本发明涉及一种推断来自减压阀(relief valve)的气体排出量的技术，所述减压阀设置在贮藏有包含挥发性物质的液体的贮藏罐中。
背景技术：
在贮藏石油制品等的固定顶盖式贮藏罐中，在贮藏于贮藏罐内的液体(液相)的上部侧形成有气相空间。在此处，如果例如贮藏罐内的温度上升，那么来自液体表面的气体的蒸发量就会增加，气相空间内的气体的压力会上升。为了避免伴随着所述压力上升，对贮藏罐的本体施加过大的应力，在贮藏罐的顶盖上设置有减压阀，所述减压阀是在气体的压力高于规定的压力时，将所述空间内的气体排出至外部(例如专利文献1的图1)。
在这里，贮藏罐内的液体即石油制品等之中，有时包含作为挥发性物质的苯或甲苯之类的挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOC)。在此情况下，从环境保护等的观点考虑，有时会设置回收从减压阀排出的气体中的VOC的VOC回收装置。
另一方面，贮藏罐内的温度会根据天气条件等而每天发生变化，并且根据昼夜的日照的有无、伴随着白天的太阳的移动而产生的日照量的变化，即使在一天之中贮藏罐内的温度或气相空间的压力也会时刻发生变化。因此，难以准确地掌握从减压阀排出的气体排出量，先前是根据美国石油组织(American Petroleum Institute，API)2000等工业标准中所规定的来自减压阀的瞬间排出量，来设计VOC回收装置中的排出气体的处理能力。
但是，工业标准中所规定的减压阀的规格并没有考虑到贮藏罐的设置地区的差异及贮藏罐本体的导热特性(例如保温的有无)，而以在最苛刻的条件下产生的气体的蒸发量为基础，所以存在与实际的气体排出量相比，同时设置于贮藏罐内的VOC回收装置的容量过大的倾向。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利实公平04-13513号公报
技术实现要素：
发明所要解决的问题
本发明是在如上所述的背景下完成的，其目的在于提供一种更准确地推断来自贮藏有包含挥发性物质的液体的固定顶盖式贮藏罐的气体的排出量的气体排出量的推断方法。
解决问题的技术手段
本发明的气体排出量的推断方法是一种来自贮藏有包含挥发性物质的液体的贮藏罐的气体排出量的推断方法，包括：
第一工序，设定如下的前提条件：(a)具备减压阀的固定顶盖式贮藏罐的罐形状、(b)所述减压阀的运行压力、(c)所述贮藏罐内的液体的热力学物性、及(d)所述贮藏罐内的气体的热力学物性；
第二工序，针对所述贮藏罐内的液体及气体，分别设定内部容量、温度、压力的初始条件；
第三工序，规定经由所述贮藏罐的间壁的针对所述液体及气体的流入热量或流出热量，并利用计算流体力学分析，计算所述液体及气体的温度变化以及气液平衡状态的变化，求出所述液体-气体间的物质迁移量；以及
第四工序，根据所述物质迁移量求出所述气体的压力变化，当变化后的气体的压力超过所述减压阀的运行压力时，求出从所述减压阀排出的气体的排出量。
所述气体排出量的推断方法也可以具备以下的特征。
(1)所述减压阀具备喷出口(vent)，从所述减压阀排出的气体是经由所述喷出口朝向所述气体中所含的挥发性物质的回收装置而排出。
(2)所述贮藏罐具备吸入阀，在所述第一工序中，作为所述前提条件，进而(e)进行所述吸入阀的运行压力的设定；以及在所述第四工序中，当所述压力变化后的气体的压力低于所述吸入阀的运行压力时，求出从所述吸入阀吸入的气体的吸入量。这时，所述吸入阀具备吸入口，从所述吸入阀吸入的气体是经由所述吸入口而供给的惰性气体。
(3)在所述第三工序中，利用计算流体力学分析，计算由所述液体及气体的对流所引起的热迁移，对所述液体及气体的温度变化及气液平衡状态的变化进行特定。
