ГАЗООТВОДНАЯ СИСТЕМА РЕЗЕРВУАРА ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ЛЕГКОИСПАРЯЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 1994 года по МПК B65D90/30 

Изобретение относится к химической и нефтеперерабатывающей промышленности и может быть использовано в оборудовании для хранения нефтепродуктов. Целью изобретения является снижение потерь от испарения при их длительном хранении.

В РФ имеются сотни герметичных резервуаров для хранения нефтепродуктов объемом 20-50 м³ и более. Эти резервуары оборудованы впускными и выпускными клапанами, которые позволяют поддерживать требуемое давление воздушной смеси внутри при колебаниях температуры окружающей среды. При "дыхании" резервуара происходит выброс в окружающую среду легкоиспаряющихся фракций (компонентов) нефтепродуктов. В результате этого изменяется экологическая обстановка окружающей среды, а самое главное ухудшаются физико-химические свойства нефтепродуктов от длительного хранения. Например, при хранении бензина снижается октановое число.

В большинстве случаев легкоиспаряющиеся жидкости являются взрыво- и огнеопасными веществами, поэтому для задач, где требуется циркуляция воздушной (газовой) смеси легкоиспаряющихся жидкостей, указанное целесообразно производить немеханическим путем без использования электровентилятора.

В заявке на изобретение N 4683560/30 от 24.04.89, решение на выдачу от 6.06.90 [1], было предложено использовать в газоотводной системе резервуара для хранения легкоиспаряющихся жидкостей термоэлектрический охладитель-конденсатор (ТЭОК) для улавливания легкоиспаряющихся фракций. Это техническое решение принято в качестве прототипа.

В этом техническом решение ТЭОК соединен газоотводной системой с резервуаром для хранения легкоиспаряющихся жидкостей. ТЭОК выполнен в виде соединенной с источником постоянного тока термоэлектрической батареи охлаждения, дроссельной насадки, установленной перед холодным теплообменником (радиатором), патрубка подвода и отвода воздуха с парами легкоиспаряющихся жидкостей. Корпус цилиндрического конденсатора выполнен секционным с двойными стенками, между которыми расположена термоэлектрическая батарея, холодные спаи которых прикреплены к внутренней стенке секции, а горячие - к наружной стенке секции, причем горячий теплообменник (радиатор) представляет собой наружную оребренную стенку корпуса конденсатора, соединенную с резервуаром посредством переходного кронштейна.

ТЭОК снабжен системой регулирования электропитания термоэлектрической батареи, содержащей потенциометрический датчик давления и компараторы, входы которых соединены с датчиком давления через масштабный усилитель и источником опорных напряжений, а выходы - через промежуточное реле с контакторами, соединенными с источником постоянного тока.

Внутренняя поверхность охладителя-конденсатора снабжена жалюзями, играющими роль холодного радиатора (теплообменника), на которых происходит конденсация паров влаги и легкоиспаряющихся жидкостей.

Техническое решение газоотводной системы резервуара для хранения легкоиспаряющихся жидкостей, включающее ТЭОК, предложенное в прототипе, имеет следующие недостатки.

Естественная циркуляция паровоздушной ( газовой) смеси относительно холодных радиаторов термоэлектрической батареи ТЭОК практически отсутствует. Имеет место только молекулярная диффузия паров легкоиспаряющихся жидкостей, которая находится на уровне разности парциальных давлений, измеряемых величиной порядка 0,01 МПа. Эффективность такой конструктивной схемы высаживания легкоиспаряющихся паров на холодных радиаторах термоэлектрической батареи охлаждения очень низкая. Для реализации этого технического решения требуется существенное увеличение габаритов ТЭОК и связанной с этим прежде всего площади холодного радиатора, на котором высаживается конденсат. Это приводит к существенному возрастанию потребляемой электрической мощности ТЭОК.

Целью изобретения является снижение потерь от испарения через газоотводную систему резервуара для хранения легкоиспаряющихся жидкостей.

