книги / Трубопроводный транспорт нефти, нефтепродуктов и газа
..pdfЭтот процесс протекает и в дальнейшем. В результате дли на образовавшейся смеси постепенно увеличивается в обоих на правлениях. При этом кривая распределения концентрации жид кости Б по длине смеси занимает все более пологое положение.
Рис. S.S. Характер изменения объема смеси и концентрации жидкости Б по ее длине во времени
Благодаря существованию поперечных пульсаций скорости, вытесняющая жидкость Б не может сколь угодно долго вклини ваться в вытесняемую жидкость А. Кроме того, при турбулент ном режиме за счет поперечных турбулентных пульсаций жид кость А вымывается из пристенной области и смесь движется как своеобразный поршень.
Поэтому объем образующейся смеси относительно невелик. Согласно приближенной теории смесеобразования, разработан ной профессором В. С. Яблонским и В. А. Юфиным, этот объем
221
при турбулентном режиме перекачки не превышает 1% от объе ма трубопровода, пройденного серединой смеси.
5.5. Приближенная теория смесеобразования при последовательной перекачке
Распределение концентрации одного продукта в другом опи сывается линейным уравнением второго порядка в частных про изводных
|
|
(5.1) |
|
дт |
э дх1 ’ |
где |
КБ —концентрация вытесняющей жидкости Б; D3—эф |
|
|
фективный коэффициент продольного перемешивания. |
|
Уравнение впервые было использовано при решении задач теплопереноса и называется уравнением теплопроводности.
Его решение при начальных условиях
|
|
„ |
(1 |
для |
х < 0 |
|
|
|
|
т= 0; |
КЕ=\ |
для |
х > 0 |
|
|
|
|
|
|0 |
|
|
||
имеет вид |
КБ=0,5-[l-<P(Z)J |
|
(5.2) |
||||
|
|
|
|||||
где |
Ф(2) |
— интеграл |
вероятности, |
2 |
2 |
||
= _ /= |
\е 2 ‘dZ>\ |
||||||
|
Z - |
аргумент |
интеграла |
вероятности, |
равный |
||
|
Z = |
х |
|
|
|
|
|
|
т —время образования смеси (время пе- |
||||||
2л/0“ рекачки).
График функции КБ= 0,5 [l-<P(Z)] приведен на рис. 5.6.
В соответствии с ним концентрация КБ= 1 имеет место при Z-> — а КБ= 0 при Z -э + оо, то есть смесь занимает как бы весь трубопровод. Это дефект используемой математической модели.
Для инженерных целей под областью смеси понимают зону, где концентрация продукта Б в жидкости А изменяется от 99 до 1 %. Значение аргумента интеграла вероятности Z при КБ= 0,01 равно 1,645, а при КБ= 0,99 - минус 1,645.
222
смесь
Рис. 5.6. График функции КБ= 0,5[1-Ф(г)]
Пусть х, и х2 - координаты сечений, ограничивающих об ласть смеси. Тогда можем записать:
-----£ = |
= 1,645;-----£ = = -1,645. |
2-,/£>э -г |
2 - y j D j - r |
Длину области смеси найдем как разность х2их,:
е „ = * 2-х , =1,645-2.Л/о э г-(-1 ,6 4 5 -2 Л/о э т ) = 6,58 <уоэ г (5.3)
С учетом, что время образования смеси |
T = LI wc<t, можем пе |
||
реписать (5.3) в виде |
|
|
|
|
C = 6 .5 8 - J ^ ï. |
|
(5-4) |
|
V |
|
|
где |
L —пройденный смесью путь; |
—скорость смеси. |
|
Соответственно, объем смеси будет равен |
|
||
|
V „ = ( „ F = 6 , 5 8 F . I E I t |
(5.5) |
|
|
V |
|
|
где F - площадь сечения трубопровода.
Из полученных формул видно, что длина и объем смеси ме няются пропорционально корню квадратному из пройденного смесью расстояния и зависят также от площади сечения трубо провода и коэффициента продольного перемешивания (турбу лентной диффузии) D3.
Длину и объем смеси часто выражают через безразмерное
_ _ и» •L
число Пекле Ре=—~— , что дает
- ^ - = ^ - = 6 , 5 8 -Р е ~°'5 |
( 5 -6 ) |
L VTP
Если необходимо рассчитать объем смеси в других пределах изменения концентрации, то в формуле (5.6) необходимо заме нить число 6,58 на произведение 4Z, где Z —аргумент интеграла вероятности граничной концентрации.
