НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Бойченко Cергій Валерійович

УДК 665.733.003.13

Технологічні основи енергоощадності

у процесах транспортування та зберігання

моторних палив

05.17.07 – Хімічна технологія палива

та пальномастильних матеріалів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: | доктор хімічних наук, професор

Іванов Сергій Віталійович,

Національний авіаційний університет,

завідувач кафедри хімії

і хімічної технології

Офіційні опоненти: | академік Національної академії наук України, доктор технічних наук, професор Карп Ігор Миколайович, Інститут газу НАН України, почесний директор

доктор технічних наук, професор

Ковалко Михайло Петрович, Спостережна рада НАК

„Нафтогаз України”, голова

доктор хімічних наук, професор

Альтшулєр Марк Аврамович, Український науково-дослідний інститут нафтопереробної промисловості „МАСМА”, головний науковий співробітник

Провідна установа: | Український державний хіміко-технологіч-ний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра хімічної технології палива, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “ 15 ” квітня 2004 р. о 15оо годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.04 у Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1, корпус 1, ауд. 215.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці університету за адресою: м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1, корпус 8.

Автореферат розіслано “ 10 ” березня 2004 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент Матвєєва О. Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах обмеженої забезпеченості України первинними та вторинними енергоносіями пріоритетною постає проблема раціонального використання паливно-енергетичних ресурсів. Підвищення ефективності використання моторних палив натепер – це один із найреальніших напрямів вирішення енергетичних і екологічних проблем водночас.

Існуючий стан ефективності використання паливно-енергетичних ресурсів в Україні можна визначити як такий, що не відповідає сучасним вимогам. Однією з причин такого стану є втрати нафтопродуктів.

Сьогодні 40 % нафти виливається у море під час аварій танкерів, 27 % під час перекачки по нафтопродуктопроводах, 16 % – під час зберігання. Значна частина цих втрат – це втрати від випаровування під час виконання різних технологічних операцій, зокрема, зберігання і транспортування. Світові статистичні дані свідчать про те, що загальні втрати нафти та нафтопродуктів від випаровування коливаються у межах 0,5–1,7 % від загального об’єму переробленої сировини, тоді як в Україні вони суттєво більші й становлять 3–7 %. Якщо прийняти величину втрат за 5 %, то при переробці 19,4 млн т нафти за рік (дані 2002 р.) збиток становитиме 970 тис. т. Отже, під час зберігання, транспортування та розподілу щорічно втрачається ? частина видобутої власної нафти. Пояснюється це кризою теорії та методів енергоощадності. Нагальною потребою сьогодні є комплексне впровадження у практику нових методів економії моторних палив та нового енергоощадного обладнання, основаного на запобіганні втратам від випаровування під час зберігання і транспортування. Це потребує розробки та вдосконалення технологічних основ, принципів, моделей і концепцій енергоощадності, оскільки існуючі розробки не мають загального теоретичного підґрунтя.

Таким чином, розробка наукових основ раціонального та економного використання моторних палив у процесах транспортування та зберігання є актуальною науково-прикладною проблемою. Розв’язання цієї проблеми сприятиме створенню необхідних і достатніх умов для підвищення ефективності використання моторних палив, функціонування транспорту, підприємств нафтопродуктозабезпечення та енергетичної галузі в цілому, а також зниження техногенного впливу на довкілля.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з планами наукових досліджень кафедри хімії і хімічної технології Інституту транспортних технологій Національного авіаційного університету (ІТТ НАУ) в рамках науково-дослідних проектів № 820-ГБ98 “Дослідження фізичної стабільності рідких видів палива в умовах зберігання, перекачування та використання” (номер державної реєстрації 01980000707), № 889-Х99 “Дослідження фізико-хімічних та експлуатаційних властивостей реактивного палива й автомобільних бензинів та їх впливу на роботу техніки”, № 943-Х99 “Дослідження сорбційних властивостей цеолітів, вугілля, силікагелів у процесі випаровування палив нафтового походження в умовах їх зберігання”, № 054-Х01 “Дослідження фізико-хімічних властивостей автомобільних бензинів, що впливають на їх випаровуваність”, № 014-ВН/02 “Дослідження технологічних втрат палив та розробка практичних рекомендацій щодо їх нормативного забезпечення”, у яких автор був відповідальним виконавцем або науковим керівником.

Положення дисертаційної роботи знаходяться у контексті Національної програми “Нафта і газ України до 2010 року”, комплексної державної програми енергозбереження України, планів державних науково-технічних програм “Економія пального та використання пально-мастильних матеріалів” та “Економічні та технологічні перспективи розвитку енергетики”, а також Державної програми розвитку авіаційного транспорту на період до 2010 р.

Мета і завдання дослідження. Мета дисертації полягає у розробці технологічних основ енергоощадності у процесах транспортування та зберігання моторних палив. Для досягнення поставленої мети вирішувались такі завдання:

1. Виявити чинники, які впливають на розв’язувану в дисертаційній роботі науково-прикладну проблему, сформулювати гіпотезу та обґрунтувати методичну базу досліджень.

2. Виконати комплекс теоретичних та експериментальних досліджень впливу різних факторів на випаровуваність вуглеводневих рідин.

3. Розробити наукові основи економії та раціонального вико-ристання моторних палив у процесах транспортування та зберігання.

4. Розробити концепцію енергоощадності у процесах транспортування та зберігання моторних палив.