(4)根据所述第三工序中所求出的所述液体及气体的温度变化、所述第四工序中所求出的所述气体的压力变化、及根据所述压力变化而掌握的贮藏罐的气体的内部容量，设定所述第二工序的新的初始条件；设定所述第二工序的新的初始条件之后，规定针对所述液体及气体的新的流入热量或流出热量而执行所述第三工序、第四工序；以及通过反复进行所述第二工序的新的初始条件的设定及其后的第三工序、第四工序的执行，而求出从所述减压阀排出的气体的排出量的经时变化。
(5)在(4)中，根据从所述减压阀排出的气体的排出量的经时变化，求出每单位时间的最大排出流量、或在预先设定的期间内所排出的气体的总排出量。
(6)所述第三工序中所规定的针对液体及气体的流入热量或流出热量是根据由太阳光经由所述间壁供给至贮藏罐内的热能来规定。由所述太阳光供给的热能是通过设置有所述贮藏罐的地点的经纬度及日历日来规定。
(7)在所述贮藏罐内的气体中，包含所述挥发性物质及其它物质，根据所述第三工序中所求出的所述液体-气体间的物质迁移量及所述第四工序中所求出的气体的排出量，求出所述挥发性物质的排出量。
发明的效果
本发明是根据针对贮藏于贮藏罐内的包含挥发性物质的液体的流入热量、流出热量，对贮藏罐内的液体-气体间的物质迁移量进行特定，并根据所述物质迁移量求出来自减压阀的气体排出量，因此可以掌握准确的气体排出量。
附图说明
图1是本发明的实施方式的贮藏罐的示意图。
图2是设置于所述贮藏罐中的通气阀(breather valve)部的第一纵剖侧视图。
图3是所述通气阀部的第二纵剖侧视图。
图4是同时设置于所述贮藏罐中的VOC回收装置的构成图。
图5是表示针对所述贮藏罐的第一日照状态的说明图。
图6是表示针对所述贮藏罐的第二日照状态的说明图。
图7是表示推断来自所述贮藏罐的气体的排出量的顺序的说明图。
具体实施方式
图1示意性地表示成为进行气体的排出量的推断的对象的液体用的贮藏罐1。例如贮藏罐1构成为分别利用固定顶盖部103、底板部101堵塞筒状的侧壁部102的上下表面的容器。贮藏罐1中，除了固定顶盖部103是固定在侧壁部102的上部侧的固定顶盖式以外，对其形状并没有特别的限定。例如，固定顶盖部103既可以是拱顶(dome roof)，也可以是锥形顶(cone roof)，还可以是其它形状。除此之外，贮藏罐1既可以是长方体形状，也可以是使圆筒形状的容器的轴朝向水平方向的卧式。
图1中，表示了在圆筒形状的侧壁部102的上表面设置有拱顶状的固定顶盖部103的贮藏罐1的示例。
贮藏罐1既可以是设置在地上的地上式，也可以是将除了固定顶盖部103以外的整个贮藏罐1或侧壁部102的下部侧埋设于地下的半地下式。并且，还可以是使贮藏罐1浮于海洋上的海上式。
贮藏罐1中，除了用于进行贮藏对象的液体的收入或放出的收入管线/放出管线以外，还适当设置有设置于这些管线上的输送泵、用于进行贮藏罐1内的液体的搅拌的罐混合器(tank mixer)、根据贮藏于贮藏罐1内的液体的性状或贮藏罐1的设置地区的气候等而设置的保温设备或加热设备等各种附带设备。图1中，省略了这些附带设备的记载。
作为贮藏于贮藏罐1内的液体，可以例示石油纯化用的原油或直接燃烧用的原油，石脑油等中间制品，汽油、煤油、轻油、重油等石油制品，苯或甲苯等化工产品。贮藏于贮藏罐1内的液体伴随着温度上升等，一部分液体会蒸发，并包含挥发性物质，所述挥发性物质成为使贮藏罐1内的压力上升至可以使后述减压阀211运行的程度的主要因素。
在本例中，说明贮藏有包含苯或甲苯之类的挥发性有机物(以下也称为“VOC”)作为挥发性物质的石油制品即液体31的贮藏罐1的示例。
贮藏罐1规定了能够贮藏的液体31的容量的上限值，在比液体31的液面更靠上方侧，形成有气相空间。所述气相空间被气体32充满，所述气体32包含从液体31蒸发的VOC及从贮藏罐1的外部流入的后述惰性气体。
