油船裝貨過程液艙油品蒸發的數值研究

張 乾，盧金樹，鄧佳佳，朱 祥，陳 云，石敦章

(1.浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江舟山 316022；2.浙江海洋大學港航與交通運輸工程學院，浙江舟山 316022；3.舟山博睿船舶科技開發有限公司，浙江舟山 316000)

油船裝貨過程液艙油品蒸發的數值研究

張 乾1，盧金樹2，鄧佳佳2，朱 祥2，陳 云2，石敦章3

(1.浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江舟山 316022；2.浙江海洋大學港航與交通運輸工程學院，浙江舟山 316022；3.舟山博睿船舶科技開發有限公司，浙江舟山 316000)

雖然近年來部分油船安裝了VOCs回收系統使得油船在裝貨過程中VOCs排放量減少，但是油船仍是VOCs排放的主要來源。VOCs排放到空氣中不但使優質油品浪費，而且還時刻威脅著裝載過程的安全，因此控制VOCs排放是解決問題的關鍵。本文針對油船裝貨過程中液艙內油品的層流形態，基于擴散傳質模型與擾動能理論提出一種蒸發模型，通過對Fluent的二次開發將該模型與VOF(Volume of Fluid)多相流模型及輸運模型結合，研究油船裝貨過程中裝貨速度產生的擾動能對液貨艙油品的蒸發影響。結果表明：數值模擬結果與模型試驗一致性良好，驗證了蒸發模型的準確性；同一裝載率下，裝貨速率越大，產生的擾動能越大，蒸發速率越大；液貨艙油品蒸發大致可分為0-5%、5%-20%及20%-95%三個階段。此次研究可以為油船裝貨過程控制液貨裝載速度減少油品蒸發提供理論依據。

油船；液貨艙；蒸發模型；數值模擬

VOCs（揮發性有機化合物）是油品蒸發產生的主要成分[1]，在油船裝貨作業過程中，VOCs極易排放至空氣中，不僅造成大氣污染和油品輕質成分的浪費[2]，還時刻威脅著裝貨作業的安全性。針對油品蒸發的研究，最初是MACKAY與MATSUGU基于經典水蒸發理論和實際生產中獲得的數據提出的半經驗油品蒸發公式[3]，并指出在非限制空間中油品蒸發速率與氣液界面風速、液面直徑以及Schmidt數成正比。考慮到環境因素的影響，STIVER等人在此基礎上提出的新的油品蒸發模型[4,5]，新模型適用性及準確性都有所提高，但由于油品屬于混合物，組分復雜，其蒸發更是復雜，新的蒸發模型在油品蒸發早期尚可使用，研究后期偏差極大。針對油品中的單一成分或者多種成分進行研究獲得傳質模型[6,7]，對油品復雜成分的蒸發沒有適用性，其原因是油品中的輕質成分更易蒸發出來，在外界的擾動下輕質成分蒸發的更快。針對限制性空間的油品蒸發，一般是基于擴散理論進行推導[8-10]，在獲得油品蒸發的成分及各成分性質的基礎上，通過加權等數學方法將混合氣作單一成分處理并采用混合氣的綜合物理性質（如擴散系數，密度等）[11,12]，目前多數學者已采用這種方法建立傳質模型和處理蒸發氣體[9,13]，但忽略了流體流態（層流）影響。筆者針對油船裝貨過程中液艙內油品的層流形態，采用現有的擴散傳質模型與擾動能理論建立油品蒸發模型，并通過數值模擬研究裝貨過程裝貨速率產生的擾動能對油品蒸發的影響，為油船作業通過控制裝貨過程中裝貨速率減小油品的蒸發，降低海上油品儲運風險和減小油品蒸發損耗提供科學的決策依據。

