ЦИСТЕРНА ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ ЖИДКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, а более конкретно цистернам для перевозки жидких нефтепродуктов, изменяющих при охлаждении свои физические свойства и эксплуатационные характеристики мазутов, масел, дизельных топлив летних сортов и др.
Известны неспециализированные цистерны для перевозок светлых нефтепродуктов бензинов, керосинов и др., не имеющие тепловой изоляции, но снабженные универсальным нижним сливным патрубком, который позволяет обеспечить быструю выгрузку цистерны с помощью откачивающих насосов (Губенко В.К., Никодимов А.П., Жилин Г.К. Цистерны (устройство, эксплуатация, ремонт). М.; Транспорт, 1990 г., 151 с.).
Недостатком названных цистерн является: невозможность перевозок в них в зимнее время светлых нефтепродуктов, изменяющих при охлаждении свои физико-химические и эксплуатационные характеристики, например, дизельных топлив летних сортов.
Также известны специализированные цистерны-термосы, с тепловой изоляцией стенок котла, обеспечивающей снижение скорости охлаждения перевозимого нефтепродукта (Казубов А.И. Применение цистерн-термосов для перевозки застывающих нефтепродуктов. М.; «ЦНИИТЭИМОС», вып. 11, 1987, 32 с.).
Недостатками указанного типа цистерн являются сложность обеспечения всего комплекса требований, предъявляемых к цистернам нормативными документами, регламентирующими допустимую массу тары при заданной вместимости котла, пожаробезопасность теплоизолирующей оболочки, ее ремонтопригодность, себестоимости т.д. Цистерны - термосы применяются лишь для небольшого перечня затвердевающих наливных грузов, имеющих малые суммарные объемы перевозок.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является вагон-цистерна модель, 15-1566, для перевозок загустевающих жидкостей, например, масел и мазутов. Цистерна включает горизонтально установленный на транспортных тележках цилиндрический котел, имеющий верхний наливной люк, нижний сливной патрубок и парообогревательный кожух, снабженный штуцерами для подачи пара и слива конденсата, жестко укрепленный на нижней половине котла (Губенко В.К., Никодимов А.П., Жилин Г.К. Цистерны (устройство, эксплуатация, ремонт). М.; Транспорт, 1990 г., 151 с.).
Недостатками данной цистерны являются: невозможность перевозок в них в зимнее время нефтепродуктов, необратимо изменяющих при охлаждении свои физико-химические и эксплуатационные характеристики, например, тех же дизельных топлив летних сортов. Кожух, установленный на нижней части котла, обеспечивает разогрев доставленного нефтепродукта перед его сливом, но не препятствует его охлаждению при транспортировании.
Разогрев в цистерне загустевших за время транспортирования нефтепродуктов (мазутов и масел) создает значительные трудности на пунктах выгрузки и перегрузки. При подаче пара в парообогревательный кожух разогревается только тонкий слой застывшего нефтепродукта, по которому при выгрузке скользит основная его масса, сохранившая низкую температуру и высокую вязкость. В таком виде нефтепродукт можно передавать в наземные хранилища или на корабли только по обогреваемым трубопроводам. В полевых условиях, при низких температурах воздуха, полная выгрузка и перегрузка застывшего нефтепродукта из цистерны невозможна, так как увеличение продолжительности разогрева к положительному результату не приводит - пар конденсируется не на поверхности котла цистерны, заполненного нефтепродуктом, а на внутренней поверхности парообогревательного кожуха, и вся подводимая теплота рассеивается в окружающее пространство.
Задачей полезной модели является расширение ассортимента перевозимых жидких нефтепродуктов и сокращение времени их слива.
Для решения поставленной задачи предлагается цистерна для транспортировки жидких нефтепродуктов, включающая горизонтально установленный на транспортных тележках цилиндрический котел, имеющий верхний наливной люк, нижний сливной патрубок, а также парообогревательный кожух, снабженный штуцерами для подачи пара и слива конденсата, жестко укрепленный на нижней половине котла, имеющая второй парообогревательный кожух, снабженный штуцерами для подачи пара и слива конденсата, жестко укрепленный на верхней половине котла и изолированный от нижнего парообогревательного кожуха, причем на наружную поверхность верхнего и нижнего кожухов нанесено теплоизолирующее покрытие.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана цистерна для транспортировки жидких нефтепродуктов в продольном сечении, а на фиг. 2 - цистерна в поперечном сечении.
На котле 1 цистерны, имеющем верхний наливной люк 2 и нижний сливной патрубок 3, жестко укреплены нижний парообогревательный кожух 4 и верхний парообогревательный кожух 5, которые образуют над стенками котла 1 две камеры кольцевого сечения 6 и 7 соответственно, изолированные друг от друга. На нижнем парообогревательном кожухе 4 укреплен входной штуцер 8 для подачи пара в камеру 6 от внешнего источника 9, а также выходной штуцер 10 для слива из камеры 6 образующегося в ней конденсата.
На верхнем парообогревательном кожухе 5 установлен входной штуцер 11 для подачи пара в камеру 7 и выходной штуцер 12 для слива из камеры 7 образующегося конденсата. Нижние стенки камеры 7 имеют уклон к месту установки выходного штуцера 12 для обеспечения полного слива конденсата.
На наружную поверхность парообогревательных кожухов 4 и 5 нанесен слой 13 теплоизоляционного покрытия, например, «Астратек», «Термоплэкс» или «Крунд» изготовленных по ГОСТ ISO 9001-2011; ISO 9001-2008.
