УСТАНОВКА УЛАВЛИВАНИЯ И РЕКУПЕРАЦИИ ПАРОВ МОТОРНОГО ТОПЛИВА ИЗ РЕЗЕРВУАРОВ НЕФТЕПРОДУКТОВ НА ОБЪЕКТАХ ТОПЛИВНОГО РЫНКА

Полезная модель относится к конструкции установок, предназначенных для хранения нефтепродуктов, используемых в нефтяной, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, а также других отраслях, связанных с хранением легкоиспаряющихся нефтепродуктов, например при хранении и розничной реализации бензинов на территории городских АЭС.
Предложенное устройство может быть использовано там, где применяются системы хранения и выдачи нефтепродуктов: автозаправочные станции (АЭС), нефтебазы, нефтеперерабатывающие предприятия, автотранспортные предприятия, на территории которых осуществляется заправка транспорта и т.д.
Задачей является снижение потерь нефтепродуктов за счет улавливания углеводородов из паровоздушной смеси, выбрасываемой в атмосферу из подземных или наземных резервуаров, содержащих углеводородные жидкости (нефть, бензин, керосин и т.д.) путем конденсации углеводородных паров, что приводит к улучшению экологической и противопожарной обстановки в районе размещения резервуаров (наземных, подземных) с любой формой поперечного сечения с хранящимися в них нефтепродуктами. Последнее особенно важно для городов-мегаполисов, например таких как г. Москва, с большой концентрацией автомобильного транспорта и плотной городской застройкой.
Известно техническое решение, направленное на сокращение потерь легкоиспаряющихся продуктов, согласно которому паровоздушную смесь (ПВС) пропускают через двухступенчатую систему охлаждения. Первая
ступень охлаждает ПВС до температуры плюс 0,5-1,5°С, вторая до минус 1-7°С (патент США №3266262, кл. 62-54). Недостатком данного изобретения является то, что указанная температура охлаждения недостаточна для эффективного (более 50%) улавливания углеводородов (см. книгу Константинов Н.Н., Борьба с потерями от испарения нефти и нефтепродуктов, М., «Гостоптехиздат», 1961, с.185). Кроме этого, температура выходящей ПВС отлична от температуры окружающей среды, что приводит к обмерзанию дыхательных клапанов (в теплое время года) и низкой термодинамической эффективности установки (затраты холода на выхолаживание окружающей среды).
Известно техническое решение, предусматривающее хранение нефтепродуктов с утилизацией паров (а.с. СССР №1406074, кл. B 65 D 90/30, 1988 г.), согласно которому конденсация ПВС производится путем барботажа последней через конденсатор, заполненный охлажденным нефтепродуктом. Предварительное охлаждение ПВС до 0°С обратным потоком холодного воздуха, позволяет как избежать ледяных пробок (при замерзании воды), так и уменьшить энергозатраты на предварительное охлаждение (до 0°С) ПВС. Недостатком данного способа охлаждения ПВС являются его ограниченные возможности, поскольку холода обратного потока выхоложенного воздуха оказывается недостаточно.
Известно техническое решение, также направленное на хранение нефтепродуктов с утилизацией паров (а.с. СССР №1406075, B65D90/30, 1988 г.), заключающееся в отборе ПВС из газового пространства (ГП) резервуара, пропускании ее в режиме барботажа через слой того же нефтепродукта и возвращении воздуха после барботажа обратно в ГП резервуара. Охлаждение барботируемого нефтепродукта происходит до температуры, ниже температуры соответствующих придонных слоев нефтепродукта и выше температуры, соответствующей нулевому парциальному давлению паров, посредством охлаждения низкотемпературным хладагентом и термостатирования заглублением в грунт.