Предлагается, что впускной канал образован укрепленным на крышке резервуара вертикально П-образным трубопроводом для сообщения газовой (паровоздушной) полости резервуара с опускным каналом ТЭОК, холодные радиаторы размещены в опускном канале, причем нижний участок опускного канала перед крышкой резервуара выполнен теплоизолированным.

Предложенные отличительные признаки в известных технических решениях не обнаружены, что позволяет сделать вывод о "новизне" и "существенных отличиях".

Предложенное конструктивное решение позволяет увеличить количество конденсата легкоиспаряемых компонентов на холодных радиаторах термоэлектрической батареи охлаждения за счет интенсификации процесса естественной циркуляции воздуха с парами легкоиспаряющихся жидкостей; повысить эффективность работы термоэлектрического охладителя, уменьшая его габариты, вес и энергопотребление, т. к. повышаются скорости перемещения паровоздушной среды относительно холодного радиатора, увеличивая тем самым коэффициент теплоотдачи α между ними.

Гарантированный положительный эффект по интенсификации процесса естественной циркуляции воздуха с парами легкоиспаряющихся жидкостей с одновременным повышением эффективности работы ТЭОК достигается за счет того, что в вертикальном опускном канале установлены холодные радиаторы термоэлектрической батареи, а подъемный канал соединен в нижней части с паровоздушным объемом резервуара, а в верхней части П-образным трубопроводом - с опускным каналом. Наличие разности температур паровоздушной смеси в подъемном и в охлаждаемом опускном каналах приводит к тому, что паровоздушная смесь начинает циркулировать естественным путем, перемешивая одновременно воздушную смесь в объеме резервуара, создавая тем самым равномерность парциального давления паров легкоиспаряющихся жидкостей по всему паровоздушному объему резервуара.

На фиг.1 представлена газоотводная система резервуара для хранения легкоиспаряющихся жидкостей; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Позицией 1 обозначен опускной канал, 2 - подъемный канал, 3 - термоэлектрическая батарея, 4 - холодный радиатор, 5 - горячий радиатор, 6 - впускной клапан, 7 - выпускной клапан, 8 - монтажная крышка, 9 - резервуар, 10 - П-образная трубка с фланцами, 11 - крышка, 12 - воронка, 13 - трубка, 14 - тепловая изоляция, 15 - переходник.

В опускном канале 1 размещаются холодные радиаторы 4 термоэлектрической батареи 3. В данном случае представлено четыре холодных радиатора (см. фиг. 2). Термоэлектрическая батарея 3, работающая на эффекте Пельтье, имеет традиционное конструктивное решение [2]. В термобатареях может быть использован прессованный или зонно-выровненный полупроводниковый материал с добротностью соответственно (1,9-2) и (2,4-2,5) х 10^-3 1/К. Указанным добротностям соответствует предельный перепад температур по спаям в пределах 58-65^оС. Горячий радиатор 5 служит для сброса тепла с термоэлектрической батареи 3 при работе ее на режиме охлаждения. В данном случае горячий радиатор 5 одновременно служит в качестве корпуса ТЭОК. Сверху горячий радиатор закрывается крышкой 11.

ТЭОК крепится на монтажной крышке 8 через переходник 15. Монтажная крышка 8 герметично устанавливается на резервуаре 9. Связь резервуара с окружающей средой осуществляется с помощью выпускного 7 и впускного 6 клапанов. Осушенная паровоздушная смесь после холодного радиатора 4 попадает в воронку 12 и в трубку 13, через которые также сливается конденсат обратно в резервуар 9.

Подъемный канал 2, выполненный в виде трубы, заделанный в монтажной крышке 8, в верхней части с помощью П-образной трубки 10 с фланцами соединен герметично с опускным каналом 1.

Газоотводная система резервуара для хранения легкоиспаряющихся жидкостей работает следующим образом.