Позицией 14 отмечен слой перевозимого жидкого нефтепродукта, в верхней половине котла 1, позицией 15 отмечен слой жидкого нефтепродукта в нижней половине котла 1. Стрелками отмечены направления токов естественной конвекции жидкого нефтепродукта.
Принцип работы заявляемой цистерны основан на сочетании физических свойств нефтепродуктов и технологии их железнодорожных перевозок в цистернах, и заключается в следующем.
-3
кип
Для темных и светлых нефтепродуктов характерны: большой коэффициент объемного теплового расширения β≈10 1/град, малое значение коэффициента теплопроводности λ=0,12-0,2 Вт/м·град и высокая температура кипения, доходящая до t=320°C-380°C у мазутов.
Технология перевозок загустевающих жидких темных нефтепродуктов включает их разогрев перед наливом в цистерну и перед выгрузкой из нее, обеспечивая снижение вязкости нефтепродукта.
кип
Высокие температуры кипения светлых нефтепродуктов, доходящие до t=150°C-300°C у керосинов и дизельных топлив летних сортов позволяют безопасно их разогревать до температур t=100-110°C.
В заявляемом объекте предполагается, что после налива нефтепродукта в котел 1 цистерны он дополнительно еще разогревается в верхней части котла 1. Для этого сразу после налива нефтепродукта в цистерну в камеру 7 через входной штуцер 11 подается пар, разогревающий стенки котла 1 в верхней его части. Из-за высокого коэффициента объемного теплового расширения нефтепродуктов, на нагретых стенках котла 1 под верхним паро-обогревательным кожухом 5 возникнет естественная конвекция жидкого нефтепродукта (направление токов жидкости показано стрелками на фиг. 2).
2
По истечении 30-40 минут нагревания при удельном тепловом потоке q=1,5-2 кВт/м жидкий нефтепродукт в слое 14, находящемся в верхней части котла 1 цистерны приобретает плотность на 5-7% меньшую по сравнению с его плотностью в слое 15, занимающей нижнюю часть котла 1.
В результате вся масса жидкого нефтепродукта в котле 1 цистерны переходит в устойчивое (стратифицированное) состояние, при котором естественная конвекция становится невозможной.
Охлаждение жидкого нефтепродукта, находящегося в стратифицированном состоянии, будет очень медленным, т.к. вызывается только его молекулярной теплопроводностью, а она у всех нефтепродуктов мала. Медленному охлаждению нефтепродукта будут способствовать также большие термические сопротивления воздушных прослоек камер 6 и 7 под парообогревательными кожухами 4 и 5, и слоя 13 теплоизоляционного покрытия на наружных их стенках парообогревательных кожухов 4 и 5, которые значительно снижают тепловые потоки в окружающее пространство.
Рассматриваемая цистерна предназначена для перевозок как темных нефтепродуктов таких как мазуты парафинистые, крекинг-остатки и вязкие масла, загустевающие при температурах ниже плюс 20-30°C, так и светлых нефтепродуктов, например, дизельных топлив летних сортов, для которых характерны фазовые расслоения при охлаждении ниже минус 5°C.
В рассматриваемом режиме охлаждения темных нефтепродуктов, имеющих начальную температуру плюс 80-100°C, основная масса нефтепродукта в течение 7-10 суток транспортирования при температурах воздуха до минус 20°C сохраняет высокую температуру и текучесть, достаточную для проведения его выгрузки самотеком через сливной патрубок 3.
На внутренних стенках котла цистерны 1 остается только тонкий слой нефтепродукта, перешедшего в вязкое состояние, общей массой 5-6 тонн.
Данный слой разогревается и разжижается перед выгрузкой цистерны на сливной площадке. Для этого в камеру 6 через входной штуцер 8 и в камеру 7 через входной штуцер 11 в течение 15-20 минут подается пар. Наличие теплоизоляционного слоя 13, выполненного, например, из покрытия «Корунд», обеспечивает быстрый нагрев наружных стенок парообогревательных кожухов 4 и 5, имеющих малую толщину и теплоемкость.
Вся масса, подаваемого пара, будет конденсироваться при этом на стенках котла 1 цистерны, и выделяющаяся теплота фазового перехода будет полезно расходоваться на разжижение загустевшего слоя нефтепродукта.
Разогрев котла 1 по всей его поверхности станет препятствовать образованию и накоплению на его стенках высоковязких остатков, что снизит продолжительность очистки цистерн на промывочно-пропарочной станции перед новым их заполнением. Также будут снижены затраты тепловой энергии на очистку цистерн.
Компьютерные расчеты режимов охлаждения светлых нефтепродуктов (дизельных топлив летних сортов, имевших начальную температуру плюс 100°C) в стратифицированном состоянии показали, что до опасных температур фазового расслоения они не охлаждаются.
Достигаемые технические результаты от использования цистерны для транспортировки жидких нефтепродуктов сводятся:
- К резкому сокращению времени и затрат тепловой энергии на разогрев при сливе темных нефтепродуктов из цистерны, получаемому за счет уменьшения скорости охлаждения нефтепродукта при транспортировании и сохранения текучести более 90% от всей его массы;
- К получению возможности перевозок дизельных топлив летних сортов в холодный осенне-зимний период при температурах воздуха выше минус 20°C в течение 7-10 суток без изменения их эксплуатационных характеристик, в результате чего в значительной мере снимается необходимость использования депрессорных присадок к дизельным топливам летних сортов.