Однако данное решение обладает ограниченностью его применения для резервуаров с переменным сечением (цилиндрические типа РГС, трапецеидальные), поскольку в указанных типах резервуаров невозможно использование эффективных плавающих защитных покрытий. Последнее обстоятельство является важным, поскольку при обеднении ПВС в ГП, из-за конденсации углеводородов и возврате чистого воздуха в ГП резервуара, происходит донасыщение последнего углеводородами (дополнительное испарение с поверхности жидкости), что приводит к возрастанию внутрирезервуарного давления (обратный выдох). Несмотря на то, что возвращаемый, очищенный воздух имеет температуру более низкую, чем отбираемая смесь, данный эффект имеет место некоторое время, поскольку скорость охлаждения ГП возвращаемым воздухом, а следовательно и верхних слоев нефтепродуктов меньше, чем скорость испарения последних в пространстве ненасыщенными углеводородами. В указанном решении используется плавающее покрытие и поэтому возможно сколь угодно малое обеднение или выхолаживание ГП резервуара без ущерба для сохранности нефтепродукта. При этом скорость нарастания концентрации углеводородов в несколько раз меньше, чем над незащищенной поверхностью.
Также известны другие технические решения в рассматриваемой области, патент США №5476986, 1995 г.; патент США №5490873, 1996 г.; патент США №5185486, 1993 г.; патент Японии №08-048984, 1996 г.; патент РФ №2050170, 1995 г.; патент РФ №2193001, 2002 г.
Однако все известные конструкции установок улавливания и утилизации паров углеводородов из резервуаров нефтепродуктов обладают рядом недостатков, связанных либо с большими материальными затратами и сложностью их эксплуатации, либо с недостаточной эффективностью и ограниченностью использования.
Задачей предложенной полезной модели является снижение концентраций выбрасываемых углеводородов в атмосферу до величины верхнего концентрационного предела взрываемости паров (для
автомобильного бензина 5,2%), снижение потерь нефтепродуктов при хранении и выдаче, утилизация паров углеводородов для резервуаров с любой формой поперечного сечения при отсутствии плавающего покрытия-понтона, реализация на базе доступных комплектующих.
Для решения поставленной задачи была разработана конструкция установки улавливания и утилизации паров углеводородов из резервуаров нефтепродуктов, содержащая соединенные между собой системой теплоизолированных трубопроводов резервуар в виде емкости (1) для хранения нефтепродукта, включающей полость с жидким нефтепродуктом и газовую полость с паровоздушной смесью, теплоизолированный от окружающей среды трубопровод (2), по которому паровоздушная смесь поступает в испаритель-теплообменник (3), охлаждаемый холодильной машиной (4),после которого очищенные пары поступают в атмосферу и линию слива (5) конденсата нефтепродукта в резервуар (1),.
Для увеличения степени конденсации углеводородов и уменьшения количества вымерзающей влаги в теплообменнике, испаритель-конденсатор (3) может быть выполнен их 2-х супеней, первая из которых (3') служит для охлаждения ПВС до температуры +0.5...+1°С, а вторая (3") для охлаждения до требуемой низкой температуры, в частности от -80 до -40°С, при этом у первой ступени предусмотрено средство отвода воды (6).
При этом, для увеличения термодинамической эффективности установки, с целью максимального использования холода очищенного потока ПВС, двухпоточный конденсатор-теплообменик (3') заменяется трехпоточным (3"), а в систему добавляется охлаждаемый обратным (осушенным и очищенным от углеводородов) потоком ПВС рекуперативный теплообменник (7) с линией отвода конденсата.
С целью дальнейшего совершенствования процесса очистки ПВС и разделения сконденсировавшейся смеси вода-углеводороды, на составляющие, полученный в теплообменниках-конденсаторах (7), (3'"), (3") конденсат поступает в бак отстойник конденсата (9), состоящий из корпуса с
наклонной перегородкой, являющимся сепаратором с гидростатическим затвором, осуществляюим разделение смеси, за счет изменения высоты столба жидкости, включающий датчик уровня конденсата (9), соленоидный клапан(Ю), открывающийся по срабатыванию датчика уровня (9).
Для достижения простоты системы, увеличения степени извлечения легких фракций, термодинамической эффективности, уменьшения себестоимости, увеличения ресурса работы, легкости модернизации, ранее рассмотренная холодильная машина (4) разбивается на 2: холодильная машина, охлаждающая до температуры -20°С (4') и холодильная машина, предназначенная для достижения более низких температур (от -20°С до -40...-80°С). Такое решение обусловлено как различным аппаратурным оформлением вышеуказанных холодильных машин, так и более экономичной их работой, поскольку холода обратного потока на 80% хватает для работы трехпоточных теплообменников (3'") и таким образом холодильная машина (4') работает только при начальном захолаживании - выходе установки на режим. Дальнейшее ее включение происходит намного реже, чем холодильной машины (4"), благодаря чему увеличивается ресурс работы холодильной машины (4') и уменьшается как потребляемая ею электрическая мощность, так и суммарная установки.
