Способ перевозки вязких нефтепродуктов и железнодорожная цистерна для его реализации
METHOD OF TRANSPORTING OF VISCOUS REFINED OIL PRODUCTS AND RAILWAY TANK FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к железнодорожному транспорту, а более конкретно к средствам перевозки вязких нефтепродуктов: мазутов, крекинг-остатков и парафинистых нефтей.
Известен способ железнодорожных перевозок вязких нефтепродуктов, включающий их первичный разогрев для обеспечения текучести при наливе в цистерну, налив, выполняемый с применением погружных рукавов, перевозку в цистерне, которая сопровождается охлаждением жидкого нефтепродукта, происходящим с ростом его вязкости, вторичный разогрев нефтепродукта, проводимый для восстановления его текучести перед выгрузкой, и саму выгрузку, осуществляемую самотеком (Губин В.Е. Слив и налив нефтей и нефтепродуктов. М., «Недра», 1972, 193 с.).
Недостатком способа является длительность разогрева нефтепродукта перед сливом, обуславливающая непроизводительный простой вагонов и низкий оборот подвижного состава, а также потребность в больших затратах тепловой энергии для обеспечения слива.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ перевозки вязких нефтепродуктов (RU №2639095, B64D 88/00, 19.12.2017).
Способ включает налив нефтепродуктов цистерну в разогретом состоянии и принудительное охлаждение нижней половины котла цистерны для перевода жидкого нефтепродукта в стратифицированное состояние, при котором его плотность в нижней части котла цистерны превышает плотность в верхней половине котла цистерны на 3-5%.
Недостатками способа являются:
- необходимость использования на наливной площадке источников технической воды и сбросной канализации, эксплуатируемых в течение продолжительного времени, работа которых требует больших расходов воды;
- по установленным нормативам, цистерну заполняют с недоливом, оставляя в верхней части котла свободное пространство, из-за чего налитый жидкий нефтепродукт имеет свободную поверхность. Во время движения цистерны, при ускорениях и колебаниях на этой поверхности образуются волны, перемещающиеся вдоль котла цистерны. Волны снижают устойчивость движения цистерны и разрушают начальное стратифицированное состояние жидкого нефтепродукта, вызывая перемешивание его масс.
Известны железнодорожные цистерны для перевозки вязких нефтепродуктов, имеющие средства их разогрева, обеспечивающие восстановление текучести нефтепродукта перед выгрузкой (Морчиладзе И.Г. Железнодорожные цистерны: конструкции, техническое обслуживание и ремонт. М., «ИВС-Холдинг», 2006, - 512 с.).
Недостатками цистерн являются:
- большие затраты тепловой энергии на разогрев нефтепродукта для восстановления его текучести при проведении слива самотеком;
- низкий оборот вагонов-цистерн, обусловленный продолжительностью выгрузки нефтепродукта и очистки цистерн от его высоковязких остатков, также проводимых с разогревом и пропаркой цистерны.
Также известны 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 цистерн-термосов являются сложность обеспечения всего комплекса требований, предъявляемых к цистернам нормативными документами и высокая себестоимость. В этих цистернах перевозят лишь затвердевающие наливные грузы, имеющие малые общие объемы перевозок.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является железнодорожная цистерна, для перевозки вязких нефтепродуктов (RU №2639095, B64D 88/00, 19.12.2017).
Цистерна включает горизонтально установленный на транспортных тележках цилиндрический котел, имеющий верхний наливной люк и нижний сливной патрубок, снабженный верхним управлением, осуществляемым с помощью штанги, вороток которой помещен в верхнем наливном люке, а также парообогревательный кожух, снабженный штуцерами для подачи пара и слива конденсата, укрепленный на нижней половине котла и покрывающий всю нижнюю половину, а верхняя половина котла, над парообогревательным кожухом, покрыта слоем теплоизолирующего материала толщиной не менее 10 см.
Недостатком цистерны является то, что сливной патрубок крепится непосредственно к нижнему листу котла цистерны, с установкой резинового уплотнительного кольца. Обычно для уплотнительного кольца применяют маслобезиностойкую резину марки 7-В-14-1 группы 1, изготовленную согласно ТУ 2500-295-00152106-93 из нитрильных каучуков. Изделия из резины эксплуатируются в интервале температур от минус 60°С до плюс 100°С.