5. Розробити та випробувати технологічні системи зменшення втрат від випаровування, що основані на використанні сорбентів.

6. Упровадити результати досліджень на підприємствах нафтопродуктозабезпечення України та обґрунтувати ефективність розробленого енергоощадного обладнання порівняно з передовими світовими досягненнями цієї сфери науки й практики.

Об’єкт дослідження – випаровуваність і втрати у процесах зберігання й транспортування моторних палив.

Предмет дослідження – система технічного та науково-методичного забезпечення енергоощадності у процесах зберігання й транспортування моторних палив.

Методи дослідження: системного аналізу, системології, формалізації, гіпотетичні та абстрактно-логічні; аналітичні та стандартні фізико-хімічні методи вивчення випаровуваності палив; евристичні методи дослідження втрат; математичного моделювання та математичної статистики; методи енергетичного та термодинамічного аналізу; методи економіко-математичного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше науково обґрунтовано концепцію енергоощадності у процесах транспортування та зберігання моторних палив. Концепція передбачає запровадження загальнодержавного моніторингу втрат і ґрунтується на комплексному використанні найсучасніших організаційно-технічних заходів, спрямованих на запобігання втратам від випаровування, а також на підвищенні рівня відповідності норм цих втрат і технічної досконалості технологічного обладнання для транспортування та зберігання моторних палив. Реалізація цієї концепції сприятиме заощадженню моторних палив і зниженню антропогенного впливу на довкілля.

2. Набуло подальшого розвитку знання про взаємозв’язок фізико-хімічних параметрів вуглеводневих рідин та умов експлуатації технологічних об’єктів транспортування та зберігання моторних палив. Це створило наукові засади класифікації факторів, що спричиняють втрати, та напрями їх запобігання.

3. Одержано характеристики сорбційної здатності силікагелів, що дозволяє обґрунтовувати експлуатаційні параметри технологічних систем запобігання втратам від випаровування і створює наукове підґрунтя для впровадження та промислового освоєння запропонованих рекупераційних установок.

4. Удосконалено модель технологічної системи рекуперації вуглеводневих рідин. Порівняно з відомими ця модель адаптована до предмета дослідження і дозволяє конкретизувати параметри, обмеження та функціональні залежності.

5. Вперше одержано хіммотологічну модель комплексного моніторингу енергоощадності у процесах транспортування та зберігання моторних палив, яка поєднує економіко-математичні, методичні, технологічні та організаційні методи. Вона дозволяє прогнозувати напрями інновацій та цілеспрямовано змінювати цільові функції й обмеження, досягаючи оптимального рівня.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі результатів досліджень можна пропонувати ефективні напрями вирішення актуальних проблем енергетичної галузі, транспортного сектора, підприємств нафтопродуктозабезпечення на різних етапах і рівнях розгляду, а також вирішувати питання підвищення ефективності технології використання паливно-енергетичних ресурсів, оптимізації взаємодії різних дільниць і ланок системи нафтопродуктозабезпечення.

Найбільш вагомі результати, що характеризують практичну цінність дисертації такі:

1. Розроблено комплекс програмних модулів, що дозволяють здійснювати оперативне та ефективне прогнозування втрат у системі нафтопродуктозабезпечення, а також вирішувати завдання споживачів або постачальників щодо самостійного вибору енергоощадного обладнання з метою підвищення ефективності використання моторних палив.

2. Розроблено комплекс технологічних способів запобігання втратам від випаровування (енергоощадного обладнання) у процесах транспортування та зберігання. Результати модельних досліджень свідчать, що показники роботи запропонованого енергоощадного обладнання перевищують існуючі на 10–12 % і визначаються не тільки технічним рішенням, а й ефективністю (92 %).

3. Розроблено інноваційну стратегію вибору варіантів модернізації резервуарів для зберігання моторних палив.

4. Обґрунтовано структуру нормативного документа, який регламентує втрати нафтопродуктів від випаровування. Це має на меті подальший розвиток методики кількісного обліку нафти та нафтопродуктів, її упорядкування, поліпшення достовірності, універсальності та простоти застосування.

5. Удосконалено метод вибору оптимального засобу запобігання втратам від випаровування. Відмінність запропонованого методу від відомих полягає у використанні критерію, визначення якого основане на розрахунку собівартості зберігання палива в 1 м3 місткості резервуара.

Корисність і новизна отриманих результатів підтверджується шістьма патентами та 10 актами впровадження (економічна ефективність від упровадження технологічної системи запобігання втратам від випаровування на базі ВАТ „Одессанефтепродукт” становить 362,22 тис. грн на рік).

Основні результати, отримані у дисертаційній роботі, включено в курси дисциплін “Хіммотологія”, “Газ і паливно-мастильні матеріали”, що читаються на кафедрі хімії і хімічної технології ІТТ НАУ та на кафедрі суднових енергетичних установок і технічної експлуатації Одеського національного морського університету.

Особистий внесок здобувача. Усі положення і результати, що виносяться на захист, автор отримав самостійно.

