СПОСОБ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВЯЗКИХ НЕФТЕЙ И НЕФТЕПРОДУКТОВ
VISCOUS OIL AND OIL PRODUCT MOVEMENT METHOD

Предлагаемое техническое решение относится к гидротранспорту высоковязких жидкостей, в частности нефтей и нефтепродуктов, масел и других ньютоновских и неньютоновских сред, и может найти применение в химической, нефтетехнической и других отраслях промышленности и экологических процессах при перекачивании по трубопроводу консистентных нефтешламов и других жидких отходов.
Известен способ подготовки русской высоковязкой нефти к транспортированию путем удаления из нее веществ, снижающих ее текучесть, за счет обработки ее в емкости с силикагелем модифицированным раствором щелочи в изопропиловом спирте, при этом нефть и силикагель берут в соотношении, масс.ч. (9,9-21,3:10) (авт. Св. СССР №1415003, F17D 3/08, 1988).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится незначительное уменьшение вязкости, снижение гидравлического сопротивления и энергозатрат на гидротранспортирование нефти по трубопроводу.
Известно устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе, включающем цилиндрическую пружину, выполненную из полой трубки, установленную внутри трубопровода с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы, и шагом витка, определяемым по формуле
где λ - шаг витка, м;
υ - скорость движения жидкости, м/с;
D - внутренний диаметр трубопровода, м;
2
g=9,81 - ускорение свободного падения, м/с,
причем на боковой поверхности которой на расстоянии, равном  шага витка, выполнены отверстия таким образом, что их ось совпадает с направлением потока жидкости в трубопроводе.
Если перекачиваемая жидкость нефть или нефтепродукты, а маловязкая жидкость вода, не растворимая в перекачиваемой жидкости и имеющая большую плотность, чем последняя, то витки цилиндрической пружины являются средством для закручивания потока и заставляют вращаться обе жидкости. Под действием центробежной силы вода прижимается к стенке трубы, создавая устойчивый центробежный слой маловязкой жидкости. Кроме того, выполнение цилиндрической пружины из трубы с отверстиями позволяет подавать в пограничный слой газ, воздух, пар, растворы полимеров или поверхностно-активных веществ, эмульсии, химические реагенты, которые уменьшают гидравлическое сопротивление, предотвращают образование отложений на стенках трубы, снижают вязкость перекачиваемой жидкости, предотвращают образование в ней вихрей (патент РФ №2334134, F15D 1/06, F17D 1/20 2007).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая устойчивость пограничного слоя маловязкой жидкости или разная плотность ее и перекачиваемой высоковязкой жидкости. Если плотность маловязкой жидкости, например воды, больше плотности перекачиваемой жидкости, последняя всплывает, а вода опускается вниз, если плотность маловязкой жидкости, например воздуха, меньше плотности перекачиваемой жидкости, последняя выдавливает воздух вверх. В общих случаях перекачиваемая жидкость начинает двигаться без маловязкого пограничного слоя, что увеличивает гидравлическое сопротивление и энергозатраты на гидротранспорт.
Наиболее близким техническим решением к заявленному способу является способ перемещения вязких нефтей и нефтепродуктов, заключающийся в формировании коаксиального концентрического слоя воды у внутренней поверхности трубы путем добавления в нефть воды и придания потокам нефти и воды вращательного движения лопастными мешалками, установленными за участками, где происходит изменение скоростей потоков по величине или направлению с угловой скоростью, определяемой по формуле
где ω - угловая скорость вращения мешалки, 1/с;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
R - радиус трубопровода
(патент РФ №2262035, F17D 1/14, F15D 1/02, 2005).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неустойчивость коаксиального концентрического слоя воды у внутренней поверхности трубы на участках между лопастными мешалками за счет разности плотностей воды и перекачиваемой нефти или нефтепродукта.
Обычно плотность нефти меньше плотности воды. В этом случае под действием силы тяжести кольцевой слой воды деформируется, и вся вода течет в нижние части трубы, а нефть под действием силы Архимеда заполняет верхнюю часть трубопровода. В этом случае нефть и нефтепродукт начинают течь без кольцевого слоя воды, что увеличивает гидравлическое сопротивление и энергозатраты на гидротранспорт.