1 油船裝貨過程的蒸發模型

油品蒸發復雜，其復雜的組分因其流態不同，蒸發速率有很大區別。一般浮頂罐收油流速較快，罐內油品為湍流，而油船裝貨過程中液艙進油口處流速一般較小，進入液艙開闊區域后油品流速更低，液艙內油品一般處于層流，局部介于層流與湍流的過渡狀態。對于湍流狀態情況下的油品蒸發，黃維秋[13]等人采用的是擴散傳質模型與RNGk-ε湍流模型，其充分利用了RNGk-ε湍流模型中的油品低雷諾數的粘性公式以及為油品耗散增加的傳輸方程（式1及式2），這為油品的湍動能與傳質速率及擴散速率建立了聯系，但對高粘性低雷諾數的層流油品蒸發該方法不再適用。

式中μeff和μ分別為有效動力粘度和動力粘度，pa·s;Deff與Di分別是湍流有效擴散系數和擴散系數，m2/s，Di僅與物質種類、溫度等有關；Sct為紊流施密特數.本文選取舟山海域最有代表性的油船液貨艙為研究對象，并依據限制性空間油品蒸發的研究[14]引入裝貨過程中的對流擴散方程，見式(3)。

式中c為油氣體積分數濃度；W為氣液界面對流速度，W=Q/t，Q為油品裝載速率，m3/s。Dm、Dn分別為有效擴散系數、未定擴散系數，m2/s。式(3)說明限制性空間油氣擴散由物質自身擴散系數與未定擴散系數決定，這里定義兩系數的共同作用為層流有效擴散系數Deffe，即Deffe=Dm+Dn，Dm僅與液貨種類、溫度等有關，Dn與單位體積擾動能及物質動力粘度相關，即Dn=f(Te,μ)。油艙的單位體積擾動能見式(4)。

式中Q為油品裝載速率，L/min；A0為進口處橫截面積，m2；從對流擴散方程（式3）中可以得出限制性空間中油氣的有效擴散系數：

對比式(2)與式(5)以及兩式中的參數可以發現，湍流狀態下的有效擴散系數Deff與湍流動能、湍流有效動力粘度相關，層流有效擴散系數Deff與擾動能、動力粘度相關。事實上，油船裝貨過程中由于油品粘度較大，裝貨產生的擾動能對油品蒸發及油氣的擴散作用明顯，筆者基于式(1)、式(2)及數學關系定義：

式中Sc為層流施密特數；Te為單位體積擾動能，J/(m3·s)。擴散傳質模型（式7）：

式中 S 為傳質通量，kg/(m2·s)；Cs為飽和油氣質量分數；A 為氣液界面面積，m2；ρg為油氣密度，kg/m3，油船裝貨過程中有效擴散系數如式(8)所示，蒸發模型的傳質通量見式(9)。

2 數值試驗設計

2.1 數值模型建立及網格劃分

綜合現有油船液貨艙結構尺寸資料，選取長25.7 m、寬為16.1 m、深為18.9 m、容積約為7 820 m3的液貨艙，為便于驗證數值模擬的準確性，結合文獻[14]按照相似準則建立長0.64 m、寬0.4 m、高0.47 m的數值模型艙。模型艙進口直徑0.008 m，出口半徑為0.012 m，采用ICEM軟件劃分網格，如圖3所示。

圖2 液貨艙物理模型Fig.2 Cargo tank physical model

圖3 網格劃分Fig.3 Mesh arrangement

2.2 流場控制方程

油船裝貨過程中液貨艙用到的流場控制方程如下：

連續性方程與動量守恒方程分別見式(10)和式(11)。

式中：ρm混合物密度為氣組分 i的體積分數，ρi為 i組分密度，kg/m3；vm為質量平均速度為混合物動力粘度，pa·s；μi為 i組分動力粘度，pa·s；g 為重力加速度，m/s2；流體質點所受體積力F如式(11)所示。

氣相區組分輸運標量方程如式(13)所示。式中Deff、S分別由式(8)和(9)計算。

由于液艙油品的流動屬于層流或者介于層流與湍流之間的流態，經過多次試驗表明，層流模型更為合理。為提高計算精度，VOF模型氣液界面處采用B樣條插值函數進行光順處理[15]，通過Fluent用戶自定義在氣液界面處指定一層始終處于飽和的油氣質量源項，油氣向上部擴散時，飽和油氣體積分數層以擴散方式進行補充。

