高岭 曹世良 北京美盛沃利工程管理有限公司 北京 100015

减压过程中易挥发组分排放量的估算

高岭*曹世良 北京美盛沃利工程管理有限公司 北京 100015

分析现有计算化工减压过程中VOC排放量的模型存在的缺陷，建立一个新模型，比较发现新模型计算结果更可信，可作为减压过程中VOC排放量的优先推荐计算模型。

减压过程排放量模型估算

工业生产中常常会遇到减压过程，它描述的是从压力容器或贮罐中将不凝气体释放的过程，也指通过真空泵或蒸汽喷射器将容器压力从大气压抽至真空的过程。如果容器中含有易挥发性组分(Volatile Organic Component，简称VOC)，则在减压过程中释放出的气体将是容器中的VOC饱和气体。减压过程大致包括:

(1)间歇压力反应釜(或高压釜)完全反应阶段的卸压过程。

(2)含有VOC的压力容器中填充气体的排放。

(3)压力过滤机卸除滤饼前的卸压过程。

(4)真空蒸馏塔开车前的抽真空过程。

工艺工程师常根据调节要求对气体的排放量进行估算。本文分析现有估算模型存在的问题，提出一个新的减压过程中气体易挥发性组分排放量的估算模型。

1 现有估算模型

据文献［1］［2］目前有两个有关减压过程的估算模型。

1.1 EPA模型

该模型基于可凝组分对不凝组分初末期分压之比值的算术平均值。模型计算为式(1):

该式只有在压力变化范围不太大，且VOC的饱和蒸气压比系统操作压力低得多时才会得到较合理的VOC泄放量计算结果。如果VOC的饱和蒸气压接近系统的操作压力，则该式的计算结果将比实际泄放量大得多。

1.2 Hatfield模型

Hatfield意识到EPA模型的局限性，提出了一个改进的减压过程泄放量算法。为保持与EPA模型的一致性，Hatfield模型将释放的可凝气体总量与容器中不凝气体分压(而不是系统总压)相关联，如式(2):

对式(2)进行变量替代重排，以不凝气体初末期分压作为边界条件进行积分可得到计算式(3):

该模型选择以不凝气体的分压(而不是以系统总压)作为独立变量，但在式(3)中Hatfield引入了一个异常特例，随着VOC饱和蒸气压接近系统最后总压，该特例将变得极为显著。在极限条件Pt2－Pc=0下，式(3)将得到一个无穷大的未知数。

2 推荐模型

本模型意在消除Hatfield算法的极限情况，图1为压力容器的减压过程，假设减压为一等温过程。

在减压过程的任意一个给定时刻，容器上部空间气体总量可表示为:

图1 压力容器减压过程图

因是一恒温减压过程，则容器上部气相始终被VOC所饱和，对于一个微小压力变化，VOC蒸发量可忽略，则VOC气相分率Pc/Pt可认为不变，容器中气体排放总量为:

其中，VOC排放量可表示为:

对式(6)以Pt1及Pt2作为边界条件进行积分，并以Wc=nc×Mc进行替换，则可得到排放气体中VOC的重量计算式(7):

当容器中无液体，亦无液体蒸发至容器上部气相空间中，因而在整个减压过程气相中VOC的摩尔分率将保持不变(Pc/Pt)=(Pc/Pt1)，此时对式(7)进行积分则有:

3 估算举例

首先提出VOC的饱和蒸气压计算公式

该公式来源于ProSim公司软件Component Plus Version 3.0.0.0。

CS2:A=67.114;B=－4820.4;C=－7.5303;D=0.0091695;E=1适用范围为161.11～552K。

丙酮:A=69.006;B=－5599.6;C=－7.0985;D=6.2237E－6;E=2，适用范围为178.45～508.2K。

异丙苯:A=102.81;B=－8674.6;C=－11.922;D=7.0048E－6;E=2，适用范围为177.14～631K。

例1:合成氨净化工段使用耐硫催化剂进行CO变换，开车前用CS2对催化剂进行硫化，以低压氮气作载气。硫化结束后CS2贮槽进行卸压操作。贮槽容积为5.11m3，气相空间容积为4.88m3，操作压力为0.165MPa(A)，减压到常压即0.101325MPa(A)，操作温度为25℃，估算排放的气体中CS2的排放量。25℃时CS2的Pc为47837Pa，Mc为0.076143kg/mol，R为8.314 J/(mol·k)，由式(7)得:

例2:含有丙酮的料浆使用4.5m3的Nutsche压滤机进行过滤，操作压力为2570mmHg(A)，温度为26.7℃，在过滤结束时进行卸压，估算此过程中VOC的排放量。假设气相容积为整个压滤机容积的一半，丙酮Pc为33062.42Pa，Mc为0.05808kg/mol，则由式(7)计算可得:

