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1、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02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；02体积分数；扩散各类汕罐，特别是汽汕汕罐，在定期检
2、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。II前油炸釆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。汕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㈡大的人员伤亡和㈡额的经济损失。其次，通风时间长，效率低。一般情况下，一个3000m3的汕罐通风作业，作业时间达20天左右，效率低下。因此，汕罐汕蒸气通风作业的安全性和效率一直是汕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冇良好抑制作用⑴叫釆用幡性气体对油罐内环境进行惰化置换处理，不仅捉高了通风作业的安全性，还
3、大大缩减了通风作业时间⑷。目前，惰性气休置换方法主耍有大气压力稀释法、压力循环法和抽真空法⑸。其中大气稀释法也叫通流置换法，是汕库常用的汕罐通风处理方法。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丨1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，叩先通过对油罐惰性气休置换过程进行合理的假设和简化，对该过程完成数学分析,然厉通过模拟实验得到修正参数的取值，
4、最厉得到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卜•限（1.3%）或者控制氧气休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，设汕罐体积为V,汕罐屮02体积分数为A,油蒸气体积分数为Bo悄性气体为制造成本较低的燃烧废气，主耍成分是02、CO?和N2,体积分数分别为Q、0和了。惰性气体以流量Q从油罐底部进入油油罐Q」►N2，02-1油气、N?、。2罐，与汕罐屮气体混介扩散后，经过罐顶的气体出口排图1油罐置换过程示意图入大气中。在惰化置换过程中无论是哪种气体组分，
5、都存在与其他气体组分的对流扩散过程，并口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，其他气休组分的变化规律就可以用相同的方法得到。本文选取O?作为数学分析的气体组分。1.1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ZI'川的流动与传质特性，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耳简化，推导出计算公式厉，再考虑气体扩散对置换过程的影响。故本文的假设简化如21)暂忽略惰性气体与罐内各气体组分的混介扩散过程，且假设任一时刻汕罐内各气体组分的浓度处处相等；2)排气口通大气，假设油
6、罐内的压力保持为常压，温度保持不变；3)置换过程屮无气体泄歸。1.2数学计算基于以上分析与简化，设置换时间t为自变量，汕罐内02的分体积V(t)为未知量,它是时间t的函数。釆用微元法，设油罐油蒸气在置换过程中某一时间间隔dt内罐内，02的分体积变化量为d(V(t)),其值应等于进入油罐内的02分体枳减去排出油罐的02分体积。惰性气体流量为Q,氧气体积分数为Q,所以dt时间内进入汕罐内的02分体积为a・Qdt。在t时刻油罐内O2分体积为V(t),所以罐内O2体积分数为也，可认为在时VV(1)(2)(3)(4)(5)间微元dt内保持不变，则dt时
7、间内排出汕罐的6分体积为巴o所以冇微分方程：Formula1初始条件：t=o,V(t)=A・V解式(1)并代入初始条件得：Formula2设罐内O2体积分数为C(t),贝IJ：Formula3解式(3),得油罐惰化置换时间:Formula4惰性气体用量：Formula5由式(3)可以看出当a,A,Q不变时，油罐惰化置换过程罐内6体积分数C(0与置换时间t成负指数关系变化；式(4)表明恰化时间t与惰性气体流量Q成反比，与罐内02体积分数C(t)成对数关系变化。若以油蒸气为分析对象，以上推导过程中，将A换为B,将Q换为惰性气休中油蒸气的体积分数(
8、惰性气体中不含油蒸气，值为0),并且记©(f)为汕罐内汕蒸气体积分数，此时用油蒸气体积分数表示的油罐惰化置换时间为：Formula6(6)1.3气体扩散对置换过程的