Сущность предложенной полезной модели иллюстрируется на представленных фиг.1 -5:
Фиг.1 - изображение основной блок-схемы установки;
Фиг.2 - изображение блок-схемы установки с раздельным двухступенчатым основным испарителем-теплообменником 3', 3";
Фиг.3З - изображение блок-схемы установки с дополнительным рекуперативным теплообменником и трехпоточным испарителем 3'"
Фиг.4 - изображение блок-схемы установки с основным испарителем 3", дополнительным рекуперативным теплообменником, трехпоточным испарителем 3''' и баком сборником-сепаратором конденсата 8, оснащенного датчиком уровня 9 и соленоидным клапаном 10 на сливной магистрали
конденсата.
Фиг.5 - изображение блок-схемы установки с основным испарителем 3", соединенным с дополнительной холодильной машиной 4", служащей для охлаждения до температур (-40...-80)°С, дополнительным рекуперативным теплообменником 7, трехпоточными теплооменниками-испарителями 3''', баком сборником/сепаратором конденсата 8, оснащенным датчиком уровня 9 и соленоидным клапаном на сливной магистрали конденсата 10, и.
Обозначения на фиг.1-5:
1 - подземный резервуар (емкость);
2 - теплоизолированный трубопровод подачи паров;
3 - испаритель-теплообменник;
3 - двухпоточный испаритель первой ступени;
3" - двухпоточный испаритель второй ступени;
3''' - трехпоточный испаритель;
4 - холодильная машина (ХМ);
4' - основная холодильная машина первой ступени;
4" - дополнительная холодильная машина второй ступени;
5 - линия слива конденсата;
6 - средство отвода воды;
7 - дополнительный рекуперативный теплообменник;
8 - бак-сборник/сепаратор конденсата;
9 - датчик уровня;
10-соленоидый вентиль на линии слива конденсата. На Фиг.1 изображена схема предлагаемой установки. Установка работает следующим образом. В режиме хранения, выдачи нефтепродукта, «большого дыхания» (вытеснение паров при наполнении резервуара) ПВС подается по термоизолированному трубопроводу 2 в испаритель-конденсатор 3. охлаждаемый до низкой температуры (-20...-80)°С холодильной машиной 4. Образовавшийся при этом конденсат по трубопроводу (линии) слива 5 поступает в резрвуар. Очищенная паровоздушная смесь(воздух) поступает в
атмосферу. Следовательно, снижение концентрации паров в атмосфере в месте расположения резервуара 1 приводит к увеличению пожаробезопасности АЗС.
На Фиг.2-5 изображены схемы предлагаемых модификаций установки. Поскольку в составе паровоздушной меси находится вода, как растворенная в бензине, так содержащаяся в воздухе, то охлаждение смеси в теплообменниках приводит к обмерзанию последних, появлению инея, ледяных пробок на тракте прохождения ПВС. Это уменьшает теплопередачу и эффективность охлаждения паровоздушной смеси, и как следствие конденсацию углеводородов. Во избежание появления инея, обмерзания теплообменник-испартель 3 разбивается на два: 3'- испаритель-конденсатор первой ступени, охлаждаемый до температуры +0.5...+1.5°С, приводящее к максимальному выделению воды на нем, сливаемой по линии слива 6 и 3"-испаритель-конденсатор второй ступени, осуществляющий конденсацию более высококипящих фракций углеводородов, чем в теплообменнике-испарителе 3'. Поскольку, тепло ХМ 4, особенно при «больших дыханиях» тратится на охлаждение ПВС от температуры окружающей среды до температуры конденсации нефтепродукта, то целесообразно использовать холод обратного (очищенного) потока, для предварительного охлаждения ПВС (до температур +10°С +5°С). Для этой цели теплообменник-испаритель-конденсатор 3' разбивается на два: 3"'- трехпоточный испаритель и 7- дополнительный рекуперативный теплообменник. В рекуперативном теплообменнике-испарителе осуществляется предварительное охлаждение вытесняемой ПВС до температур +10...+5°С, а также нагрев обратного потока (очищенная ПВС) до температуры близкой к температуре окружающей среды, что приводит к увеличению термодинамической эффективности установки, снижению потребляемой электроэнергии и отсутствию инея, наледи на выходном конце трубопровода выхода очищенных паров. Образующийся при предварительном охлаждении в рекуперативном теплообменнике конденсат также сливается в резервуар по
линии слива 5.