此外，在贮藏罐1的固定顶盖部103设置有通气阀部2，所述通气阀部2包含当内部的压力上升时排出贮藏罐1内的气体32的减压阀211、以及当内部的压力下降时朝向贮藏罐1内从外部吸入气体的吸入阀221。
减压阀211的出口侧经由排气管线401而与后述VOC回收装置连接。并且，吸入阀221的入口侧与氮气供给管线104连接，所述氮气供给管线104用于对贮藏罐1内供给密封用的惰性气体即例如氮气。
再者，从吸入阀221吸入的气体并不限定于惰性气体。例如，当贮藏罐1贮藏有不需要气体密封的液体31时，也可以打开吸入阀221而吸入大气。
图2、图3表示通气阀部2的构成例。这些图所示的通气阀部2形成为减压真空阀(relief vacuum valve)构造，相对于设置于贮藏罐1内的连接管线105，并联连接着收容有减压阀211的壳体(casing)213及收容有吸入阀221的壳体223。
减压阀211被弹簧215向下方侧施压，在通常时呈堵塞阀座214的状态(图3)。然后，贮藏罐1内的压力上升，当所述压力P超过预先设定的运行压力P1时，减压阀211抵抗弹簧215的所施压的力而被上推，使贮藏罐1内的气体经由喷出口212而排出(图2)。在本例中，所述喷出口212与用于向VOC回收装置排出气体的排气管线401连接。
当贮藏罐1内的压力通过气体的排出而下降，并达到减压阀211的恢复压力P1′以下时，减压阀211被弹簧215下推，而关闭阀座214。
吸入阀221在通常时呈借由自重而堵塞阀座224的状态(图2)。然后，贮藏罐1内的压力下降，当所述压力P低于预先设定的运行压力P2时，吸入阀221借由阀座224的上游侧与下游侧的压力差而被抬起，从而经由吸入口222，从氮气供给管线104向贮藏罐1内吸入氮气(图3)。在氮气供给管线104的上游侧，设置有例如具备液体氮罐及蒸发器的未图示的氮气供给部。
当贮藏罐1内的压力通过氮气的吸入而上升，并达到吸入阀221的恢复压力P2′以上时，减压阀211借由自重而下降，从而关闭阀座224。
再者，通气阀部2并不限定于减压真空阀构造的构件。例如也可以采用将减压阀211与吸入阀221加以上下配置而收容在共同的壳体内的双重阀构造的通气阀部2。
并且，吸入阀221也存在如图2、图3所示与减压阀221邻接而形成为一个通气阀部2的情况，但是也存在使吸入阀221与减压阀221分别独立而设置的情况。
图4表示设置在通气阀部2的喷出口212的下游侧的VOC回收装置的构成例。再者，在图4所示的各开关阀V1～V6中，以空心形式表示呈“打开状态”的阀，以涂黑形式表示呈“关闭状态”的阀。
针对从贮藏罐1排出的气体所流动的排气管线401，并联连接着多台例如两台吸附塔41a、41b。在这些吸附塔41a、41b中，填充着可吸附去除气体中所含的VOC的吸附剂，例如活性炭。在各吸附塔41a、41b的出口侧，连接着用于将已去除VOC的气体释放至大气中的大气释放管线402。
在图4所示的示例中，在一侧的吸附塔41a中，正在进行吸附操作，即，吸附去除从贮藏罐1排出的气体中的VOC而释放至大气中。另一方面，在另一侧的吸附塔41b中，正在进行再生操作，即，使吸附塔41b与排气管线401、大气释放管线402断开，对所述吸附塔41b内进行真空抽吸而使VOC从吸附剂中解吸，而使吸附剂再生。
在本例的VOC回收装置中，是在吸附塔41a、41b中，交替地进行VOC的吸附操作与吸附剂的再生操作。
如果描述吸附剂的再生操作的相关VOC装置的构成，则是在吸附塔41a、41b的入口侧，与排气管线401并联连接着再生操作时使从吸附剂中解吸的VOC通流的解吸气体管线403。与各吸附塔41a、41b连接的解吸气体管线403在下游侧合流，而连接于共同的真空泵43的吸入侧。在真空泵43的喷出侧设置有吸收塔42，所述吸收塔42用于进行利用溶剂，吸收去除VOC的操作。再者，也可以在真空泵43与吸收塔42之间，设置对从真空泵43喷出的润滑剂进行划分的间隔件。