У роботах, опублікованих у співавторстві, дисертанту належать: у працях [2, 8, 10, 11, 29–31] – узагальнення, систематизація даних щодо сучасного стану системи нафтопродуктозабезпечення України, основні ідеї та напрями розв’язання науково-технічної проблеми підвищення ефективності використання моторних палив; у роботах [14, 15, 28] – розв’язання теоретичних питань, пов’язаних із математичним моделюванням роботи технологічних систем рекуперації вуглеводневої пари; у роботах [4, 6, 13, 16, 18, 32, 33] – планування та постановка експериментів, аналіз та інтерпретація результатів досліджень; у роботах [23, 26, 27] – розробка нового енергоощадного обладнання. Роботи [1, 3, 5, 7, 9, 12, 20–22, 25, 34, 35] присвячено обґрунтуванню та розробці методології досліджень, концепцій, стратегії, алгоритмів і систем моніторингу. Праці [1, 3, 5, 7, 9, 11, 19, 20] написано без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались на міжнародній науково-практичній конференції “Обеспечение безопасности полетов в новых экономических условиях” (м. Київ, 1997 р.); на міжнародній конференції “Нафта-газ України–98” (м. Полтава, 1998 р.); II науково-технічній конференції “Поступ в нафтогазовій та нафтопереробній промисловості” (м. Львів, 1999 р.); VI і VIII міжнародних науково-практичних конференціях “Нафта і газ України–2000” (м. Івано-Франківськ, 2000 р.), “Нафта і газ України–2002” (м. Київ, 2002 р.); VII, ІХ, Х міжнародних конференціях “Ресурсоенергозбе-реження у ринкових відносинах” (м. Ялта, 2000 р., 2002 р., 2003 р.); I–V міжнародних науково-технічних конференціях “АВІА” (м. Київ, 1999-2003 рр.); міжнародному конгресі ”Аviation in the XXI century” (м. Київ, 2003 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано у 35 друкованих працях, серед яких монографія, 20 статей та шість патентів України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків (викладено на 210 сторінках), списку використаних джерел (303 найменування на 24 сторінках) і 11 додатків (на 55 сторінках). Загальний обсяг дисертації становить 176 сторінок друкованого тексту, 77 рисунків і 58 таблиць (35 рисунків і 11 таблиць викладено на 35 сторінках).

Автор висловлює глибоку вдячність професорам О. Ф. Аксьонову, І. А. Кравцю, В. М. Ледовських, О. О. Литвинову, В. В. Щепетову, д.т.н. О. І. Запорожцю, д.е.н. М. В. Кузубову, доцентам С. М. Єрьоменко, В. Ф. Новіковій, А. М. Ластовцю, к.х.н., с.н.с. Інституту фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України О. І. Швецю та к.х.н., пров. наук. співр. УкрНДІ НП “МАСМА” М. І. Вихрестюку за наукові консультації та цінні поради, а також співробітникам кафедри хімії і хімічної технології за допомогу в проведенні досліджень та впровадженні результатів роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, об’єкт і предмет досліджень, сформульовано мету й завдання дослідження, наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі розглянуто сучасний стан та перспективи використання моторних палив.

Аналіз ситуації на ринку нафтопродуктів у світі й Україні показав, що за низької ефективності використання паливно-енергетичних ресурсів та залежності України від зовнішніх постачань нафти питання енергоощадності набуває пріоритетного значення. Одна з причин критичного стану – втрати нафтопродуктів.

Для вирішення енергетичної та екологічної криз необхідно неперервно підвищувати коефіцієнт корисного використання усіх видів палива, що, у свою чергу, зменшує потребу зростання їх видобутку. Аналіз альтернативних напрямів (збільшення власного видобутку нафти, поглиблення переробки нафти, використання альтернативних джерел енергії) забезпечення транспортних засобів джерелами енергії доводить пріоритетність енергоощадності та пошуку інноваційних шляхів розвитку. Універсальність такого підходу уникає взаємовиключну залежність розглянутих альтернатив. У комплексі вони спрямовані на досягнення основного завдання хіммотології – ефективного та раціонального використання продуктів переробки нафти.

Констатується, що дотепер основними причинами втрат є морально та технічно застарілі технології й обладнання, використовуваного для транспортування, зберігання та розподілу моторних палив, а також нераціональна їх експлуатація.

Відомі технології зменшення втрат від випаровування не знайшли широкого впровадження здебільшого через такі основні причини: традиційне споживацьке відношення до нафти й продуктів її переробки лише як джерел енергії; відсутність комплексного підходу під час вибору оптимального методу запобігання втратам; відсутність на підприємствах нафтопродуктозабезпечення чіткого уявлення загальнодержавного значення проблеми економії та ефективного використання моторних палив.

Запобігти втратам означає – забезпечити економіку додатковою кількістю вуглеводнів, що втрачається внаслідок випаровування, продовжити термін працездатності двигунів і технічних засобів через збереження вихідного рівня якості продукту, а також значно знизити рівень техногенного впливу на довкілля.

На підставі вивченого досвіду вітчизняних і закордонних вчених доведено, що доцільним напрямом розвитку енергоощадності є розробка та застосування технологій запобігання втратам від випаровування, принцип дії яких оснований на використанні сорбційних процесів.

Таким чином, критичний огляд літературних джерел дозволив обрати напрями досліджень, що знайшло своє відображення у чіткому формулюванні об’єкта, предмета й завдань дисертації, створенні умов для досягнення мети та реалізації оптимальних шляхів вирішення науково-прикладної проблеми економного та раціонального використання моторних палив, підвищення ефективності функціонування транспорту, підприємств нафтопродуктозабезпечення та енергетичної галузі в цілому, а також зниження техногенного впливу на довкілля.

