黄维秋;王兆利;纪虹;赵晨露;吕爱华;徐先阳;王翊红
【摘 要】It was of great significance correctly to predict the vapor diffusion and emission inside the tank for the researches of gasoline evaporation loss and vapor pollution control during the operation of loading gasoline into a tank. Then, two key parameters of the volumetric ratioλ of the displacement mixture gas of the vapor-air to the loaded gasoline and the qualitative ratioη of the evaporation loss to the loaded gasoline were mainly considered. Based on the models of volume of fluid (VOF), mass transfer and RNGk-ε turbulence, the evaporation loss was numerically simulated and experimentally investigated during the splash loading operation, and the oil vapor-air diffusion was analyzed and compared for the different loading exit heights, different loading velocity and the different initial vapor mass fraction. Meanwhile, an experimental system of evaporation loss in loading into a tank was built up to verify the numerical simulation, and the results of the numerical simulation were agreed well with the experimental data. The simulation results fu
rthermore showed that the higher of the loading exit, the greater the qualitative ratioη of the evaporation loss to the loaded gasoline. The qualitative ratio of high exit was at around 0.34% and the qualitative ratio of low exit at around 0.025% by the increase of the loading velocity. The qualitative ratioηof high exit was at around of 0.44%, the qualitative ratio of mid exit at around 0.21% and the qualitative ratio of low exit at around 0.043% by increasing the initial vapor mass fraction. It was recommended that the effect of loading velocity and the initial vapor mass fraction should be considered in API loss formula by using a clean tank and low exit when loading and reducing loading speed appropriately before the loading pipe exit was submerged.%正确预测储油罐收油作业时罐内油气扩散排放规律对研究油品蒸发损耗及污染控制具有重要意义，因而两个关键参数（油罐排放气液比λ及损耗率η）被重点考虑。基于VOF模型、扩散传质模型和RNG k-ε湍流模型，对汽油喷溅式装油损耗进行数值模拟研究。分析比较了不同装油口高度、不同装油速度、不同油罐初始油气浓度条件下罐内的油气扩散规律，并建立汽油装罐蒸发损耗实验平台验证以上数值模拟，模拟值与实验值吻合良好。研究结果表明：装油口位置越高，汽油损耗率η越大，随装油速度增大，高装油口损耗率η最大约为0.34%，低装油口约为0.025%。增大油 罐初始油气浓度，高装油口损耗率η最大约为0.44%，中装油口约为0.21%，低装油口约为0.043%。最后建议固定顶油罐大呼吸API损耗评估计算公式考虑装油速度及油罐初始油气浓度对蒸发损耗的影响，并尽量采用低装油口及清洗油罐装油。
施图伦【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2016(067)012
【总页数】12页(P4994-5005)
边通达
【关键词】汽油;蒸发;扩散;装油速度;初始油气浓度;数值模拟
【作 者】黄维秋;王兆利;纪虹;赵晨露;吕爱华;徐先阳;王翊红
舜文中学【作者单位】江苏省油气储运技术重点实验室 常州大学，江苏常州 213016;江苏省油气储运技术重点实验室 常州大学，江苏常州 213016;江苏省油气储运技术重点实验室 常州大学，江苏常州 213016;上海河图工程股份有限公司，上海 200000;江苏省油气储运技术重点实验室 常州大学，江苏常州 213016;江苏省油气储运技术重点实验室 常州大学，江苏常州 213016;江苏省油气储运技术重点实验室 常州大学，江苏常州 213016ite