Задачей предлагаемого технического решения является уменьшение гидравлического сопротивления и энергозатрат на всех участках трубопровода.
Техническим результатом является создание устойчивого кольцевого слоя маловязкой жидкости за счет нейтрализации силы тяжести и Архимеда, возникающих при разности плотностей нефти или нефтепродукта и маловязкой жидкости, двигающейся в коаксиальном концентрическом слое у внутренней поверхности трубы.
Поставленный технический результат достигается тем, что в способе перемещения вязких нефтей и нефтепродуктов, заключающемся в формировании коаксиального концентрического слоя жидкости у внутренней поверхности трубы путем добавления внутрь воды, при этом предварительно в воду добавляют метиловый спирт в количестве (17,4÷53)% массовых с образованием спиртового раствора, плотность которого равна плотности перекачиваемой нефти или нефтепродукта.
Предварительное добавление в воду метилового спирта в указанном количестве, хорошо растворяемого в воде с образованием спиртового раствора, плотность которого равна плотности перекачиваемой нефти или нефтепродукта, позволяет после формирования его кольцевого концентрического слоя этого раствора у внутренней поверхности трубы обеспечивать его устойчивость по всей длине трубопровода, так как отсутствуют сила тяжести и сила Архимеда, заставляющие этот водный раствор опускаться вниз, а нефть или нефтепродукт подниматься вверх. Так как при этом вязкость водного раствора значительно меньше вязкости перекачиваемой нефти или нефтепродукта по всей длине трубопровода, то гидравлическое сопротивление и энергозатраты уменьшаются. Кроме того, нет необходимости вращать этот водный раствор с нефтью или с нефтепродуктом, что сохраняет устойчивость коаксиального концентрического слоя у внутренней поверхности трубы, что также уменьшает энергозатраты.
На чертеже представлена схема установки по предлагаемому способу перемещения вязких нефтей и нефтепродуктов.
Установка включает в себя линейные части трубопровода 1 и колено 2 с внутренним диаметром D, дифманометр 3 для изменения перепада давления на всей длине трубопровода. Установка содержит емкость для нефти или нефтепродукта 4, в которую опущен всасывающий патрубок центробежного насоса 5, а нагнетательный патрубок 6, имеющий диаметр d (меньший внутреннего диаметр а трубопровода 1 на удвоенную величину коаксиального концентрического слоя водного раствора), установлен осесимметрично на входе с линейной частью трубопровода 1.
Для измерения расхода нефти установлен ротаметр 7, а ее расход регулируется вентилем 8.
Установка содержит также смеситель 9 для смешивания воды с метиловым спиртом с образованием спиртового раствора, плотность которого равна плотности перекачиваемой нефти, емкость 10 с водой, соединенную трубкой с вентилем 11 со смесителем 9, а также емкость 12 с растворяемым в воде метиловым спиртом, соединенную другой трубкой с вентилем 13 со смесителем 9. Для измерения плотности нефти в емкости 4 установлен денсиметр 14, а в смесители 9 установлен денсиметр 15 для измерения плотности спиртового раствора.
В смеситель 9 опущен всасывающий патрубок насоса 16, нагнетательный патрубок которого соединен трубкой через вентиль 17 с коаксиальным кольцевым зазором 18, образованным на входе трубопровода 1, и нагнетательным патрубком 6. Для измерения расхода спиртового раствора, нагнетаемого насосом 16 из смесителя 9 в коаксиальный кольцевой зазор 18, установлен ротаметр 19.
Установка по предлагаемому способу перемещения вязких нефтей и нефтепродуктов работает следующим образом.
Денсиметром 14 измеряют плотность нефти в емкости 4. Заполняют водой из емкости 10 через трубку с вентилем 11 смеситель 9, подают из емкости 12 через трубку вентилем 13 метиловый спирт в смеситель 9. Включают мешалку и, регулируя расходы воды из емкости 10 и метилового спирта из емкости 12 с помощью вентилей 11 и 13, создают в смесителе 9 спиртовой раствор с плотностью (которую контролируют денсиметром 15), равной плотности нефти, которую контролируют денсиметром 14.
