільш перпективними з досліджених для використання в процесі сорбційної рекуперації палив є середньопористі силікагелі марок КСС-3 і КСС-4. Видалення адсорбованих фракцій бензинів із цих зразків починається вже при кімнатній температурі Т_к і завершується при 210°С, а максимальна швидкість десорбції спостерігається в діапазоні температур 90-105°С.

Таблиця 1

Результати термогравіметричного дослідження пористих речовин різної природи після адсорбції палив

Сорбент	Температурний інтервал (Т, С) / видалення палива (g, % мас.)
	Автомобільний бензин	Авіаційний бензин	Авіційний гас
	Т / g	Т / g	Т / g
	поч.	макс.	Кінц.	поч.	макс.	кінц.	поч.	макс.	кінц.
КСС-3	18 100	95 8,5	212 0	13 100	95 18,3	210 0	40 100	132 4,8	300 0
КСС-4	18 100	90 8,7	205 0	18 100	105 19,6	211 0	45 100	146 4,9	310 0
NaX	18 100	230 11,1	367 0	22 100	230 10,6	344 0	47 100	282 7,7	550 0
СКТ	25 100	150 15,3	520 0	25 100	220 17,9	520 0	28 100	88 0,9	150 0

Теоретичною основою створення технічного засобу (системи) запобігання втратам вуглеводневого палива від випаровування стала теорія випаровування вуглеводневих рідин, розроблена А.С.Ірисовим, І.П.Бударовим, Г.Ф.Большаковим, О.О.Гурєєвим, Ф.Ф.Абузовою, Н.Н.Константиновим, а також також теорія сорбції газів і парів, описана С.Брунауером, І.Є.Неймарком, А.М.Тихоновим, О.О.Самарським та ін. З урахуванням зазначеного розроблено фізико-математичну модель для комплексного опису процесів, які відбуваються при функціонуванні системи під час великих і малих “дихань” резервуара. Такими процесами є сорбція, десорбція, конденсація.

В результаті моделювання одержана формула для визначення маси парів m_a вуглеводневого палива, накопиченого в циліндричному прошарку сорбенту діаметром d і довжиною L за одиницю часу:

,

де m_о - маса молекули парів вуглеводневого палива; а - концентрація насичених парів в газовому просторі резервуара об`ємом V.

З метою скорочення часу та автоматизації визначення ефективності розробленої системи для запобігання природним втратам вуглеводневого палива при зберіганні розроблено алгоритм, який дозволяє вибирати необхідні умови її застосування. Алгоритм використовує середовище аналітичних обчислень Maple V та адсорбційні й десорбційні характеристики конкретного сорбенту щодо парів визначеного палива.

Четвертий розділ присвячений розробці способу зменшення втрат від випаровування у складі “дихальної” арматури резервуарів, основаного на застосуванні сорбційних і термоелектричних процесів. Реалізовано методику проведення експерименту з дослідження втрат палива від випаровування і оцінки ефективності запропонованої газовідвідної системи. Наведено результати модельних досліджень щодо визначення ефективності зазначеної системи запобігання природним втратам нафтових палив при зберіганні. Показано адекватність моделей. Проведено техніко-економічний розрахунок розробленої системи.

Дослідження проводилося з метою встановлення таких характеристик:

1) сорбційної здатності сорбенту при малих “диханнях” резервуара;

2) сорбційної здатності сорбенту при великих “диханнях” резервуара;

3) експлуатаційних параметрів ТЕМ для забезпечення умов регенерації сорбенту і конденсації парів палива;

4) ефективності системи в комплексі сорбційних і термоелектричних процесів;

5) “життєвого” циклу сорбувального матеріалу.

На підставі проведення численних досліджень, аналізів методів і засобів запобігання втратам палив від випаровування створено модель “дихального” клапана нового типу, який конструктивно поєднує фізичні процеси адсорбції і конденсації термоелектричним охолодженням.

