Predicting VOC emission from hydrocarbon tanks:a model comparison

This work is motivated by the need to quantify volatile organic compound (VOC) emissions with a temporal resolution suitable for operational decision-making while remaining consistent with inventory practices. A phenomenological headspace model (Rota et al. 2001) is implemented and benchmarked against the correlation-based method of U.S. EPA’s AP-42 Chapter 7 using a full-year dataset from four welded fixed-roof diesel tanks at a coastal refinery. In its original formulation, the Rota et al. 2001 model solves coupled, transient mass- and energy-balance equations in the tank headspace, explicitly accounting for vertical stratification and fill/empty cycles under level-dependent boundary conditions. A MATLAB 2024a solver was developed and tailored to the case study, employing high-resolution flux limiters to stabilise steep transients and, crucially, introducing a roof boundary condition to represent vapour condensation during ascent—an extension to the original model motivated by the need to avoid non-physical supersaturation and to reproduce realistic post-event relaxation when the headspace cools. For like-for-like metrics, AP-42 was applied in its standard form and in a condensation-aware variant, and model outputs were mapped to stock-vapour density under AP-42 temperature definitions. The study addresses three questions: how a detailed, transient-resolving approach (Rota et al. 2001) compares with a correlation-based regulatory method (U.S. EPA’s AP-42 Chapter 7) over real operating schedules; how tank-level dynamics, captured explicitly only by the former, shape time-resolved emissions; and, in a targeted way, how introducing condensation affects model behaviour. Analyses include hourly roof-space concentration/density time series and annual emissions. All methods capture the seasonal modulation of emissions; time-resolved behaviour diverges because Rota et al. 2001 is level-sensitive while AP-42 is primarily temperature-driven and level-independent. At the annual scale, however, the investigated methods yield broadly comparable totals across tanks, with differences that are small relative to the year-long aggregates. The findings and their implications for inventory versus short-term applications are discussed, highlighting the trade-off between physical fidelity and computational/operational simplicity.

Questo lavoro è motivato dalla necessità di quantificare le emissioni di composti organici volatili (VOC) con una risoluzione temporale adatta al decision making operativo, mantenendo al contempo la coerenza con le pratiche di inventario. Un modello fenomenologico dello spazio di testa (Rota et al., 2001) è implementato e confrontato con il metodo basato su correlazioni del Capitolo 7 dell’AP-42 dell’EPA statunitense, utilizzando un dataset di un anno completo proveniente da quattro serbatoi di gasolio a tetto fisso saldato in una raffineria costiera. Nella sua formulazione originale, il modello di Rota et al. (2001) risolve equazioni accoppiate e transitorie di bilancio di massa ed energia nello spazio di testa del serbatoio, tenendo esplicitamente conto della stratificazione verticale e dei cicli di riempimento/svuotamento sotto condizioni al contorno dipendenti dal livello. È stato sviluppato un risolutore in MATLAB 2024a, adattato al caso studiato, che impiega limitatori di flusso ad alta risoluzione per stabilizzare transitori ripidi e che introduce una condizione al contorno sul tetto per rappresentare la condensazione del vapore durante la salita: un’estensione del modello originale motivata dall’esigenza di evitare sovrasaturazioni non fisiche e di riprodurre un rilassamento post-evento realistico quando lo spazio di testa si raffredda. Per avere un confronto onesto fra modelli, l’AP-42 è stato applicato nella sua forma standard e in una variante che tiene conto della condensazione; inoltre, gli output di modello sono stati ricondotti alla densità del vapore del prodotto secondo le definizioni di temperatura dell’AP-42. Lo studio affronta tre domande: come si confronta un approccio dettagliato e variabile nel tempo (Rota et al., 2001) con un metodo basato su correlazioni semplici (Capitolo 7 dell’AP-42 dell’EPA) su orari operativi reali; come le dinamiche a livello di serbatoio, catturate esplicitamente solo dal primo, plasmino le emissioni risolte nel tempo; e, in modo mirato, come l’introduzione della condensazione influenzi il comportamento del modello. Le analisi includono serie temporali orarie di concentrazione/densità nello spazio di testa (sottotetto) e le emissioni annuali. Tutti i metodi catturano la modulazione stagionale delle emissioni; il comportamento risolto nel tempo diverge perché Rota et al. (2001) è sensibile al livello, mentre l’AP-42 è principalmente guidato dalla temperatura e indipendente dal livello. Su scala annuale, tuttavia, i metodi analizzati forniscono totali ampiamente comparabili tra i serbatoi, con differenze piccole rispetto agli aggregati su un anno. Si discutono i risultati e le relative implicazioni per applicazioni di inventario rispetto a quelle di breve periodo, evidenziando il compromesso tra fedeltà fisica e semplicità computazionale/operativa.