Поскольку температура охлаждения ПВС в рекуперативном теплообменнике в большинстве случаев ниже точки росы, то образующийся конденсат содержит в себе воду. Для отделения конденсата углеводородов от воды и уменьшения содержания влаги в бензине и газовом пространстве резервуара установка оснащается устройством сбора и отделения на части воды и бензина, состоящее из бака - сборника/разделитель конденсата 8, датчика уровня 9 и соленоидного вентиля (клапана) 10. Бак сборник конденсата состоит из перегородки, являющейся статическим гидрозатвором, осуществляющей пространственное разделение смеси вода-бензин за счет изменения высоты столба жидкости (разности плотностей последних), и отводящих патрубков. Вода, имеющая более высокую плотность, по сравнению с углеводородами, из нижнего патрубка отводится через устройство слива. При достижении определенного уровня бензина срабатывает датчик уровня 9, что приводит к открытию соленоидного вентиля 10 и сливу конденсата в резервуар.
Получение более высоких степеней очистки ПВС (до 90...95%) требует более низких (менее -30°С) температур. В этой связи не эффективно использовать одну ХМ, поскольку холода обратного потока вполне достаточно для выхолаживания, теплообменников 3''' и 7. Поэтому холодильная машина 4 разбивается на две: 4'-основная холодильная машина первой ступени, охлаждающая ПВС до температур (-25...-20)°С, и 4"-дополнительная холодильная машина второй ступени; служит для охлаждения-конденсации углеводородов в составе ПВС до более низких температур (-80...-20)°С. Для получения более отрицательных температур в холодильной технике используется другой тип ХМ, нежели в случае 4,4', что обусловлено конструктивными, технологическими особенностями техники низких температур. Оснащение установки дополнительной ХМ 4" и двухпоточным теплообменником-испарителем 3''', приводит к увеличению ресурса работы ХМ 4', уменьшению эксплуатационных затрат, за счет
использования холода обратного потока в рекуперативном теплообменнике 7 и в трехпоточных испарителях второй и первой ступенях 3', 3''' соответственно.
Соединение резервуара 1 с рекуперативным теплообменником 7 и теплообменников между собой выполняется, с целью избежания рассеяния холода в окружающую среду и преждевременной конденсации/испарения ПВС, термоизолированным трубопроводом 2.
Следующие конкретные элементы могут использоваться для создания предложенной установки:
3
Резервуары (емкости) для хранения нефтепродукта производства ОАО «Уралтехнострой-Туймазыхиммаш», Республика Башкортостан на 10, 25, 50, 75, 100 м или серийно выпускаемые ГУП нефтебаза «Красный Яр», Новосибирская обл., резервуары типа РГС/РГСП, ЕП и т.д. Холодильная машина производства ЗАО «Остров», г. Мытищи или фирмы «Норд», г. Москва. Испаритель-теплообменник до +1°С производства ОАО «Уралтехнострой-Туймазыхиммаш», Республика Башкортостан или ЗАО Газхолодтехника, г.Москва. Испаритель-теплообменник до -80...-40°С производства ОАО «Уралтехнострой-Туймазыхиммаш», Республика Башкортостан или ЗАО Газхолодтехника, г. Москва. Бак сепаратор конденсата производства ГП Опытный Завод МГТУ им. Н.Э.Баумана, г. Москва. Соленоидный бензоклапан КА-1 ФГУП «Завод им. М.И.Калинина», Санкт-Петербург. Датчик уровня конденсата RSF84Y100R CRYDOM.
Использование предложенной установки позволяет не только эффективно снизить концентрацию выбрасываемых углеводородов в атмосферу и потерю нефтепродуктов при их хранении и выдаче, но и утилизировать пары углеводородов в резервуарах с любой формой поперечного сечения, а также достигается легкость переналадки имеющихся АЭС, нефтебаз, НПЗ, присутствует простота в обслуживании и ремонте.