Включают центробежный насос 5, которым по нагнетательному патрубку 6 подают нефть, расход которой устанавливают вентилем 8 и контролируют ротаметром 7. Одновременно включают насос 16, которым по нагнетательному патрубку с вентилем 17 подают в коаксиальный кольцевой зазор 18 спиртовой раствор из смесителя 9. Расход этого водного раствора контролируется ротаметром 19.
Так как плотности перекачиваемой нефти, подаваемой по нагнетательному патрубку центробежного насоса 5, и спиртового раствора, подаваемого в коаксиальный кольцевой зазор 18 на входе в трубопровод 1, равны, то силы тяжести и силы Архимеда нефти и спиртового раствора будут равны, а значит коаксиальный концентрический слой спиртового раствора будет устойчиво двигаться вдоль трубы у внутренней ее поверхности, а перекачиваемая нефть внутри этого коаксиального концентрического слоя спиртового раствора. Так как спиртовой раствор имеет вязкость значительно меньшую вязкости перекачиваемой нефти, то гидравлическое сопротивление, измеряемое дифманометром 3, и энергозатраты будут намного меньше на всех участках трубопровода 1, потому что перекачиваемая нефть или нефтепродукт не соприкасается с внутренней поверхностью трубопровода.
3
3
3
Пример 1. Необходимо перекачать нефть плотностью ρ=900 кг/м и вязкостью µ=0,05 Па·с при температуре t=20°C на расстояние L=10 км в трубопроводе диаметром D=0,1 м с расходом q=0,001 м/с или 0,6 м/ч.
3
3
1
Вода при 20° имеет плотность 1000 кг/м, метанол имеет плотность при 20° ρ=792 кг/м.
1
-3
Для создания спиртового раствора с плотностью, равной плотности перекачиваемой нефти, необходимо в смесителе 9 создать раствор с концентрацией метанола в воде 53% массовых. Этот раствор, как и вода, плохо растворим в нефти и имеет вязкость µ=1,79·10 Па·с, то есть в 28 раз меньшую, чем перекачиваемая нефть.
1
-5
3
3
Для формирования коаксиального концентрического слоя у внутренней поверхности трубы из этого спиртового раствора метанола толщиной 1 мм его расход должен составлять q=1,437·10 м/c или 0,052 м/час.
1
3
Этот расход q=0,052 м/час устанавливают вентилем 17 и контролируют ротаметром 19 после включения насоса 16.
3
m
1
Определяют массовый расход этого раствора плотностью ρ=900 кг/м. Массовый расход q=q·ρ=46,8 кг/час.
m1
m
Тогда массовый расход метанола должен составлять q=q·0,53=24,8 кг/час, а его объемный расход
m1
m
который подают из емкости 12 в смеситель 9 и устанавливают вентилем 13. Массовый расход воды должен составлять q=q·0,47=22 кг/час, а ее объемный расход
которую подают из емкости 10 в смеситель 9 и 1000 час устанавливают вентилем 11. Плотность получаемого 53% раствора в смесителе 9 контролируют денсиметром 15 и сравнивают с плотностью нефти по показаниям денсиметра 14.
3
3
По нагнетательному патрубку 6 диаметром d=98 мм центробежного насоса 5 нефть с плотностью ρ=900 кг/м подают на вход линейной части трубы 1 диаметром D=100 мм с заданным расходом q=3,6 м/час, который регулируют вентилем 8 и контролируют ротаметром 7.
3
Для формирования коаксиального концентрического слоя 53% водного раствора метанола, имеющего такую же, как нефть, плотность ρ=900 кг/м, его подают из смесителя 9 насосом 16 в коаксиальный кольцевой зазор 18. Его толщина равна половине разницы диаметров трубопровода 1 D=100 мм и нагнетательного патрубка насоса 6, то есть δ=1 мм.
Так как плотности этого раствора и нефти равны, то силы тяжести и силы Архимеда обеих жидкостей равны, то есть обе жидкости, не смешиваясь, движутся вдоль линейной части трубопровода 1. На повороте в колене 2 они также не смешиваются, так как центробежные силы на границе обеих жидкостей из-за равенства их плотностей будут равны.