При перевозках в цистерне нефтепродукта с более высокими температурами уплотнительное кольцо теряет свои эксплуатационные характеристики, что вызывает течь нефтепродукта из котла цистерны.
По нормативным документам (Правила перевозок железнодорожным транспортом грузов наливом в вагонах-цистернах и вагонах бункерного типа для перевозки нефтебитума (утв. приказом МПС РФ от 18 июня 2003 г. №25) пункт 3.7), не допускается наливать имеющий температуру выше 100°С груз в цистерны, оборудованные универсальным нижним сливным прибором.
Однако на выходе из перегонного аппарата на нефтеперерабатывающем заводе вязкие нефтепродукты, такие как мазуты и крекинг-остатки, имеют температуру, близкую к плюс 280°С (Баннов П.Г. Процессы переработки нефти т. II, М., ЦНИИТЭнефтехим, 2001, - 415 с.). Поэтому, перед наливом в цистерну вязкие нефтепродукты предварительно охлаждают до температуры, не превышающей плюс 100°С.
Для охлаждения больших количеств нефтепродуктов используют специальные сооружения и оборудование, привлекают значительное количество обслуживающего персонала (Коваленко В.П., Турчанинов В.Е. Обеспечение температурного режима нефтепродуктов при их транспортировании и хранении: Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. НТИС.М., «ВНИИО-ЭНГ», 1989, №6, 83 с).
Недостатком цистерны является и то, что парообогревательный кожух, укрепленный с помощью сварки на наружной стороне нижней половины ее котла, обеспечивает разогрев доставленного нефтепродукта перед сливом, но не препятствует, а скорее способствует его охлаждению еще на стадии транспортирования.
Воздушный зазор между обечайкой котла цистерны и парообогревательным кожухом создает конструктивно не предусмотренную тепловую изоляцию нижней половины котла цистерны. Наличие этой тепловой изоляции ведет к тому, что теплопередача от горячего нефтепродукта в окружающее пространство на нижней половине котла цистерны оказывается существенно меньшей, чем на верхней его половине. Горячий жидкий нефтепродукт в верхней половине заполненного котла цистерны имеет контакт с его стенками, непосредственно обтекаемыми снаружи потоком холодного воздуха, и охлаждается быстрее, чем в нижней половине котла цистерны.
Понижение температуры нефтепродукта сопровождается ростом его плотности в верхней половине котла цистерны, что ведет к возникновению в жидком нефтепродукте естественной конвекции.
Конвекционные токи охлаждающегося жидкого нефтепродукта, возникающие на внутренних поверхностях стенок котла цистерны, смешиваются с горячими массами нефтепродукта внутри котла цистерны и вызывают их охлаждение. Конвективный теплоперенос в горячем жидком нефтепродукте, особенно интенсивный в первые часы после его налива в цистерну, вызывает быстрое охлаждение всей его массы, и это охлаждение сопровождается ростом вязкости нефтепродукта во всем объеме котла цистерны.
Задачей изобретений является сокращение времени выгрузки нефтепродукта из цистерны, сопровождаемое снижением затрат тепловой энергии на его разогрев перед выгрузкой, что ведет к повышению производительности труда на организацию перевозок вязких нефтепродуктов в зимнее время года.
Технический результат достигается тем, что в способе перевозки вязких нефтепродуктов, включающем их налив в цистерну в разогретом состоянии, охлаждение нефтепродукта в нижней части котла цистерны, его транспортирование и выгрузку, охлаждение нефтепродукта в нижней части котла цистерны осуществляют до тех пор, пока его плотность в нижней части котла цистерны станет больше плотности нефтепродукта в верхней части котла цистерны на 17%. При этом налив нефтепродуктов в котел цистерны производят в разогретом состоянии при температуре, превышающей плюс 250°С.