Розробка “дихального” клапана, який забезпечує уловлювання пари палива при великих і малих "диханнях" резервуара та повернення їх зрідженими назад в резервуар, а також життєздатність самого резервуара, заснована на комплексному застосуванні двох технологічних процесів у складі його конструкції:

1) сорбційного - для адсорбційного уловлювання летких вуглеводнів;

2) термоелектричного охолодження - для десорбції і конденсації рекуперованих парів палива та регенерації сорбенту.

Даний проект отримав умовну назву “дихального клапана нового покоління” (“ДКНП”). Він складається з трьох самостійних модулів - клапанного, сорбційного і термоелектричного. Розроблена газовідвідна система (“ДКНП”) фукціонує так. Підйомний канал розміщений у корпусі ТЕМ, а зв'язок між підйомним і опускним каналами здійснюється через сорбент, який знаходиться в спеціальному контейнері для поглинання парів вуглеводневої рідини. Система зв'язку з атмосферою забезпечується за допомогою клапанів “тиск” і “вакуум”, що конструктивно розміщують вище ТЕМ і контейнера із сорбентом. Таке конструктивне рішення сприяє запобіганню кількісним втратам вуглевод-невих рідин, виключає їхні якісні зміни і значно знижує забруднення навколишнього середовища. Термоелектричний модуль служить для утворення інтенсивної циркуляції парогазової суміші в газовому просторі й опускному каналі, для створення умов регенерації сорбенту, а також для конденсації летких вуглеводнів.

За результатами досліджень із визначення сорбційної ємності середньопористого (КСС-4) і широкопористого (КСК) силікагелів в динаміних та статичних умовах при моделюванні великих й малих “дихань” резервуара визначено, що середня сорбційна ємність середньопористого силікагелю КСС-4 при 21 циклі (протягом семи днів) великого “дихання” модельного резервуара складає 450,24 мг/г. Для крупнопористого силікагелю КСК відповідна величина становить 276,19 мг/г.

Наведені результати добре узгоджуються з результатами лабораторних досліджень кінетики сорбції парів вуглеводневих палив цими силікагелями. Це вказує на стабільність сорбувальної здатності вибраних сорбентів відносно парів вуглеводневих палив в різноманітних умовах їх експлуатації. За результатами досліджень з моделювання зливно-наливних операцій із застосуванням “ДКНП” (рис. 8) визначено, що при 300-х циклах сорбційна здатність та ефективність десорбції середньопористого силікагелю КСС-4 є практично сталими і складають відповідно 150-210 мг/г й 86-93%. Кількість циклів відповідає середнім показникам оборотності резервуарів, що визначає термін експлуатації сорбенту у складі “дихального” клапана протягом 30 місяців.

Згідно з методикою визначення економічної ефективності використання в народному господарстві нової техніки, винаходів та раціоналізаторських впроваджень очікуваний економічний ефект при впровадженні такої газовідвідної системи (“ДКНП”) складе 51321 грн.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. На підставі моніторингу сучасного стану проблеми запобігання природних втрат вуглеводнів при зберіганні палив нафтового походження вивчено різні методи зниження викидів летких вуглеводнів. Встановлено, що найбільшою ефективністю в сполученні з технологічною простотою є удосконалення дренажної арматури резервуарів.

2. Розроблено методику й створено модельну установку для визначення природних втрат палива для транспортних засобів в умовах зберігання нафтопродуктів у резервуарах із застосуванням сорбентів і термоелектричних модулів. Розроблена модельна установка використовується в Українському центрі авіаційної хіммотології “УЦАХ-СЕПРО” (Випробувальному центрі Органу із сертифікації “УЦАХ-СЕПРО”).