2.3 初始條件及邊界條件

初始條件：油艙內無油氣和油品，僅有空氣，壓力為初始壓力為0.101 325 MPa。

邊界條件：根據文獻[14]的邊界條件，數值試驗進油口采用速度進口，透氣口處采用壓力出口；文獻[14]試驗過程中環境溫度近乎不變油艙靜止，故數值試驗中溫度對傳質及油氣運動影響恒定，油艙始終處于靜止狀態。

為驗證蒸發模型的正確性，本文根據文獻[14]模型試驗數據設置了4組數值模擬試驗，采用模型試驗結果作為驗證數據，數值試驗進口速度參數如表1所示。

表1 進口速度Tab.1 Filling rate

3 數值模擬驗證及分析

3.1 數值模擬驗證

數值模擬結果與文獻[14]模型試驗數據對比，如圖4所示。

圖4為數值模擬與模型試驗透氣口油氣濃度變化曲線，從圖中可以看出數值模擬結果與模型試驗數據吻合性較好，驗證了數值模擬的正確性，同樣驗證了油船裝貨艙內油品相變模型。

3.2 數值模擬結果分析

圖5為裝貨作業過程中油艙透氣口油氣濃度隨裝載率變化曲線，其中油船液艙裝載率K是指裝入液艙的油品體積與艙容積的百分數。

從圖中可以看出，相同裝載的情況下，裝貨速率越大蒸發速率越大，從式(4)、(8)和(9)可以看出，裝貨速率越大，單位時間產生的單位體積擾動能越大，油氣有效擴散系數越大，氣液傳質通量越大，蒸發速率越大。在整個裝載作業過程中，蒸發率先迅速增大后迅速減小，最后趨于平穩的過程，從式(9)可以得出，在裝貨初期（裝載率小于5%）由于氣液界面油氣濃度差較大、氣液界面面積迅速增大，加之擾動能較大，油氣蒸發速率急劇升高；在裝貨中期（裝載率大于5%小于20%），由于油氣的累積，氣液界面油氣濃度升高，濃度差減小，氣液界面面積基本不變，加之擾動能稍微減小，蒸發率迅速減小；裝貨后期（裝載率超過20%），蒸發率平穩下降，這是因為氣液界面油氣濃度差仍在減小，單位擾動能由于裝入的油品量增加而減小，因此蒸發率緩慢減小。

圖4 數值模擬結果驗證Fig.4 Validation of numerical simulation results

圖5 不同裝載率下油品蒸發速率Fig.5 Evaporation rate of oil in different loading ratio

4 結論

針對油船裝貨過程中液艙內油品的層流形態，基于擴散傳質模型與擾動能理論建立了油品蒸發模型，模擬了裝貨速率產生的擾動能對油品蒸發的影響，并用模型試驗數據進行了驗證，結果表明：

(1)蒸發模型能夠準確的描述油船裝貨過程中液艙油品層流形態的蒸發；

(2)同一裝載率下，裝貨速率越大，產生的擾動能越大，蒸發速率越大；

(3)液貨艙油品蒸發大致可分為0-5%、5%-20%及20%-95%三個階段。

該研究能夠為為油船作業過程中控制裝貨過程中裝貨速率減小油品的蒸發，降低海上油品儲運風險和減小油品蒸發損耗提供科學的決策依據。

[1]TAMADDONI M,SOTUDEH-GHAREBAGH R,NARIO S,et al.Experimental study of the VOC emitted from crude oil tankers[J].Process Safety&Environmental Protection,2014,92(6)：929-937.

[2]MIHAJLOVIC˙M,JOVANOVIC˙M,PE?IC˙R,et al.Volatile organic compounds(VOC)policy innovation in petrochemicals river barge transportation[J].Journal of Cleaner Production,2016,112：1 559-1 567.

[3]MACKAY D,MATSUGU R S.Evaporation rates of liquid hydrocarbon spills on land and water[M].The Canadian Journal of Chemical Engineering.1973：434-439.