本例的吸收塔42是利用贮藏罐1内的液体31即石油制品，作为用于吸收VOC的溶剂。例如在吸收塔42内，填充着用于使VOC与溶剂的效率提高的填充物421，从真空泵43喷出的VOC被导入至填充着所述填充物421的区域的下部侧。
另一方面，从贮藏罐1抽出的溶剂经由溶剂供给管线404通过溶剂供给泵44，而分散供给至所述填充物421的填充区域的上部侧。VOC与溶剂在填充物421的填充区域内对流接触，使VOC吸收至溶剂中而加以去除。
将已去除VOC的气体从吸收塔42的塔顶抽出，并在排气管线401中合流之后，在吸附塔41a、41b中进而进行VOC的吸附去除之后释放至大气中。并且，将吸收有VOC的溶剂通过溶剂回收泵45而从吸收塔42的塔底抽出，并经由溶剂回收管线405送回到贮藏罐1中。
以上，已说明利用吸附剂回收VOC的VOC回收装置的示例，但是从贮藏罐1排出的气体的处理方法并不限定于所述示例。例如，也可以设置使从贮藏罐1排出的气体与溶剂接触而吸收去除VOC的VOC回收装置，还可以不进行VOC的回收，而利用火把烟囱(flare stack)使VOC燃烧之后释放至大气中。
以上，利用图1～图4，进行了贮藏罐1的构造及其附带设备的说明。针对所述贮藏罐1的内部的液体31及气体32，热经由贮藏罐1的间壁(底板部101、侧壁部102、固定顶盖部103)而流入，并且热从这些液体31及气体32向外部流出。
然后，当热流入至贮藏罐1内而使液体31及气体32的温度上升时，液体31中的VOC成分挥发。其结果为，有时贮藏罐1内的压力上升而使减压阀211运行，从而执行气体32的排出。并且，当贮藏罐1内的热流出而使液体31及气体32的温度下降时，气体32中的VOC会冷凝。其结果为，有时贮藏罐1内的压力下降而使吸入阀221运行，从而进行氮气的吸入。
此外，在液体31及气体32中，会伴随着内部的温度差而产生对流(图1)，借由伴随着对流而产生的热迁移或物质迁移，会对支配VOC的挥发或冷凝的气体-液体的界面的温度或气体中的VOC浓度造成影响。
作为贮藏罐1内的液体31及气体32的温度变化的主要因素，有贮藏罐1的外部空气温度发生变化或从外部收入温度与贮藏罐1内部不同的液体等各种主要因素。
在所述各种主要因素中，作为对贮藏罐1的气体32的压力变化造成影响的最大的主要因素之一，可举出来自太阳501的热能的供给。由太阳501供给的热能可以通过设置有贮藏罐1的地点的经纬度及日历日来特定。例如在北半球的情况，在晴朗的夏至日，由太阳501供给的热能为最大。
此外，如图5、图6所示，由太阳501供给的热能也会因为伴随着太阳501的移动，被照射阳光502的贮藏罐1的间壁的面积、间壁的每单位面积的能量密度发生变化而发生经时变化。
因此，经由贮藏罐1的间壁的针对液体31或气体32的流入热量或流出热量根据间壁的位置而不同，进而在各位置上也会发生经时变化。
本发明的实施方式的气体排出量的推断方法是制作考虑到所述贮藏罐1的构成、内部的液体31及气体32的温度变化机制的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)模型来进行分析。然后，根据所述分析结果，推断从减压阀211排出的气体的排出量或从吸入阀221吸入的气体的吸入量。
以下，一边参照图7，一边说明进行所述推断的顺序。
首先，在进行贮藏罐1的形状、减压阀211、吸入阀221的运行压力、液体31或气体32的热力学物性等CFD分析、气体的排出量、吸入量的计算之后，确定必要的前提条件(a)～(e)(P1：第一工序)。
(a)确定固定顶盖式的贮藏罐1的形状时，可进行底板部101、侧壁部102、固定顶盖部103等的边界位置的设定或液体31、气体32内的分析网格的制作法等与贮藏罐1的形状相关联地进行CFD分析时所必需的各种设定。