3. Вперше експериментально встановлено, що найбільш перспективними з досліджених сорбентів для використання в процесі сорбційної рекуперації автомобільного, авіаційного бензину і авіаційного гасу в промислових умовах є середньопористі силікагелі марок КСС-3 і КСС-4. Визначено, що середня сорбційна ємність вказаних сорбентів при 21 циклі (протягом семи днів) великого “дихання” модельного резервуара складає 450,24 мг/г. Видалення адсорбованих парів бензинів із цих зразків починається при кімнатній температурі і завершується при 210°С, а макси-мальна швидкість десорбції спостерігається в межах температур 90-105°С.

4. На підставі сучасних уявлень про масообмінні процеси при випаровуванні вуглеводневих рідин, закономірностей сорбційно-десорбційних процесів розроблена фізико-математична модель, яка дозволяє досліджувати динаміку насичення газового простору резервуарної ємкості парами вуглеводневої рідини, поглинання цих парів сорбентом із наступною десорбцією та конденсацією. Головне досягнення цієї моделі - створення наукових засад розробки технічного засобу зменшення втрат палив від випаровування.

5. Вперше розроблено принципово нову газовідвідну систему (“дихальний клапан нового покоління”) з використанням теоретичних принципів сорбційно-десорбційних і термоелектричних ефектів у складі “дихальної” арматури резервуарів. Система поєднує в собі три самостійних модулі - клапанний, сорбційний і термоелектричний.

6. Створено і випробувано в лабораторних умовах газовідвідну систему зменшення втрат палив від випаровування в умовах зберігання. Доведено життєздатність зазначеної системи та встановлено ефективність зменшення природних втрат нафтових палив у межах 86-93%.

Визначено, що при 300-х циклах моделювання зливно-наливних операцій сорбційна здатність та ефективність десорбції середньопористого силікагелю КСС-4 є практично сталими і складають відповідно 150-210 мг/г й 86-93%. З урахуванням 9-ти разових середніх показників оборотності резервуарів термін експлуатації сорбенту у “дихальному” клапані складе 30 місяців.

7. На підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень розроблено алгоритм вибирання умов для ефективного застосування розробленої газовідвідної системи.

8. Проведено порівняльний аналіз економічної ефективності від впровадження розробленої газовідвідної системи. Так, обладнання наземного вертикального резервуара для зберігання автомобільного бензину марки А-76 об'ємом 1000 м³ “ДКНП” забезпечить щорічну економічну ефективність 51 321 грн, що на 8 672 грн перевищує щорічну економічну ефективність від впровадження плаваючого понтону.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бойченко С.В., Литвинов А.А., Бойченко О.В., Ерьоменко С.М. Обеспечение сохранения количества и качества нефтепродуктов при хранении // Вісн. КМУЦА. - 2000. - № 1-2. - С. 196-199.

2. Бойченко С.В., Швец А.В., Бойченко О.В. Исследование сорбционных и десорбционных процессов на сорбентах различной природы при испарении углеводородного топлива // Проблемы системного подхода в экономике. - Сб. науч. тр.: Вып. 4. - К.: КМУГА. - 2000. - С. 179-189.

3. Рішення про видачу патенту на винахід 2000042226 Україна, МПК В 65 D 90/30. Газовідвідна система резервуарної місткості для легколетючих рідин / С.В.Бойченко, О.В.Бойченко, І.В.Григоренко (Україна). - Заявл. 18.04.2000.

4. Бойченко О.В., Бойченко С.В. Методическое обеспечение научных исследований по прогнозированию эффективности сорбционно-термоэлектрической технологии предотвращения потерь топлива от испарения в составе “дыхательной” арматуры резервуарной емкости // Проблеми загальної енергетики. - 2000. - № 3. - С. 62-64.

5. Бойченко С.В., Бойченко О.В., Аксенов А.Ф., Литвинов А.А., Ефименко В.В. Новый подход к решению проблемы естественных потерь нефтяного топлива от испарения // Труды 6-й Междунар. науч.- практ. конфер. “Нафта и газ Украины - 2000”. - Т. 3. - Ивано-Франковск: Факел. - 2000. - С. 16-17.