При подаче электропитания на термоэлектрическую батарею 3 происходит охлаждение холодного радиатора 4 на 35 - 40^оС ниже температуры окружающей среды. Одновременно происходит охлаждение паровоздушной смеси в межреберном пространстве холодного радиатора 4. Т.к. охлажденная паровоздушная смесь тяжелее смеси в канале 2, то она, смещаясь вниз, вызывает естественную циркуляцию паровоздушной смеси всего резервуара 9. Для того, чтобы паровоздушная смесь после выхода с холодного радиатора 4 не нагревалась значительно, переходная воронка 12 и трубка 13 теплоизолируются от корпуса (горячего радиатора 5) и монтажной крышки 8 тепловой изоляцией 14, выполненной, например, из пенопласта марки ПС-1 или ПС-4. Тем самым не так значительно уменьшается температурный напор, создаваемый в опускном канале 1.

Как известно, расход воздуха, создаваемый путем естественной циркуляции, определяется интегральной разностью плотностей в сообщающихся сосудах и проходным сечением.

По предварительным оценкам при емкости резервуара 30-50 м³ ожидаемый объем паровоздушной смеси может составлять 6 - 10 м³, а ТЭОК может обеспечивать 1-2 м³/ч расхода паровоздушной смеси через себя.

Паровоздушная смесь охлаждается на холодных радиаторах 4 на 5-8^оС выше температуры самих холодных радиаторов, имеющих температуру порядка (-10) - (-20)^оС и ниже. При этом легкоиспаряемые компоненты конденсируются на холодных радиаторах и сливаются обратно через трубку 13 в резервуар 9, а влага из воздуха намораживается на холодных радиаторах. По мере нарастания влаги конденсата ("снежной шубы") на холодных радиаторах включается термоэлектрическая батарея в режим нагрева (обычно до температуры порядка 50^оС), и конденсат влаги сливается также в резервуар. Необходимо отметить, что продолжительность процесса нагрева и слива конденсата влаги не превышает 1-3% от продолжительности основного процесса охлаждения и осушения.

Горячий радиатор 5 служит для сброса тепла с термоэлектрической батареи 3. В работе горячий радиатор может нагреваться относительно температуры окружающей среды на 8-15^оС. Переходник, обеспечивая хороший тепловой контакт горячего радиатора 5 и монтажной крышки 8, также способствует теплосбросу с горячих спаев термоэлектрической батареи на металлоконструкцию резервуара.

При повышении температуры легкоиспаряющихся жидкостей в резервуаре, например, вследствие солнечной радиации, давление в резервуаре повышается, и срабатывает клапан 7.

При эксплуатации резервуара ночью происходит понижение температуры, и происходит всасывание окружающего воздуха через клапан 6.

Холодопроизводительность ТЭОКQ определяется следующей зависимостью
Q = α F (T_см- T_х) , (1) где α - коэффициент теплоотдачи от холодного радиатора к паровоздушной смеси;
F - площадь холодного радиатора;
T_cм и Т_х - температуры паровоздушной смеси и холодного радиатора.

Коэффициент теплоотдачи α при ламинарных потоках зависит линейно от перепада температур Т_см - Т_х и при фиксированном сечении канала от расхода паровоздушной смеси G, причем с увеличением G коэффициент α возрастает. При диаметре каналов 1 и 2 ориентировочно 35-40 мм можно ожидать скорость паровоздушной смеси в пределах 0,5-1 м/с. Для этих скоростей перемещения паровоздушной смеси коэффициент теплоотдачи α с учетом процесса конденсации будет находится в пределах 10-18 Вт/м²˙^оС. Для конструктивной схемы ТЭОК, представленной в прототип, где процесс теплообмена будет находиться на уровне диффузии, коэффициент α уменьшается примерно на порядок. Указанное приведет к тому, что для обеспечения требуемой холодопроизводительности ТЭОК (требуемого по производительности процесса конденсации паров из легкоиспаряющихся жидкостей) площадь холодного радиатора F, а следовательно, и весогабаритные показатели ТЭОК, представленного в прототипе, должны возрасти на порядок.