У другому розділі описано науково-методичні основи теоретичних та експериментальних досліджень втрат від випаровування. Наведено опис лабораторних і модельних установок, розроблених та використаних в експериментах за темою дисертації. Подано конструкції та опис стандартних і евристичних методів. Обґрунтовано науковий підхід до оцінки та прогнозування втрат палив від випаровування. На підставі цих даних запропоновано оцінювати ефективність заходів запобігання втратам від випаровування за хроматографічним або мас-спектральним методом визначення кількісного та якісного складу пароповітряної суміші.

Аналітичні методи оцінки втрат, акти випробувань та впроваджень, а також пакет прикладних комп’ютеризованих програм, які було розроблено під час проведення досліджень, наведено у додатках до дисертації.

Обґрунтовано потребу та розроблено методику застосування системного підходу, методів енергетичного та термодинамічного аналізу з метою оцінки ефективності використання та заощадження моторних палив.

У третьому розділі дослідження фізико-хімічних закономірностей випаровування вуглеводневих рідин виконувались з метою встановлення взаємозв’язку фізико-хімічних параметрів і стану технологічних об’єктів транспортування та зберігання моторних палив. Результати цих досліджень надалі були використані для обґрунтування теоретичної бази створення моделей, технологічних систем, а також у розрахунках експлуатаційних параметрів енергоощадного обладнання (способів зменшення втрат).

На підставі виявлених закономірностей зміни актинометричних і кліматичних факторів встановлено узагальнений параметр, що зумовлює температурний режим резервуарів – середньодобову температуру повітря.

Експериментально встановлено, що випаровуваність вуглеводневих палив можна контролювати за їх оптичними властивостями. Характер залежності показника заломлення від фракціону-вання різних моторних палив наочно ілюструє рис. 1.

Рис. 1. Залежність показника заломлення від фракційного складу палива:

1 – А-80ек (РS = 68 кПа); 2 – COR-81 (РS = 65,4 кПа); 3 – А-92 (РS = 57 кПа);

4 – РТ (РS = 39 кПа); 5 – JP-8 (РS = 40,1 кПа)

Результати цих досліджень створили наукову основу для обґрунтування методики оперативної оцінки фізичної стабільності та прогнозування втрат моторних палив від випаровування, що комплексно поєднує у собі рефрактометричний, графічний та аналітичний методи.

Наведено результати досліджень процесів насичення газового простору резервуарів парою палива. Експериментально встановлено якісно-кількісий компонентний склад пароповітряної суміші у газовому просторі резервуара залежно від ступеня наповненості резервуара. Доведено, що до складу пароповітряної суміші у газовому просторі при наповненні резервуара входять вуглеводні нормальної та ізо-будови від С3Н8 до С7Н16. У разі довготривалого зберігання спостерігається наявність більш високомолекулярних вуглеводнів, зокрема, аренів.

Вивчено та обґрунтовано умови паронасичення (температура, співвідношення парової (Vп) та рідинної (Vр) фаз, ступінь герметичності резервуарних ємкостей. Отримані результати дозволили обґрунтувати висновок про те, що втрати від випаровування сучасних автомобільних бензинів значно перевищують 5 %.

Вивчено вплив концентрації компонентів із низькою температурою кипіння на випаровуваність палив. Виявлено, що кожен відсоток доданого бутану спричиняє підвищення тиску насиченої пари (PS) на 2–5 кПа та зниженню tп.к на 1–4 оС.

Аналіз теоретичних і експериментальних досліджень показав, що для повного опису масообмінних процесів у газовому просторі резервуарів, крім тиску, концентрації насиченої пари, важливо знати такі взаємопов’язані параметри, як молярна маса, густина та коефіцієнт дифузії. На підставі отриманих результатів аналітичного визначення та експериментальних даних установлено ступінь відповідності відомих емпіричних залежностей.

Наведено результати дослідження втрат палива для реактивних двигунів від випаровування в умовах польоту літака. Експерименти проводили на спеціально розробленому стендовому обладнанні. Встановлено, що основними експлуатаційними факторами, які впливають на ці втрати, є атмосферний тиск, температура палива (переважно початкова) та умови польоту. Доведено, що питомі втрати палив для реактивних двигунів становлять 0,05 кг/м3.

Отже, кожне проведене дослідження має не тільки прикладне, але й створює достатні фізико-хімічні основи для розробки технологічних способів запобігання втратам від випаровування з метою підвищення ефективності використання моторних палив.

Четвертий розділ присвячено створенню наукових основ розробки енергоощадного обладнання (технічних засобів запобігання втратам від випаровування) і технологічних способів підвищення ефективності використання моторних палив.

У результаті досліджень дійшли висновку про те, що логічним напрямом підвищення ефективності використання моторних палив є модернізація (удосконалення, оновлення на підставі сучасних енергоекологічних новітніх технологій) технологічного обладнання (транспортних та резервуарних ємкостей), технічних засобів запобігання втратам від випаровування, зокрема, “дихального” обладнання. Основа і суть такої модернізації – комплексне поєднання високої ефективності й технологічної простоти розроблюваного енергоощадного обладнання, основаного на використанні сорбційних процесів. Обґрунтовано вимоги до сорбентів і зроблено висновок, що з погляду технологічності та ефективності сорбційним методам серед існуючих способів запобігання втратам моторних палив від випаровування альтернативи не існує.

На підставі теоретичних відомостей, апріорного уявлення про фізико-хімічні процеси, положень теорії моделювання обґрунтовано застосування сорбентів і термоелектричних модулів у технологічній системі запобігання втратам від випаровування. Для цього адсорбенти мають відповідати комплексу вимог: 1) висока селективність; 2) ефективне поглинання летких вуглеводнів; 3) ефективна регенерація; 4) промислова доступність, незначні капіталовкладення та безпека; 5) механічна міцність та оптимальний термін використання.