6. Аксьонов О.Ф., Бойченко С.В., Бойченко О.В., Литвинов О.О., Матвєєва О.Л. Запобігання природним втратам продуктів переробки нафти - найефективніший метод їх економії та раціонального використання // Матеріали 2-ї науково-технічної конференції “Поступ в нафтогазовій та нафтопереробній промисловості”. - Львів: Львівська політехніка. - 1999. - С. 89.

АНОТАЦІЇ

Бойченко О.В. Моніторинг природних втрат палив при зберіганні та застосування сорбентів для їх зменшення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.07 - “Хімічна технологія палива та пальномастильних матеріалів”. Національний авіаційний університет, Київ, 2001.

Дисертація присвячена моніторингу природних втрат палив при зберіганні і розробці технічних засобів для їх зменшення. Містить моніторинг виробництва та споживання нафтопродуктів транспортним сектором України. Розроблено метод моніторингу втрат палив від випаровування при зберіганні з використанням сорбентів. Проведено лабораторні дослідження з добору сорбентів для ефективної адсорбції та десорбції парів вуглеводневих палив. Розроблено фізико-математичну модель процесів масообміну у резервуарах, яка створює наукові засади для розробки технічного засобу зменшення природних втрат палив при зберіганні. Розроблено, створено та випробувано в лабораторних умовах газовідвідну систему запобігання природним втратам палив при зберіганні з використанням сорбентів і термоелектричних модулів. Розроблено алгоритм розрахунку ефективності зазначеної системи та вибирання параметрів її застосування. Визначено економічну ефективність розробленої системи у порівнянні з діючими аналогами.

Дисертація визначає напрями подальшого вдосконалення “дихальної” арматури резервуарів для запобігання природним втратам нафти та нафтопродуктів в умовах зберігання.

Ключові слова: моніторинг, вуглеводневі палива, випаровуваність, втрати, сорбенти, термоелектричні модулі, газовідвідна система.

Бойченко О.В. Мониторинг естественных потерь топлив при хранении и применение сорбентов для их снижения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.07 - “Химическая технология топлива и горюче-смазочных материалов”. Национальный авиационный университет, Киев, 2001.

Диссертация посвящена мониторингу естественных потерь топлив при хранении и разработке способа их снижения. Содержит мониторинг производства и потребления топлив транспортным сектором Украины. По результатам статистических исследований определено, что основным источником потерь нефтяных топлив от испарения является дренажное оборудование резервуаров. Определено, что основным способом хранения углеводородных топлив на объектах топливообеспечения Украины являются наземные резервуары, сооруженные 19-40 лет тому назад. “Дыхательное” оборудование резервуаров как физически, так и морально устарело, что является дополнительным интенсифицирующим фактором происхождения потерь топлив от испарения.

Анализ современных зарубежных технологий, направленных на снижение потерь нефтяных топлив от испарения при хранении, позволил сделать вывод о том, что их внедрение в условиях “переходной” экономики Украины является неприемлемым.

Обосновано приоритетность, перспективность и эффективность направления по решению проблемы уменьшения потерь топлив от испарения путем усовершенствования “дыхательной” арматуры резервуаров.

Актуальность этого направления обоснована четырьмя важнейшими народнохозяйственными аспектами, а именно: 1) повышением эффективности и рационального использования углеводородных топлив; 2) сохранением качества исходных продуктов переработки нефти; 3) обеспечением надежной, долговечной и безотказной работы техники; 4) снижением степени техногенной нагрузки на окружающую среду антропологической деятельностью при проведении технологических операций с топливами.

Для количественного исследования потерь топлив от испарения при хранении разработана методика и оборудование с использованием сорбирующих материалов. Методика позволяет исследовать кинетику испарения топ-лива в статических и динамических условиях, моделирующих технологические процессы сливо-наливных операций и хранения нефтопродуктов.