Процесс работы ТЭОК с резервуаром для хранения легкоиспаряющихся жидкостей может быть ориентировочно описан следующим дифференциальным уравнением:
(V- Gdτ ) d + G d_o dτ = V (d - dd) , (2) где V - объем паровоздушной смеси в резервуаре, м³;
d₀ - абсолютное значение паро-влагосодержания паровоздушной смеси на выходе из ТЭОК, г/м³;
d - переменное абсолютное значение паро-влагосодержания паровоздушной смеси в объеме резервуара, г/м³;
G - расход паровозушной смеси через ТЭОК, м/ч;
τ - время протекания процесса конденсации, ч.

Уравнение (2) имеет следующее решение
τ = ln , (3) где d_нач - начальное значение паро-влагосодержания паровоздушной смеси в объеме резервуара при начале работы ТЭОК (например, при заливке нефтепродуктов в резервуар).

Из уравнения (3) видно, что эффективность работы ТЭОК определяется в основном двумя показателями - абсолютным значением паро-влагосодержания паровоздушной смеси на выходе из ТЭОК d₀ (что определяется только величиной предельной охлаждения паровоздушной смеси на выходе из ТЭОК), а также расходом паровоздушной смеси G через ТЭОК (при этом чем выше расход, тем вероятность выброса легкоиспаряемых компонентов из легкоиспаряющейся жидкости в окружающую среду меньше, - эффективность работы ТЭОК резервуара для хранения легкоиспаряющихся жидкостей выше).

Предложенная газоотводная система резервуара для хранения легкоиспаряющихся жидкостей по сравнению с прототипом позволяет реализовать следующие преимущества:
увеличить количество конденсата на холодных радиаторах термоэлектрической батареи за счет интенсивной естественной циркуляции паровоздушной смеси легкоиспаряющихся жидкостей;
интенсифицировать процесс теплообмена между паровоздушной смесью из резервуара для хранения легкоиспаряющихся жидкостей и холодными радиаторами ТЭОК в 8-10 раз за счет создания естественной непрерывной циркуляции паровоздушой смеси через каналы холодных радиаторов охладителя-конденсатора;
сократить габариты, вес и энергопотребление ТЭОК в 2-3 раза за счет интенсификации процесса теплообмена на холодных радиаторах;
упростить схему управления работой ТЭОК и отказаться от прецизионного датчика парциального давления паровоздушной смеси;
снизить стоимость ТЭОК в несколько раз. (56) 1. Ефимов И.А., Зулупов З. Т. и др. Газоотводная система резервуара для хранения легкоиспаряющихся жидкостей, заявка на изобретение N 4683560/30 24.04.89, решение на выдачу от 6.06.90 г., кл. В 65 D 90/30.

2. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Справочник. Киев: Наукова думка, 1979, с. 420-436.

Использование: изобретение относится к химической и нефтеперерабатывающей промышленности и может быть использовано для хранения нефтепродуктов. Сущность изобретения: газоотводная система резервуара для хранения легкоиспаряющихся жидкостей содержит впускной канал, образованный укрепленным на крыше резервуара вертикально П-образным трубопроводом для сообщения газовой полости резервуара с опускным каналом термоэлектрического охладителя-конденсатора, холодные радиаторы размещены в опускном канале, причем нижний участок опускного канала перед крышей резервуара выполнен теплоизолированным. В процессе эксплуатации обеспечивается высокая эффективность работы охладителя конденсатора при одновременном увеличении количества конденсата на холодных радиаторах. 2 ил.

ГАЗООТВОДНАЯ СИСТЕМА РЕЗЕРВУАРА ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ЛЕГКОИСПАРЯЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ, включающая установленные на крыше резервуара впускной и выпускной клапаны, термоэлектрический охладитель-конденсатор, состоящий из корпуса с термоэлектрической батареей охлаждения, имеющей холодный и горячий радиаторы, впускной и центрально расположенный опускной каналы, и источник постоянного тока, отличающаяся тем, что впускной канал образован укрепленным на крыше резервуара вертикально П-образным трубопроводом для сообщения газовой полости резервуара с опускным каналом термоэлектрического охладителя-конденсатора, холодные радиаторы размещены в опускном канале, причем нижний участок опускного канала перед крышей резервуара выполнен теплоизолированным.