(b)关于减压阀211的运行压力，除了进行利用图2而说明的气体的排出时的减压阀211的运行压力P1以外，还进行利用图3而说明的减压阀211关闭阀座214时的恢复压力P1′的设定。
(c)、(d)作为贮藏罐1内的液体31、气体32的热力学物性，进行液体31、气体32的比热、蒸气压、密度、粘度等CFD分析时所必需的各种物性的设定。当这些物性具有温度依存性时，也可以设定表达温度与物性值的对应关系的函数或表。并且，当液体31或气体32包含多种成分时，既可以针对每种成分进行这些物性的设定，也可以针对包含多种成分的混合流体进行物性的设定。
(e)关于吸入阀221的运行压力，除了进行利用图3而说明的气体的吸入时的吸入阀221的运行压力P2以外，还进行利用图2而说明的吸入阀221关闭阀座224时的恢复压力P2′的设定。
并且，针对贮藏罐1内的液体31及气体32，设定关于内部容量、温度、压力的初始条件(P2：第二工序)。
当确定贮藏罐1内的液体31的内部容量后，剩余的区域成为存在气体32的气相空间，从而气体-液体的界面的高度位置被特定。关于温度，既可以设定贮藏罐1内的液体31、气体32的平均温度，也可以设定反映了已预先掌握的温度分布的温度设定。并且，通常，压力设定是针对气体32来进行，但是也可以根据需要来进行液体31的压力设定。
然后，规定经由贮藏罐1的间壁(底板部101、侧壁部102、固定顶盖部103)的流入热量/流出热量的分布，利用CFD分析，计算液体31及气体32的温度变化以及气液平衡状态的变化，求出液体-气体间的物质迁移量(P3：第三工序)。
在确定流入热量/流出热量的分布时，可以考虑设置有贮藏罐1的地点的经纬度及日历日。例如当确定VOC装置的最大处理能力时，在北半球的情况，在由太阳501供给的热能为最大的晴朗的夏至日，在规定的经纬度的地点确定由太阳501供给的热能。
并且，如利用图5、图6所说明，考虑到与太阳501的位置相对应的阳光502的照射区域(图5所示的贮藏罐1中在划斜影线的区域内没有被阳光502照射)或每单位面积的能量密度，来规定贮藏罐1的间壁的各位置上的流入热量/流出热量。
然后例如，当求出来自减压阀211的每天(预先设定的期间)的气体的总排出量或来自吸入阀221的气体的总吸入量时，还必须推断没有由太阳501供给热能的日落后的时间段内的气体的排出量或吸入量。因此，除了所述由太阳501供给的热能以外，还进行考虑到与贮藏罐1的外部的与外部空气的温度差的流入热量/流出热量的确定。
并且，如上所述，当贮藏罐1具备加热设备时，还考虑来自加热设备的流入热量。
第一工序、第二工序的各种设定及第三工序的流入热量/流出热量的分布的确定是经由用于CFD分析的软件等来进行。在这里，第一工序、第二工序的各种设定或第三工序中的流入热量/流出热量的分布的确定并不是彼此严格区别开的，当然可以根据CFD分析软件的规格等，同时进行各工序中的设定事项的设定。
用于CFD分析的软件既可以是市售的通用CFD分析软件，也可以是为了执行本例的气体排出量的推断方法而开发的专用的CFD分析软件。
作为能够计算例如液体31-气体32间的物质迁移量的方法，可以例示根据气液平衡理论的计算等。并且，作为能够计算贮藏罐1内流体的对流的计算方法，可以例示有限体积法(Finite Volume Method，FVM)等。
可以使用用于CFD分析的CFD分析软件，根据所述各工序中所设定的事项，利用计算机计算贮藏罐1内的液体31及气体32的温度分布的变化或气体-液体的界面上的气液平状态的变化，来求出气体-液体间的物质迁移量(从液体31向气体32的VOC的蒸发量、从气体32向液体31的VOC的冷凝量)。