Виконано математичне моделювання процесів, які відбуваються у системі. Завдання моделювання – комплексний опис процесів під час великих і малих “дихань” резервуарної ємкості, таких як випаровування, масообмін, сорбція, десорбція, конденсація. Мета – створення теоретичного підґрунтя для розробки сорбційно-термодинамічного енергоощадного обладнання.

Оскільки сучасні уявлення про випаровування вуглеводневих рідин ґрунтуються на теорії подібності процесів теплообміну, ми беручи до уваги багатогранність та складність явищ розроблюваної технологічної системи в основу вибору методу поклали поєднання феноменологічного та теоретичного методів, яке передбачає складання детального математичного опису елементарних процесів, які входять до складного, через застосування експериментально-аналітичних залежностей.

Для розрахунку процесів рекуперації надзвичайно важливо визначити кількість леткої речовини у будь-якій технологічній операції. На основі аналізу теоретичних і експериментальних досліджень обґрунтовано використання формули розрахунку маси пари палива mп.п :

mп.п = Z Vр п.п. Сs = Z Vр п.п. ,

де Z – коефіцієнт заповнення резервуара; Vр – об’єм резервуара, м3; п.п – густина пари палива, кг/м3; Сs – концентрація молекул насиченої пари палива; – тиск насиченої пари палива, кПа; Рб – барометричний тиск, кПа.

Ґрунтуючись на сучасних уявленнях про процеси, що відбуваються на межі поділу твердої та газоподібної фаз, а також в об’ємі шару зернистого поглинача, було визначено математичну аргументацію умов переходу речовини на межі поділу твердої та газоподібної фаз:

де – кінетичний коефіцієнт, який показує кількість речовини (кг), що передається з потоку пароповітряної суміші 1 м3 сорбенту за 1 с при різниці між концентрацією речовини в парогазовому потоці С та концентрацією пари у, що знаходиться у стані рівноваги з поглиненою речовиною (1 кг/м3), 1/с; Fпог – поверхня поглинання в одиниці об’єму шару поглинача, м2/м3; – градієнт концентрації (зміна концентрації на одиницю довжини шляху речовини, що дифундує).

Розрахунок адсорбційного процесу передбачає визначення необхідної кількості адсорбенту, тривалості процесу поглинання та розмірів адсорбційної апаратури. Для цього треба знати фізико-хімічні константи як сорбенту, так і сорбату, а також вивчити характер кінетики адсорбції речовини, що поглинається на відповідному сорбенті.

У загальному вигляді процес адсорбції можна описати системою рівнянь:

де – швидкість потоку; Н – висота шару сорбенту; – об’єм простору між частинками сорбенту на одиницю об’єму шару; a – кількість адсорбованої речовини на одиницю об’єму шару сорбенту за період .

У результаті моделювання процесів технологічної системи рекуперації вуглеводневої пари було доопрацьовано рівняння маси вуглеводневої пари mп.па :

.

Однією із основних стадій будь-якого адсорбційного процесу є десорбція поглинутої пари. З метою оцінки кількості десорбованої пари mд, зважаючи на факт труднощів математичного опису десорбційних процесів, обґрунтовано застосування емпіричного підходу.

Масу конденсату mк запропоновано описувати рівнянням:

де Vконд – об’єм камери, де відбувається конденсація пари; L – густина рідини; Мп – молярна маса вуглеводневої пари; Q – питома теплота випаровування; R – універсальна газова стала; Т2 – температура пари на вихідному торці циліндра із сорбентом; Т1 – температура холодних радіаторів термоелектричного модуля.

Для теплоти конденсації пари палива було отримано таке рівняння:

Qк = cр п.п mп.п (T2 – T1) ,

де cр п.п – теплоємність пари палива (середнє значення теплоємності пари палива становить 1,6 кДж/(кг · К) при 0 оС); T1 – температура десорбції; T2 – температура конденсації.

У цьому розділі експериментально вивчено сорбційні процеси. Мета дослідження – обґрунтування вибору найоптимальнішого сорбційного матеріалу для застосування у розроблювальній моделі технологічної системи рекуперації вуглеводневої пари, а також випробування цієї моделі та визначення її найбільш ефективних експлуатаційних параметрів.

Вивченням кінетики адсорбції вуглеводневих сорбатів на сорбентах різної природи (18 марок із груп цеолітів, силікагелів і вуглецевих сорбентів) та дослідженням десорбції поглинутих вуглеводнів встановлено можливість використання силікагелів як високоефективного матеріалу для вловлювання вуглеводневої пари. Як модельні сорбати – найбільш поширені представники тієї частини компонентного складу моторних палив, яка є типовою у складі паливно-повітряної суміші газового простору резервуарів і наявність якої зумовлює втрати від випаровування – були вибрані: С5Н12, С6Н14, С7Н16, С8Н18, С11Н24, С6Н6, С6Н5СН3, СН3ОН та С2Н5ОН.

Вивчено вплив природи сорбенту на ефективність адсорбції. Одержані результати свідчать про те, що для всіх сорбатів, крім ундекану, має місце майже повне (85–99 %) заповнення вільного об’єму під час адсорбції.