[4]STIVER W,MACKAY D.Evaporation rate of spills of hydrocarbons and petroleum mixtures[J].Environmental Science&Technology,1984,18(11)：834-840.

[5]YANG W C,WANG H.Modeling of oil evaporation in aqueous environment[J].Water Research,1977,11(10)：879-887.

[6]BANERJEE R.Turbulent conjugate heat and mass transfer from the surface of a binary mixture of ethanol/iso-octane in a countercurrent stratified two-phase flow system[J].International Journal of Heat&Mass Transfer,2008,51(25)：5 958-5 974.

[7]GALEEV A D,SALIN A A,PONIKAROV S I.Numerical simulation of evaporation of volatile liquids[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2015,38：39-49.

[8]HASSANVAND A,HASHEMABADI S H,BAYAT M.Evaluation of gasoline evaporation during the tank splash loading by CFD techniques[J].International Communications in Heat&Mass Transfer,2010,37(7)：907-13.

[9]HASSANVAND A,HASHEMABADI S H.Direct numerical simulation of interphase mass transfer in gas-liquid multiphase systems[J].International Communications in Heat&Mass Transfer,2011,38(7)：943-50.

[10]DATE A W.Convective Heat and Mass Transfer[M].McGraw-Hill,2014.

[11]趙晨露,黃維秋,鐘 璟,等.外浮頂罐油氣泄漏的數值模擬[J].化工學報,2014,65(10)：4 203-4 209.

[12]黃維秋,王兆利,紀 虹,等.汽油裝罐油氣擴散排放的實驗測定及數值模擬[J].化工學報,2016,67(12)：4 994-5 005.

[13]王兆利,黃維秋,紀 虹,等.拱頂罐收油過程中油氣擴散排放的數值模擬[J].石油學報,2017,33(2)：371-378.

[14]盧金樹,朱哲野,劉楓琛.限制空間裝貨過程中透氣變化的晃蕩效應[J].中國石油大學學報：自然科學版,2014(5)：160-164.

[15]BRACKBILL J U,KOTHE D B,ZEMACH C.A continuum method for modeling surface tension[J].Journal of Computational Physics,1992,100(2)：335-354.

Numerical Study on Evaporation of Oil in Cargo Tank during Loading Process of Oil Tanker

ZHANG Qian1,LU Jin-shu2,DENG Jia-jia2,et al
(1.School of Naval Architecture and Mechanical-electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China；2.School of Port and Transportation Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

Although the emission of VOCs (volatile organic compounds)is slightly decreased from tanker during loading of oil tankers due to VOCs recovery plants have been installed on the tankers over the last twenty years,VOCs released from oil tank still is the main pollution resource,which not only makes the high quality oil be wasted,but also threatens the safety of loading process.A numerical simulation study was conducted by Fluent to explore effect of different disturbances on oil evaporation.A new model based on mass transfer was proposed to describe the oil evaporation of the liquid-gas interface and the VOF methodology was applied to the tracking of gas-liquid interface.There is a good agreement between the experimental and nu-merical simulation data of cargo ventilation outlet,the accuracy of the evaporation model is verified.Based on the simulation results,it was found that evaporation rate and the disturbance was related in the same loading ratio.The evaporation rate of oil can be predicted according to the disturbance caused by loading speed.Therefore,the evaporation of oil can be reduced by adjusting the loading rate；Oil evaporation of cargo tank can be roughly divided into three stages：0-5%,5%-20%and 20%-95%.This work is helpful for engineers to decide on an appropriate strategy to control VOCs emission during loading operation.

oil tanker;cargo tank;evaporation model;numerical simulation

TE 832;TE 988

A

2096-4730(2017)04-0368-05

2017-06-26

浙江省自然科學基金項目(LY18E090008)；舟山市科技局項目(2016C12010)

張乾（1990-），男，安徽利辛人，碩士研究生，研究方向：船舶安全與污染控制.E-mail：A1605710898@126.com.