然后，根据气体-液体间的物质迁移量，求出贮藏罐1内的气体32的压力变化，算出减压阀211、吸入阀221的运行的有无、有运行时的气体的排出量/吸入量(P4：第四工序)。
详细来说，当压力变化后的贮藏罐1内的气体32的压力P大于减压阀211的运行压力P1时，减压阀211运行。然后，从减压阀211排出如下的量的气体，即，相当于贮藏罐1内的气体的压力达到减压阀211的恢复压力P1′为止的压力差ΔP1＝P-P1′的量的气体。这时，也可以考虑伴随着隔热膨胀而产生的气体32的温度下降、压力下降的影响。
另一方面，当压力变化后的贮藏罐1内的气体32的压力P小于吸入阀221的运行压力P2时，吸入阀221运行。然后，从吸入阀221吸入如下的量的气体，即，相当于贮藏罐1内的气体的压力达到吸入阀221的恢复压力P2′为止的压力差ΔP2＝P2′-P的量的气体。这时，也可以考虑伴随着隔热压缩而产生的气体32的温度上升、压力上升的影响。
通过对气体-液体间的物质迁移量、来自减压阀211的气体的排出量、来自吸入阀221的气体(氮气)的流入量进行特定，可以对所排出的气体中所含的VOC及其它物质的比例(VOC浓度)进行特定。其结果为，可以求出来自减压阀211的VOC的排出量。
此外，第三工序中所求出的液体31及气体32的温度变化、第四工序中所求出的气体32的压力变化或根据伴随着减压阀211、吸入阀221的运行而产生的气体的排出量/吸入量而掌握的贮藏罐1的气体31的内部容量，可以用作太阳501的位置已发生变化时等进行新的计算时的初始条件。
然后，规定考虑到所述时间性的影响(阳光502的照射区域、每单位面积的能量密度、阳光502的照射的有无、与外部空气的温度差的变化)的新的流入热量/流出热量的分布而执行第三工序、第四工序。
通过反复进行所述第二～第四工序，可以求出从减压阀211排出的气体的排出量的经时变化。
在这里，当CFD分析软件能够进行考虑到流入热量/流出热量的变化的动态分析时，当然也可以替代反复执行所述第二～第四工序的方法，利用CFD的动态分析来求出从减压阀211排出的气体的排出量的经时变化。
如上所述，只要能够掌握来自减压阀211的气体的排出量的经时变化，便可以求出每单位时间的气体的最大排出流量或在预先设定的期间内(例如一天)所排出的气体的总排出量。
此外，可以根据气体中的VOC浓度，计算VOC的排出量，因此可以反映在VOC回收装置中填充于吸附塔41a、41b内的吸附剂的量或供给至吸收塔42的溶剂的流量、各种泵43、44、45的能力等的确定中(P5)。
并且，如上所述，当VOC回收装置为溶剂吸收方式时，在溶剂的流量的确定、利用火把烟囱使VOC燃烧的情况下，可以反映在火把烟囱的尺寸的确定等之中。
根据本实施方式的气体排出量的推断方法，根据针对贮藏于贮藏罐1内的包含VOC的液体31的流入热量、流出热量，对贮藏罐1内的液体31-气体32间的物质迁移量进行特定，并根据所述物质迁移量求出来自减压阀221的气体排出量，所以能够掌握准确的气体排出量。
其结果为，可以适当地确定VOC回收装置等的能力，从而可以降低伴随着气体排出量的过大的估算而产生的装置成本的增大。
在这里，在已利用图1～图3进行说明的示例中，揭示了对从减压阀211排出的气体，经由喷出口212朝向VCO回收装置进行引导的示例，但是并非必须在通气阀部2上设置喷出口212。在将减压阀211的出口侧设为大气敞开状态，使从贮藏罐1排出的气体向大气中释放的情况下，当然也可以应用本例的气体排出量的推断方法。例如，当将贮藏罐1设置在远离闹市区的地方时，在VOC的排出量极其微量的情况下，也可以有效用于是否需要设置VOC回收装置等的探讨。
符号的说明
1：贮藏罐
2：通气阀部
211：减压阀
212：喷出口
221：吸入阀
222：吸入口
32：气体
31：液体
41a、41b：吸附塔
42：吸收塔
501：太阳