-2
-2
-2
Гидравлическое сопротивление на 10 км трубопровода 1 составит 0,886 ат, а удельные энергозатраты Е=2,68·10 кВт·час/т. При обычной перекачке нефти гидравлическое сопротивление и энергозатраты будут в 3,05 раза больше. По сравнению со способом перемещения вязких нефтей и нефтепродуктов выбранным за прототип, в котором гидравлическое сопротивление составляет 1,31 ат, предлагаемый способ обеспечивает снижение гидравлического сопротивления на 47,8%, а удельные энергозатраты снизятся более чем в 1,5 раза с 4,05·10 до 2,68·10 кВт·час/т. Это связано в прототипе с необходимостью дополнительных затрат энергии на вращение нефти и коаксиального концентрического слоя воды лопастными мешалками, которые используют в прототипе для создания центробежных сил в воде больше сил тяжести, возникающих из-за разности плотности воды и нефти и обеспечивающих устойчивое положение коаксиального концентрического слоя воды у стенки трубопровода.
3
3
-4
3
m
Пример 2. Необходимо перекачать мазут марки M100 с температурой застывания t=25°C, плотностью ρ=971 кг/м и вязкостью µ=0,1114 Па·с на 1 км по трубопроводу диаметром d=0,06 м. Расход мазута q=2 м/час или 5,56·10 м/с (физические свойства мазута и технологические параметры взяты из патента РФ №2138727, F17D 1/16, 1999 г.).
3
1
Для обеспечения плотности раствора метанола в воде, равной плотности мазута ρ=971 кг/м, необходима массовая концентрация метанола 17,4% [Павлов К.Ф., Романов П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов с химической технологией. Изд. 8-е, пер. и доп. Л.: Химия, 1976, с.489, 552 с]. Этот раствор, как и вода, плохо растворим в мазуте и имеют вязкость µ=0,00151 Па·с, то есть в 74 раза меньше, чем перекачиваемый по трубопроводу мазут [Краткий справочник физико-химических величин. Изд.8. Под редакцией А.А.Равделя и А.М.Понамаревой, Л.: Химия, 1983, с.114].
1
m
m1
m
m2
1
-6
3
3
3
3
3
Для формирования коаксиального концентрического слоя у внутренней поверхности трубы из этого водного раствора метанола толщиной δ=0,6 мм его расход должен составлять q=9,85·10 м/с или 0,0355 м/час. При плотности ρ=971 кг/м массовый расход 17,4%-ного раствора метанола в воде должен составлять q=34,5 м/час. Тогда массовый расход метанола должен составлять q=q·0.174=6 кг/час, а воды q=28,5 кг/час. Соответственно объемный расход метанола, подаваемого в смеситель 9 из емкости 12 при плотности метанола при 25°С ρ=789 кг/м, должен быть
2
3
Объемный расход воды, подаваемой в смеситель 9 из емкости 10, должен быть при плотности воды ρ=997 кг/м
Далее процесс перемещения мазута происходит аналогично процессу перемещения нефти, описанному в примере один, только мазут подают в нагнетательный патрубок центробежного насоса 5, и этот патрубок имеет диаметр d=D-2δ=0,0588 м. В этом случае коаксиальный концентрический слой 17,4%-го раствора метанола в воде, подаваемый в коаксиальный зазор 17, имеет толщину δ=0,6 мм, а так как плотность этого раствора равна плотности мазута, то и на линейных участках трубопровода 1, и в колене 2 или в других местных сопротивлениях разница между силами тяжести и силами Архимеда мазута и водного раствора равны нулю. То же касается центробежных и инерционных сил. Поэтому 17,4%-ный раствор метанола в воде будет сохранять устойчивое положение у стенки трубы. Гидравлическое сопротивление по всей длине трубопровода составляет 0,395 ат, а удельные энергозатраты Е=0,0111 кВт·час/т. По сравнению со способом перемещения вязких нефтей и нефтепродуктов, принятым за прототип, где гидравлическое сопротивление составляет Δp=0,624 ат, оно снижается на 58%, а удельные энергозатраты, составляющие в прототипе E=0,018 кВт·час/т, уменьшаются еще больше - на 62%, что объясняется необходимостью затрат энергии в прототипе на закручивание мазута и раствора лопастными мешалками.