【正文语种】中 文
三维数字化建模【中图分类】TE85
石油开采、炼制、储运及销售过程中，都会造成一定的蒸发损耗，不仅会造成资源浪费，对环境也会产生极大的污染。其中储运环节中装油过程是主要的损耗阶段，装油口位置对油品损耗及油气排放浓度（油气排放因子）的影响甚大。尽管目前各种油罐、罐车、油船基本采用顶部浸没式或底部装油，装油过程中油品的湍流运动能够得到有效控制，从而产生较少的损耗量[1]。然而油品通过油罐底部装油口装油时，在油品浸没装油口之前仍然会产生强烈的对流扩散传质。目前，汽油等轻质油品以内浮顶罐储存为主。带有油气回收处理系统的常压固定顶罐已经成为一种新的储油方式[2-4]。为此，拱顶罐收油作业时罐内油气扩散排放的机理分析并正确预测其排放规律，对研究油品蒸发损耗及污染控制具有重要意义，也可为目前国内正在实施的VOCs排污监管及收费提供理论依据。同时，该研究成果还可为罐车、油船、加油站地下储罐的油气排放评估做参考。
研究油罐喷溅式装油需要模拟空气和汽油的两相流动。主要使用VOF模型捕捉气液界面从而计算传质，数值模拟在该现象的研究上有广泛应用[5-7]。Waheed等[8]利用有限元法对
处在自然对流或强迫对流中的液滴的传质规律进行了解算。Haelssig等[9]采用VOF模型追踪气液相流的动态界面，研究了动态界面的传质规律。朱玲等[10]针对93#汽油的蒸发损耗过程进行了实验研究，分别模拟了上装浸没式进油、喷溅式进油、油罐静储存和地面敞口静置4种不同的油品蒸发状态。Hassanvand等[11]利用VOF模型研究了卧式油罐喷射装油，考察了温度、装油速度等操作条件对汽油蒸发质量和蒸发速率的影响。
上述研究大都针对自由液面的动态传质规律及收油过程中油品的蒸发率，并未对收油作业时油罐排放气液比、损耗率等变化规律进行研究，以及未对汽油等油品蒸发损耗进一步核实对比。为此本文通过对油罐喷溅式收油作业现象进行分析，依据计算流体力学理论基础，采用有限体积法求解流场的偏微分方程，选取VOF模型、RNG k-ε湍流模型及传质模型，并添加气液相界面质量源项，建立油罐喷溅式装油模型并采用PISO算法求解。通过比较装油口高度、装油速度、初始油气浓度条件下罐内油品蒸发扩散规律，为油罐收油损耗评估提供重要参考。
1.1 数学模型
油罐喷溅式装油的流动过程可以用VOF多相流模型计算，在VOF模型中不同的流体组分共
用一套动量方程，计算时在整个计算区域的每个计算单元内，都记录下各相组分所占有的体积率或体积分数。所以，VOF模型通过计算体积分数的连续性方程捕捉气液相界面。该方程为
式中，xv分别对应（x, y, z）3个方向的运动距离，m；uv为（x, y, z）3个方向的速度分量，m·s-1；t为时间，s；a代表体积分数。
当计算网格内全部充满气相时a=1，相反则a=0。气液相交界面可以在0<a<1时被捕捉到。
连续性方程为
式中，ρv是所求相的密度，kg·m-3；u为所求相的速度矢量，m·s-1。
动量守恒方程为
式中，xi、xj分别表示在x轴和y轴方向的运动距离，m；ui，uj分别表示在x轴和y轴方向的速度矢量，m·s-1；μ是动力黏度，Pa·s；g是重力加速度，m·s-2；p是绝对压力，Pa；ρ为混合密度，kg·m-3；fσ是体积力，N·(m3·s)-1。
湍流方程：油罐喷溅式装油属于湍流流动，其中RNG k-ε模型特别适用于VOF多相流模型[12]，因此，本模拟过程选择RNG k-ε模型。该模型对流动分离和二次流有很好的表现，与标准k-ε模型相比，有两个主要不同点：RNG k-ε模型为湍流黏性增加了一个公式；为耗散率增加了新的传输方程，更准确地反映了主流的时均应变率[13]。
RNG k-ε模型
式中，k是湍动能，m2·s-2；ε是耗散率，m2·s-3；常数σk=1.0，σε=1.2，Cμ=0.09，C1ε=1.44，C2ε=1.9；Gk是由于层流速度梯度产生的湍流动能，Gb是由于浮力而产生的湍流动能；μeff是有效动力黏度，Pa·s；υ是运动黏度，m2·s-1。
汽油油气是多组分混合物，传质过程较为复杂，为简化物理模型，将油气看成单一组分进行解算，气相组分输运标量方程为[14-15]
Deff是有效组分扩散系数，m2·s-1，它等于分子扩散系数和湍流扩散系数之和
式中，DAB是通过富勒定律计算的二元扩散系数，取8.9×10-6 m2·s-1；μeff是有效动力黏度，Pa·s；Sct是紊流Schmidt数。根据单相传质规律，传质通量与有效扩散系数和浓度梯
度有关[16]
山东理工大学商学院
式中，S是质量通量，kg·(m2·s)-1；x为油气浓度，kg·m-3；xc是饱和油气质量分数；A是气液相界面面积，m2。
1.2 物理模型
油罐模型如图1所示，油罐具体规格参数如下：罐直径60 cm，壁高89.5 cm，总高为120 cm，高装油口高度为117 cm，中装油口高度为56.5 cm低装油口高度为10.5 cm，鹤管直径1.5 cm，罐顶通气孔直径5 cm。由于油罐属于三维轴对称模型，为便于计算，简化为二维轴对称模型来计算。为了使计算结果更精确，采用结构化网格进行划分，并对油罐速度进口和压力出口以及油罐底部汽油喷溅区域进行加密，各装油口油罐网格数为280000左右，图2为低装油口附近网格分布情况。边界条件分别为速度入口和压力出口以及无滑移壁面边界条件。
由于本文模拟及实验油罐尺寸较小，为考察验证装油速度、初始油气浓度对油罐收油作业时油气扩散排放规律影响的放大效应，进一步对大型拱顶油罐收油过程进行数值模拟研究，
油罐具体规格参数如下：油罐内直径2370 cm，罐壁高1270 cm，油罐总高为1530 cm，装油口直径为20 cm，装油口距罐底的距离为40 cm，罐顶通气孔直径为25 cm。