Аналіз експериментальних даних дослідження десорбції поглинутих вуглеводнів дозволив виявити загальну тенденцію: найменше десорбуються сорбати із силікагелю КСМГ, найлегше відбувається десорбція силікагелю КСС-3.

Описано результати випробування лабораторної моделі технологічної системи рекуперації вуглеводневої рідини. Аналіз експериментальних даних показав, що результати дослідження сорбційних процесів для пари моторних палив (автомобільний та авіаційний бензини, паливо для реактивних двигунів) добре корелюють (за критеріями Фішера та Стьюдента) із результатами лабораторних досліджень.

Експериментальним вивченням “життєздатності” розроблю-вальної технологічної системи з’ясовано, що сорбційна ємність середньопористого силікагелю марки КСС-3 в умовах моделювання 60 великих “дихань” модельного резервуара досягає 0,635 г/г. Отже, навіть за великої оборотності резервуара (60 разів на місяць, що майже не спостерігається у реальних умовах) сорбційна здатність сорбентів характеризується “запасом”. Як результат модельних випробувань отримано робочі характеристики досліджених силікагелів та графіки роботи моделі технологічної системи запобігання втратам (рис. 2, 3).

Рис. 2. Характеристика сорбційної здатності силікагелю КСС-3

(умови досліду: температура 22,5–27,5 оС; тиск 99,4–99,7 кПа)

Рис. 3. Графік роботи технологічної системи запобігання втратам від випаровування при використанні силікагелю КСС-3:

0–1, 3–4, 7–8, 10–11 – заповнення;

1–2, 5–6, 8–9, 11–12 – вивільнення;

2–3, 6–7, 9–10, 12–13 -– прогрівання сорбенту;

4–5 – статичні умови (12 год)

Комплекс експериментальних досліджень дозволив визначити оптимальні експлуатаційні параметри технологічної системи: достатня температура регенерації сорбенту 80 оС (відповідно режим роботи блоку живлення термоелектричного модуля: напруга – 11 В, струм – 6 А).

Розглянуто питання обліку палива як одного із напрямів його економії. В умовах кардинальної зміни компонентного складу автомобільних бензинів відсутність сучасного регулювання облікових операцій, пов’язаних із втратами від випаровування під час виконання будь-яких технологічних операцій, призводить до значних збитків. Доведено, що на сьогодні спостерігається значне відхилення фактичних втрат від нормованих.

Результатом досліджень стала нова структура та методичний підхід застосування нормативного документа, що регламентує втрати від випаровування. Відповідно до цього втрати потрібно визначати за формулою

,

де Gн – нормативні втрати, кг; m – маса нафтопродукту і-го резервуара; N – норма втрат нафтопродукту j-го місяця, кг/т; Z – коефіцієнт заповнення і-го резервуара; x – кількість резервуарів; k – кількість місяців у звітному періоді.

Це буде сприяти як упорядкуванню кількісного обліку нафтопродуктів, так і більш ефективному удосконаленню способів їх транспортування та зберігання.

П’ятий розділ присвячено розробці концепції та хіммотологічної моделі комплексного моніторингу енергоощадності у процесах транспортування та зберігання моторних палив.

З метою вирішення технологічного завдання, тобто реалізації енергоощадного обладнання з використанням сорбентів у процесах зберігання через запобігання втратам від випаровування, запропоновано комплекс технічних засобів:

1) принципову схему технологічної системи запобігання втратам від випаровування в умовах зберігання;

2) технологічну систему рекуперації пари палива у процесі експлуатації транспортних ємкостей.

3) принципову схему запобігання втратам від випаровування під час дренажування паливних баків повітряних кораблів.

Принципову технологічну схему системи запобігання втратам від випаровування в умовах зберігання показано на рис. 4. Така схема являє собою газопорівняльну систему 2 групи резервуарів 1 у поєднанні з використанням адсорбера 5, до якого надходить вуглеводнева пара з накопичувача 3. Частково конденсуючись у трубопровідних комунікаціях газопорівняльної системи, паливо надходить до накопичувача конденсату 9, а потім за допомогою насоса 6 перекачується до резервуара 8. Утворений у результаті функціонування сорбційно-десорбційної системи (адсорбера 5) конденсат разом із потоком пароповітряної суміші через сепаратор 7 також надходить до резервної ємкості 8 за допомогою насоса 6. У сепараторі 7 внаслідок різниці густин рекуперат розшаровується на несконденсовану пару, що повертаються знову до адсорбера, та рідку фазу (конденсат). Накопичувач газу 3 з адсорбером 5 з’єднано запірною арматурою 4 і працює так. У разі великого “дихання” накопичувача 3 вуглеводнева пара надходить до адсорбера, де частково поглинається сорбентом та частково конденсується, за малого “дихання” сполучення з атмосферним повітрям також відбувається через адсорбер 5. При цьому сорбент частково десорбується і запобігає надходженню вологи та пилу до накопичувача.

Рис. 4. Принципова схема технологічної системи запобігання

втратам від випаровування в умовах зберігання

Виконано розрахунок та складено матеріальні баланси процесів адсорбційно-десорбційної системи (адсорбера) – основного конструкційного елемента технологічної системи запобігання втратам від випаровування в умовах зберігання (табл. 1).

Для успішного вирішення проблеми енергоощадності потрібно розробити і забезпечити функціонування загального державного моніторингу втрат моторних палив від випаровування, який передбачав би як управлінські, так і прикладні інженерні задачі прогнозування та оцінки фактичних втрат від випаровування, а також оцінювання відповідності нормативного забезпечення технічному рівню засобів запобігання втратам від випаровування.