В таблице систематизированы результаты исследований по предлагаемому способу перемещения вязких нефтей или нефтепродуктов в сравнении со способом, выбранным за прототип (патент РФ №2262035).
Таким образом, предлагаемый способ перемещения вязких нефтей и нефтепродуктов позволяет в 1,5 и более раз уменьшить гидравлическое сопротивление и энергозатраты на их перекачивание по трубопроводу за счет создания устойчивого коаксиального концентрического слоя спиртового раствора у внутренней поверхности трубы, имеющего плотность, равную плотности перекачиваемой нефти или нефтепродукта. Это предотвращает всплывание нефти или нефтепродукта, имеющих плотность меньше, чем плотность воды, под действием силы Архимеда и опускание воды в нижнюю часть трубы под действием силы тяжести. То же касается центробежных сил и сил инерции, возникающих на поворотах и в других местных сопротивлениях. Их равенство в связи с равенством плотностей перекачиваемой нефти или нефтепродукта и спиртового раствора не позволяет изменяться толщине коаксиального концентрического слоя спиртового раствора у внутренней поверхности трубы по всей ее длине.
Таблица
Результаты исследований по перемещению вязких нефтей и нефтепродуктов
Способ перемещения
Гидравлическое сопротивление по всей длине трубопровода, ат
Удельные энергозатраты кВт·час/т
Пример 1
Предлагаемый способ перемещения нефти: вязкость µ=0,05 Па·с, плотность ρ=900 кг/м<sup>3</sup>, температура t=20°C, расход q=0,001 м<sup>3</sup>/с, диаметр трубопровода D=0.1 м, длина L=10 км; раствор метанола в воде - концентрация массовая метанола 53%, плотность раствора ρ=900 кг/м<sup>3</sup>, расход q<sub>1</sub>=1,437·10<sup>-5</sup> м<sup>3</sup>/с (вязкость µ<sub>1</sub>=1,79·10<sup>-3</sup> Па·с) идет на формирование коаксиального концентрического слоя у внутренней поверхности трубы толщиной δ=1 мм
0,886
0,0268
Способ по прототипу - та же нефть и трубопровод: плотность ρ=1000 кг/м<sup>3</sup>, расход воды q<sub>1</sub>=1,66·10<sup>-5</sup> м<sup>3</sup>/с (вязкость µ<sub>1</sub>=10<sup>-3</sup> Па·с) идет на формирование коаксиального концентрического слоя у внутренний поверхности трубы толщиной δ=1 мм; вращение нефти и слоя воды лопастными мешалками
1,310
0,0405
Пример 2
Предлагаемый способ перемещения мазута: вязкость µ=0,1114 Па·с, плотность ρ=971 кг/м<sup>3</sup>, температура t=25°C, расход q=5,56·10<sup>-4 </sup>м<sup>3</sup>/с, диаметр трубопровода D=0.06 м, длина L=10 км; раствор метанола в воде - концентрация массовая метанола 17,4%, плотность раствора ρ=971 кг/м<sup>3</sup>, расход q<sub>1</sub>=9,85·10<sup>-6</sup> м<sup>3</sup>/с (вязкость µ<sub>1</sub>=0,00151 Па·с) идет на формирование коаксиального концентрического слоя у внутренний поверхности трубы толщиной δ=0,6 мм
0,395
0,0111
Способ по прототипу - тот же мазут и трубопровод: плотность ρ=997 кг/м<sup>3</sup>, расход q<sub>1</sub>=1.033·10<sup>-5</sup> м<sup>3</sup>/с (вязкость (µ<sub>1</sub>=10<sup>-3</sup> Па·с) идет на формирование коаксиального концентрического слоя у внутренний поверхности трубы толщиной δ=0,6 мм; вращение мазута и слоя воды лопастными мешалками
0,624
0,018
Кроме того, отпадает необходимость закручивания обеих жидкостей пропеллерными мешалками за каждым местным сопротивлением, что снижает энергозатраты, а также затраты на установку и обслуживание этих пропеллерных мешалок.