Для подбора сорбирующих материалов, отличающихся эффективной адсорбцией и десорбцией паров углеводородных топлив проведены лабораторные исследования. В качестве объектов исследования выбраны авиационный и автомобильный бензины, а также топливо для реактивных двигателей. Среди сорбирующих материалов исследовались промышленные и специальные цеолиты, силикагели и активированные угли. Поглощающая способность сорбентов изучалась в условиях эксикатора, а эффективность десорбции - термогравиметрическими методами и вакуумированием. В результате исследований определено, что наиболее эффективными из исследовавшихся сорбентов по адсорбции и десорбции паров выбранных топлив являются среднепористые силикагели марок КСС-3 и КСС-4. Данные сорбенты являются промышленно выпускаемыми, доступными и обеспечивают безопасный температурный режим поглощения и удаления паров топлив.

Основываясь на современных представлениях об массообменных процессах, происходящих в резервуарах, а также процессах сорбции-десорбции, разработана физико-математическая модель, которая стала теоретической базой для обоснования способа снижения естественных потерь топлив при хранении.

Разработана система предотвращения потерь топлива от испарения при хранении, работа которой основана на комплексном использовании сорбционно-десорбционных и термоэлектрических процессов. Созданная система объединяет в себе три самостоятельных модуля: клапанный, сорбционный и термоэлектрический.

На основании проведенных экспериментальних исследований на модельном оборудовании доказана жизнеспособность системы и установлена эффективность предотвращения естественных потерь нефтяних топлив в пределах 86-93%. Определено, что температурный режим термоэлектрических батарей по адсорбции и десорбции паров автомобильного бензина марки А-76 находится в диапазоне от температуры окружающей среды до 70^оС.

Основываясь на известных теоретических, эмпирических и полуэмпирических представлениях, а также экспериментальных данных, разработан алгоритм расчета эффективности газоотводной системы и выбора условий ее применения.

Определена экономическая эффективность разработанной системы в сравнении с действующими аналогами. Установлено, что для резервуара объемом 1000 м³, оборудованного “ДКНП”, экономия автомобильного бензина марки А-76 составит 25,9 т в год или 51 312 грн.

Диссертация определяет пути дальнейшего усовершенствования “дыхательной” арматуры резервуаров для предотвращения естественных потерь нефти и нефтепродуктов в условиях хранения.

Ключевые слова: мониторинг, углеводородные топлива, испаряемость, потери, сорбенты, термоэлектрические модули, газоотводная система.

Boychenko O.V. Monitoring of natural fuel losses at storage and use of sorbents for decrease in loss. - Manuscript.

The one's thesis on submitting of scientific degree of the Candidate of technical science on a speciality 05.17.07 - “Chemical technology of fuel and combustive-lubricating materials”. National aviation university, Kiev, 2001.

The thesis is devoted to monitoring of fuel natural losses at fuel storage and development of technology for their decrease. It contains monitoring of production and consumption of petroleum by a transport sector of Ukraine. The method of monitoring of fuel losses from evaporation at fuel storage with use of sorbents is developed. The laboratory researches on a sorbent selection for an effective adsorption and desorption of vapors of hydrocarbon fuels are conducted. The physical and mathematical model of processes of mass transfer in tanks, explaining scientific basis of equipment of fuel natural losses reduction at storage, is developed. Gas-freeing system for prevention of fuel natural losses at fuel storage with use of sorbents and thermoelectric modules is developed, created and tested in laboratory conditions. The technique and equipment for a quantitative research of fuel evaporative losses at storage is developed. The algorithm of account of the system efficiency and choice of parameter of its application is developed. The economic efficiency of the developed system in comparison with working analogs is determined.

The thesis determines paths of further improvement of the "respiratory" fixture of tanks for prevention of natural losses of oil and petroleum at storage.

Key words: monitoring, hydrocarbon fuels, vaporability, loss, sorbents, thermoelectric modules, gas-freeing system.

Размещено на Allbest.ru

...