Пример. Определить длину и объем смеси при перекачке нефтепродуктов со скоростью 1,2 м/с по трубопроводу диа метром 365 мм и длиной 250 км; коэффициент продольного пе ремешивания равен 0,5 м2/с.
|
Решение |
|
Последовательно вычисляем: |
|
|
Ре = - ■L 1,2-250-103- =6-10 |
|
|
0,5 |
|
|
Ре"0'5 = 1,29-10"3; V„ =?LL£ L .L - 3.14-0.3652 .250.IO3 = 26145 JW3; |
||
ТР |
4 |
4 |
- ^ - = • ^ - = 6 , 5 8 - Р е"05 = 6 ,5 8 • 1 ,2 9 • 1 0 '3 = 8 ,4 9 • Ю"3 ;
LVjp
^=8,49-10"3 L = 8,4910"3-250 10"3 = 2122 м ;
Vcx =8,49 10"3 Vrp = 8,49-10"3-26145 = 222 мг
Таким образом, в одном контакте перекачиваемых нефтепро-
дуктов за время перекачки — = ^ |
= 57,9 ч образуется объ |
ем смеси, составляющий 0,849 % от пройденного объема тру бопровода или 222 м3 (в пределах концентраций от 1 до 99 %), а длина смеси в трубопроводе равна около 2,12 км.
Объем примеси одного продукта в другом У описывается формулой
1 = _ L . |
-v |
|
J 0 |
I— rpe^ Vjp. |
|
*in
Если взять отношение объема примеси к объему смеси, то по дучим
-0.5 •V,ТР |
0,0858, |
6 |
6, 58л/ я |
то есть объем примеси составляет около 1/12 объема смеси, Определенной в пределах концентрации от 1 до 99 %. В рассмот ренном примере этот объем равен 19 м3 в каждом из продуктов.
В примере для простоты величина эффективного коэффи циента диффузии была задана. На самом деле для его расчета Имеется ряд эмпирических формул:
—формула Асатуряна
0э=17.4- v v * < 3; |
(5-7) |
|
—формула Нечваля—Яблонского |
|
(5.8) |
/ |
,0.755 |
|
D, =28,7.V (*V |
VX) |
|
—формула Съенитцера |
|
|
D3 = 1.32-107 • |
■w^D. |
(5.9) |
Кинематическую вязкость в данных формулах определяют сле дующим образом. При vA/vE< 5 пользуются формулой Кадмера
у =LL2-±Z£.
ср |
4 |
Если же vA/vE> 5, то вычислять v нет необходимости, так как
Ре-05 = (P ef*+Pef*)l2. |
<5Л0) |
Выразим величину числа Пекле с использованием формулы Съенитцера, полученной в отличие от (5.7), (5.8) в результате обработки результатов промышленных экспериментов:
Подставив его в формулу для нахождения объема смеси, по
лучим |
. ч 0,43 |
|
Ve„~2QQQ |
• V„, |
(5.11) |
Из этой формулы, в частности, видно, что чем меньше значе ние коэффициента гидравлического сопротивления А, тем мень ше объем образующейся смеси. Поскольку для всякой жидкости коэффициент А уменьшается при увеличении средней скорости потока wcp, то мы приходим к важному выводу: чем больше ско рость перекачки, тем меньше образуется смеси. Строго говоря, полученная формула для У^ справедлива лишь для нефтепро дуктов, обладающих одинаковой вязкостью. Если же вязкости нефтепродуктов различны, то, используя формулы (5.9), (5.10),
получаем |
0 43 |
|
VCM=1000-(A‘4 ^ 8) { f ) |
'Ут р - |
(5Л2) |
Эта формула дает результаты, имеющие хорошее совпадение с промышленными данными.
5.6. Влияние различных факторов на процесс смесеобразования и борьба с ним
Опыт эксплуатации магистральных трубопроводов, по ко торым последовательно перекачиваются различные нефти или нефтепродукты, показывает, что объем смеси при прямом кон тактировании равен 0,5...1 % объема трубопровода. Однако для трубопроводов большого диаметра и протяженности даже в этом случае объем смеси довольно велик. Так на участке Уфа—Челя бинск нефтепродуктопровода Уфа—Омск он составляет около 785 м3. Поскольку смесь является некондиционным продуктом, то необходимо всемерно стремиться к уменьшению ее объема.
На образование смеси оказывают влияние скорость пере качки, остановки перекачки, конструктивные особенности об вязки перекачивающих станций и резервуарных парков, объем партий, соотношение вязкостей и плотностей перекачиваемых жидкостей.
Влияние скорости перекачки
Выше было показано, что при турбулентном режиме пере качки объем образующейся смеси значительно меньше, чем при ламинарном. Поэтому однозначно последовательную перекач ку необходимо осуществлять при турбулентном режиме. Выбор скоростей перекачки при этом лимитируется следующими сооб ражениями. Если скорость низкая, то может произойти расслое ние потока и объем смеси возрастет. Установлены следующие ми нимально допустимые скорости: при D = 300...350 мм —0,8 м/с, при D = 400...500 мм —0,75 м/с.