例3:蒸馏塔开车前从常压减压至100mmHg (A)。抽真空时操作温度为25℃，塔高为23m，塔内径为2.14m(总容积为82.68m3)。假设塔的气相空间充满异丙苯饱和气，估算抽真空过程中VOC的排放量。25℃时异丙苯Pc为608.6Pa，Mc为0.1202kg/mol。

过程1:假设塔内还存有残留液体异丙苯，塔内气相空间仍充满VOC饱和气，排出的VOC量则由式(7)计算可得:

过程2:假设塔内无残留液体，塔内气相空间初始充满VOC饱和气，随着抽真空过程的进行，塔内气相中VOC的摩尔分率维持不变，排出的VOC量则由式(8)计算可得:

4 模型比较

三种化工操作过程和三种模型的计算结果比较，见表1。

过程1:CS2贮槽卸压过程。贮槽内气相物料为N2(不凝组分)及CS2(VOC)气体的混合物，CS2分子量Mc为76.143。

表1 三种模型计算结果比较

过程2:Nutsche压滤机中含丙酮料浆压滤过程。气相物料为N2(不凝组分)及丙酮(VOC)气体混合物，丙酮分子量Mc为58.08。

过程3:蒸馏塔开车前抽真空过程。气体空间容积82.68m3。气相物料为异丙苯(VOC)与空气(不凝组分)的混合物，异丙苯分子量Mc为120.2。

从表1可看出，在大多数化工过程中，EPA模型计算出的VOC排放量比推荐模型计算值至少大2倍，而当化工过程中的VOC饱和蒸气压接近操作压力时，这种偏差更为显著(过程1－5，2－4，2－5，3－4及3－5)。

Hatfield算法在多数化工过程中与推荐模型的偏差在10%～40%。而当VOC的饱和蒸气压接近最后的操作压力时，该偏差亦较为明显(过程1－5，2－4，2－5，3－4及3－5)。

5 结语

新的减压过程VOC排放量计算模型可应用于更多场合，既可应用于估算当容器中VOC的饱和蒸气压接近最后的操作压力时VOC的排放量，也适用于估算容器中无液体蒸发时VOC的排放量，因此可作为减压过程中VOC排放量计算的优先推荐模型，为排放气处理提供可靠的设计依据。

符号说明

McVOC摩尔质量(分子量)

ncVOC排放总摩尔数，kmol

nt容器中气相空间总摩尔数，kmol

nt1初始压力下，容器中气相空间气体总摩尔数，kmol

nt2过程末期压力下，容器中气相空间气体总摩尔数，kmol

Pc容器操作压力下VOC饱和蒸气压，Pa

Pnc1容器中非冷凝气体的初始分压，Pa

Pnc2容器中非冷凝气体的过程末期分压，Pa

Pt1系统初始压力，Pa

Pt2系统末期压力，Pa

R通用气体常数=8.314J/(mol·K)

T系统内操作温度，K

V容器中气相空间容积，m3

wcVOC排放量，kg

1 Hatfield，J．A．．Improved Algorithm for Estimating Process E-missions from Batch Depressurization．Environmental Progress，17(3):195－198(Fall 1998)．

2 Gomez，J．V．Calculate Saturated-Gas Loads for Vacuum System．Chem．Eng．，98(6):149(June 1991)．

3 梅安华等．小合成氨厂工艺技术与设计手册(上册)〔M〕．北京:化学工业出版社，1995年4月．

4 Reinhard Billet．Distillation Engineering．Chemical Publishing Co．，Inc．1979．

5 吴俊生，邵惠鹤．精馏设计、操作和控制［M］．北京:中国石化出版社，1997年12月．

6 国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册(上、下)(第二版)［M］．1996年1月．

7 美国防火协会，化学危险物品资料［M］．施志勇译，北京:群众出版社，1975年．

8 杨胜璧等．化学危险品安全实用手册［M］．成都:四川科学技术出版社，1987．

9 国家质量技术监督司综合处编，化学危险品法规与标准实用手册［M］．北京:中国计量出版社，2001年12月．

Defects in the existing model for calculation of VOC emission during pressure reduction in chemical plants have been analyzed and a new model is set up．Based on comparison with the existing model，the calculation results from the new model are found to be more convincing and therefore can be used as a priority model for VOC emission calculation in the course of pressure reduction．

Estimation of Volatile Organic Component Emission during Pressure Reduction

Gao Ling，et al
(Beijing MaisonWorleyParsons Co.，Ltd．Beijing 100015)

pressure reductionemissionvolatile organic componentHatfield modelestimation

*高岭:工程师。1995年毕业于吉林化工学院有机化工专业。现从事化工工艺设计。联系电话:(010)59245269。E－mail:ling．gao@worleyparsons。

2011－07－24)