Таблиця 1

Результати технологічного розрахунку адсорбційно-десорбційної системи

Загальна тривалість,

год |

Кількість потрібних операцій | Кількість операцій, що проходять за добу в одному адсорбері |

Кількість адсорберів |

Запас потужності,

%

2,5 | 16 | 10 | 2 | 25

Для більшості систем енергопостачання натепер неодмінною умовою є реструктуризація та модернізація як окремих елементів, так і системи в цілому. Важливий елемент – пошук та формування алгоритмів, процедур побудови систем, оцінка техніко-економічних показників їх технічних засобів, вибір обладнання для вирішення поставлених завдань щодо максимальної реалізації паливного потенціалу. Для цього було розроблено хіммотологічну модель комплексного моніторингу енергоощадності під час транспортування та зберігання моторних палив (рис. 5).

Критерій функціонування системи нафтопродуктозабезпечення – її максимальна ефективність за мінімальних витрат. Запропонована схема (рис. 5) зі зворотним зв’язком – своєрідний апарат оптимізації системи та алгоритм пошуку оптимальної стратегії вибору варіантів модернізації резервуарів для зберігання моторних палив, що дозволяє максимізувати економічний ефект від зменшення втрат.

Розроблена модель дозволяє вирішувати такі завдання:

1) визначення динаміки стану технологічного устаткування з погляду втрат від випаровування системи нафтопродуктозабезпечення для різних підприємств і прогнозування походження цих втрат;

2) оцінка прогнозного збитку (економічного й екологічного) від втрат палив від випаровування;

3) прогнозування ефективності застосування способів запобігання втратам палив від випаровування залежно від відповідного стану системи нафтопродуктозабезпечення;

4) оцінка і прогноз нормативного забезпечення втрат нафтопродуктів від випаровування та приведення цієї нормативної бази у відповідність до сучасного рівня технологічних способів зменшення втрат.

Рис. 5. Хіммотологічна модель комплексного моніторингу енергоощадності у процесах транспортування та зберігання моторних палив

Практична реалізація запропонованих моделі та алгоритму знайшла своє відображення у розробленій концепції комплексного вирішення проблеми енергоощадності у процесах транспортування та зберігання моторних палив (рис. 6).

Рис. 7. Структура концепції енергоощадності у процесах

транспортування та зберігання моторних палив

Ґрунтуючись на проведених дослідженнях, системному аналізі, методах техніко-економічного й енергетичного аналізів та застосовуючи розроблену хіммотологічну модель, нами створено інтегровану характеристику ієрархічної структури втрат моторних палив (на прикладі автомобільних бензинів) у процесах транспортування та зберігання, узагальнену характеристику ефективності використання моторних палив і стратегію вибору оптимального варіанта модернізації резервуарів для зберігання моторних палив, яка свідчить про те, що модернізації передусім мають підлягати резервуари великої місткості. За умови упровадження технологічних систем запобігання втратам від випаровування загальні втрати будуть зменшені до 0,29 % від об’єму виробленого нафтопродукту. Економічний ефект, при цьому, становитиме 94487 т на рік або 141 млн грн, що дозволить заощаджувати на виробництві (або закупівлі) додаткової кількості моторного палива. Енергетичні втрати зменшаться у 10,2 разу, а узагальнений коефіцієнт корисного використання – збільшиться у 1,021 разу.

У додатках наведено приклади робочих вікон із переліком вхідних даних комп’ютерного моніторингу прогнозування та оцінки фактичних втрат моторних палив від випаровування; аналіз втрат від випаровування за об’єктами зберігання і засобами транспортування; нова редакція комплексу організаційних заходів зменшення втрат від випаровування; приклади робочих вікон програмного модуля для підбору термоелектричних батарей, розрахунку експлуатаційних параметрів і ефективності розроблювальної технологічної системи запобігання втратам від випаровування; алгоритм пошуку оптимального варіанта модернізації резервуарів для типового нафтосховища; копії актів випробувань та актів упровадження; розрахунки економічної ефективності від упровадження розроблених технологічних систем.

ВИСНОВКИ

Результатом виконаної дисертації є вирішення науково-прикладної проблеми розробки наукових основ раціонального та економного використання моторних палив у процесах транспортування та зберігання.

Наукове значення роботи – вперше створено методологічний апарат, який дозволяє виконувати комплекс досліджень та оптимізацію технології використання моторних палив.

Прикладне значення роботи полягає у тому, що упровадження сорбційних технологічних систем дозволяє зменшити втрати від випаровування від 2,92 до 0,29 % об’єму виробленого продукту та отримати техніко-економічний ефект у натуральних одиницях – 94487 т/рік, у вартісних – 141 млн грн. В енергетичному еквіваленті економія становитиме 139 тис. т умовного палива. Крім того, зроблено значний внесок до розв’язання актуальних перспективних і поточних проблем енергетичної галузі, транспортного сектора та підприємств нафтопродуктозабезпечення на різних етапах і рівнях розгляду.

Результати дисертації дозволяють досягти світового технологічного рівня енергоощадності у процесах транспортування та зберігання моторних палив.

1. Вивчено умови паронасичення (температура, співвідношення парової Vп та рідинної Vр фаз, ступінь герметичності резервуарів.

На підставі аналізу вітчизняних і закордонних наукових праць обґрунтовано взаємозв’язок фізико-хімічних параметрів і стану технологічних об’єктів транспортування та зберігання моторних палив.