Чем больше скорость перекачки, тем объем образующейся смеси меньше. Однако бесконечно увеличивать скорость пере качки нецелесообразно. При скоростях больше 2 м/с существен но возрастают затраты электроэнергии на перекачку, а объем смеси уменьшается незначительно (рис. 5.7).
0 |
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1,0 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
2,0 |
|
|
|
w |
|
-------► |
|
|
м/с |
||
|
|
|
"о |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5.7. Зависимость относительного объема смеси от скорости перекачки при различном соотношении плотностей (т/м3) тяжелого и легкого нефтепродуктов:
' - Р Г 1; |
Р„= 1.09: |
5 - р = 0 ,7 3 ; |
рт= 0 ,8 2 ; |
||
6 _ Рт=0>82; |
л,= °.73; |
||||
2 - Р т= 1.09; |
р,= 1; |
||||
З - Р Г 1; |
рТ= U 2; |
7 |
- Р Г 0-73; |
/>„ = 0 ,8 4 ; |
|
* - р . = м 2; |
р,= !; |
8 |
- Рт= 0,8 4 ; |
р ,= 0 ,7 3 |
|
В связи с этим диапазон рекомендуемых при последователь ной перекачке скоростей составляет от 0,75 до 2,0 м/с. Есть и бо лее общая рекомендация: перекачку нужно вести в развитом турбулентном режиме, т. е. при числах Рейнольдса, превышаю щих 10 000.
Влияние остановок перекачки
Последовательно перекачиваемые жидкости, как правило, имеют разную плотность. У бензина, например, она составляет 730...750 кг/м3, а у дизельного топлива 830...850 кг/м3. Если при остановке перекачки более тяжелая жидкость окажется выше или даже на одном уровне с более легкой жидкостью, то прои зойдет их растекание под действием силы тяжести. При этом бо лее тяжелая жидкость (на рис. 5.8. изображена темной) стекает вдоль нижней образующей трубы, а более легкая (изображена светлой) —поднимается вдоль верхней образующей. Этот про цесс прекращается после того, как нижнее «колено» оказывает ся заполненным тяжелой жидкостью, перекрывающей путь для всплывания более легкой.
Рис. S.8. Растекание жидкостей разной плотности при остановках последовательной перекачки:
а —механизм растекания; 6 —размещение жидкостей после завершения рас текания
На рис. 5.9 приведена величина коэффициента увеличения объема смеси в результате остановок для нефтепродуктопровода с внутренним диаметром 307 мм при равнинном характере про филя трассы.
Рис. 5.9. Влияние остановок перекачки на увеличение объема смеси
График построен для следующих условий:
•скорость перекачки равна 1 м/с;
•число остановок равно числу циклов последовательной пе рекачки.
Из него следует, что для коротких трубопроводов при оста новках перекачки объем смеси может увеличиваться на 25 %.
Чтобы уменьшить дополнительное смесеобразование при аварийных остановках различные по плотности жидкости сле дует немедленно отсекать задвижками как можно ближе к гра нице их контактирования. При плановых остановках перекачки трубопровода необходимо производить их в тот момент, когда более легкая жидкость располагается над тяжелой.
Влияние конструктивных особенностей обвязки перекачивающих станций
Переключение работающих насосов с одной жидкости на другую производится без остановки перекачки. Данная проце дура занимает определенный промежуток времени, в течение которого осуществляется переключение задвижек. В этот пери од обе задвижки (например, на резервуарах с бензином и дизель ным топливом) будут открыты и в насос одновременно посту пают две разные жидкости, которые смешиваются между собой во всасывающем трубопроводе и корпусе насоса. В магистраль в этом случае подается уже смесь жидкостей, получившая назва ние первичной технологической смеси.
Объем смеси будет тем больше, чем длительнее время сраба тывания задвижек. Лучшие образцы отечественных и зарубеж ных задвижек срабатывают примерно за 10 с. Однако возможны случаи более длительного перекрытия запорной арматуры, что увеличивает объем первичной технологической смеси.
Большое влияние на объем первичной технологической сме си, образующейся на участке «резервуарный парк —насосная», оказывают так называемые «мертвые зоны»: различные отво ды, тупиковые ответвления, обводные линии, лупинги, задвиж ки, счетчики, фильтры и т. п. На момент начала последователь ной перекачки эти устройства заполнены одной из жидкостей. После смены партии эта жидкость постепенно вымывается из перечисленных устройств другой. В результате загрязнение вы тесняющей жидкости происходит не только в зоне контакта, но и на значительной длине после границы раздела. В связи с этим трубопроводы, предназначенные для последовательной пере качки, не должны иметь отводов и ответвлений, а отсекающие задвижки должны устанавливаться непосредственно у основной магистрали.
Первичная технологическая смесь может образовываться и при хранении продуктов в резервуарном парке. Если в резер вуарах хранятся разные продукты, а задвижки, отключающие эти резервуары, негерметичны, то из-за разности гидростатиче ских давлений будут иметь место перетоки продуктов и образо