2. Обґрунтовано та розроблено науково-методичне забезпечення оцінки і прогнозування втрат, застосування системного підходу до підвищення ефективності використання моторних палив.

Запропоновано новий метод оцінки та прогнозування фізичної стабільності моторних палив, оснований на комплексному поєднанні графічного, рефрактометричного та аналітичного способів оцінки втрат.

3. Сформульовано вимоги до сорбентів і вивчено кінетику адсорбції вуглеводневих сполук (С5Н12, С6Н14, С7Н16, С8Н18, С11Н24, С6Н6, С6Н5СН3, СН3ОН, С2Н5ОН) на сорбентах різної природи та десорбцію поглинутих компонентів.

Для застосування у технологічній системі рекуперації моторних палив високу ефективність показали середньопористі силікагелі марок КСС-3 та КСС-4. Отримані результати добре корелюють (за критеріями Фішера Fексп Fтабл та Стьюдента tексп tтабл) із результатами досліджень сорбції пари моторних палив.

На основі експериментальних досліджень встановлено ефективну температуру регенерації сорбенту – 80 оС і відповідні експлуатаційні параметри роботи термоелектричного модуля: напругу – 11 В, струм – 6 А.

Вперше отримано характеристики сорбційної здатності вибраних силікагелів і графіки роботи технологічної системи під час їх застосування. Доведено, що сорбційна ємність силікагелю КСС-3 в умовах моделювання 60 великих “дихань” модельного резервуара досягає 0,635 г/г.

4. Удосконалено модель технологічної системи рекуперації моторних палив. Використано сучасні уявлення про випаровування вуглеводневих рідин, теорію сорбції газів і пари, конденсацію вуглеводнів.

Запропоновано комп’ютеризовані методи оперативного прогнозування втрат від випаровування у системі нафтопродуктозабезпечення, а також теплового розрахунку термоелектричного модуля технологічної системи, що дозволяє коректно обґрунтувати якісні та кількісні показники термоелектричних батарей.

5. Розроблено концепцію енергоощадності у процесах транспортування та зберігання моторних палив, що створює методологічну основу модернізації резервуарів та впровадження нових методів економії, основаних на запобіганні втратам від випаровування через застосування сорбентів.

6. Розроблено хіммотологічну модель комплексного моніторингу – апарат прогнозування, організації та оптимізації ефективного використання моторних палив. Обґрунтовано критерії оцінювання ефективності використання нафтопродуктів: коефіцієнт корисного використання, енергетичні втрати (сумарні витрати умовного палива) Ge, енергосировинний коефіцієнт корисного використання ().

Створено комплексну порівняльну характеристику ефективності використання моторних палив тепер і за умов упровадження розроблюваних технологічних систем.

Запропоновано стратегію вибору оптимального варіанта модернізації резервуарів для зберігання моторних палив.

Розроблено структуру та методичні засади удосконалення нормативного документа, що регламентує втрати нафтопродуктів від випаровування. Це має велике значення для виконання кількісного обліку.

7. Розроблено, створено, випробувано та апробовано комплекс енергоощадного обладнання: принципову схему технологічної системи запобігання втратам від випаровування в умовах зберігання; технологічну систему рекуперації пари палива під час експлуатації транспортних ємкостей; принципову схему запобігання втратам від випаровування під час дренажування паливних баків повітряних кораблів.

Встановлено ефективність технологічної системи – 91,7 %. Використано метод мас-спектральної термічної десорбції.

8. Упроваджено результати досліджень у ВАТ „Одессанефтепродукт”, ВАТ „Лукойл-Одесский нефтеперерабатывающий завод”, корпорації „Борис Інкорпорейтед”, ООО „Лукойл-Крим”, ЗАТ „Авіатермінал”, а також у навчальний процес Одеського національного морського університету та Національного авіаційного університету.

Дисертація визначає перспективні напрями удосконалення технології використання моторних палив, зокрема, обґрунтування технічних, організаційних і нормативних інновацій; дослідження перспективних сорбентів для застосування у системах рекуперації вуглеводнів; розвиток отриманих результатів стосовно таких об’єктів нафтопродуктозабезпечення, як нафтопереробні заводи та автомобільні заправні станції для підвищення ефективності використання вуглеводневих палив.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бойченко С. В. Раціональне використання вуглеводневих палив: Монографія. – К.: НАУ, 2001. – 216 с.

2. Белянський В. П., Бойченко С. В. Анализ путей сбалансированного развития производства и потребления нефтяных топлив в транспортном секторе Украины // Экотехнологии и ресурсосбе-режение. – 1997. – № 4. – С. 3–11.

3. Бойченко С. В. Проблема потерь топлив от испарения при эксплуатации авиатехники // Вісник КМУЦА. – 1999. – № 1. – C. 69–71.

4. Бойченко С.В., Турчак В.В., Борода Е.Л. Прогнозирование качественных и количественных изменений моторных топлив при хранении методом моделирования // Автоматика, автоматизация, электротехнические комплексы и системы. – 1999. – № 2. – С. 25–28.

5. Бойченко С.В. Рефрактометричний метод визначення втрат палива від випаровування // Методи та прилади контролю якості. – 2000. – № 6. – С. 87–90.

6. Апробація лабораторної моделі “дихального” клапана нового покоління для резервуарів / О. В. Бойченко, О. Ф. Аксьонов, С. В. Бойченко, О.