Технический результат достигается тем, что железнодорожная цистерна для перевозки вязких нефтепродуктов, включающая горизонтально установленный на транспортных тележках цилиндрический котел с верхним наливным люком, нижним сливным патрубком и прикрепленную к корпусу котла штангу, имеющую вороток, размещенный в верхнем наливном люке, а также парообогревательный кожух снабженный штуцерами для подачи пара и слива конденсата, жестко фиксированный на наружной поверхности нижней половины котла цистерны, верхняя ее половина, над парообогревательным кожухом, покрыта слоем теплоизолирующего материала, внутри парообогревательный кожух содержит неподвижную зигзагообразную по форме перегородку, отделяющую стенку котла цистерны от наружной стенки паро-обогревательного кожуха, а внутри котла цистерны имеются две жестко прикрепленные к верхним листам его днища емкости, на которых смонтированы с возможностью перемещения форсунки для капельного распыла воды в верхние слои нефтепродукта в заполненной цистерне, а на нижнем листе обечайки котла цистерны, под наливным люком, жестко прикреплена переходная труба, свободный конец которой имеет фланец, имеющий соединение с нижним сливным патрубком, причем на штанге, соединенной нижним концом с седлом клапана сливного патрубка, прикреплена крышка с отверстием, закрывающая переходную трубу, а к нижней стороне крышки прикреплен герметично изолированный сосуд, заполненный теплопоглощающим материалом.
На фиг. 1 изображено продольное сечение котла цистерны, заполненного нефтепродуктом. На фиг. 2 изображено продольное сечение средней части котла цистерны с верхним наливным люком и нижним сливным патрубком.
Железнодорожная цистерна для перевозки вязких нефтепродуктов содержит горизонтально установленный на транспортных тележках цилиндрический котел 1 с верхним наливным люком 2 и нижним сливным патрубком 3. Жидкий нефтепродукт 4 заливают в котел 1 цистерны в горячем виде через верхний наливной люк 2 и выгружают через нижний сливной патрубок 3.
Согласно правилам железнодорожных перевозок наливных грузов в вагонах цистернах заполнение котла 1 цистерны жидким нефтепродуктом 4 производят с некоторым недоливом. При этом над свободной поверхностью жидкого нефтепродукта 4 всегда остается пространство 5, играющее роль ресиверного объема, предотвращающего возникновение напряжений в стенках котла 1 цистерны при изменениях температуры нефтепродукта 4.
На нижней половине котла 1 цистерны жестко зафиксирован парообогревательный кожух 6, покрывающий всю нижнюю половину котла 1 цистерны. Парообогревательный кожух 6 образуют с одной стороны стенка котла 1 цистерны, а с другой - наружная стенка 7, выполненная из стального листа, жестко фиксированного на стенке котла 1 цистерны с образованием воздушного зазора, толщиной около четырех сантиметров.
Внутри пароподогревательного кожуха 6 жестко установлена тонкая перегородка 8 зигзагообразной формы, выполненная из оцинкованного железа. Перегородка 8 разделяет объем парообогревательного кожуха 6 на две группы камер 9 и 10. В поперечном сечении каждая камера 9 и 10 имеет форму треугольника с тупым углом при вершине. Боковые стенки камер 9 и 10 создает перегородка 8. Третью стенку у камер 9 образует стенка котла 1 цистерны, а у камер 10 ее образует наружная стенка 7 парообогревательного кожуха 6. Камеры 9 и 10 сообщаются между собой узкими каналами в самой верхней и самой нижней частях парообогревательного кожуха 6, проходящими горизонтально вдоль оси котла 1 цистерны.
В заявляемом способе парообогревательный кожух 6 используется и при наливе в котел 1 цистерны нефтепродукта 4, и при его выгрузке из котла.
При наливе горячего нефтепродукта 4 парообогревательный кожух 6 применяют для охлаждения нижней половины котла 1, частично наполняя объем кожуха 6 водой, а при выгрузке - для восстановления текучести доставленного нефтепродукта 4, пропуская через кожух 6 пар.
Подачу пара или воды в парообогревательный кожух 6 осуществляют через наружный входной штуцер 11, а слив воды или конденсата производят через выходной штуцер 12.
К нижнему листу обечайки котла 1 цистерны крепится сваркой короткая переходная труба 13, имеющая на нижнем своем торце фланец 14. К фланцу 14 болтовыми соединениями крепится нижний сливной патрубок 3.
Сливной патрубок 3 закрывается при заполнении котла 1 цистерны нефтепродуктом 4 и открывается при его выгрузке. Эти операции обеспечиваются при помощи штанги 15, соединенной с воротком 16, который в нерабочем положении помещается в верхнем наливном люке 2 котла 1 цистерны. К штанге 15 непосредственно над входом в переходную трубу 13 жестко крепится крышка 17, имеющая отверстие 18, а под крышкой 17 - герметично изолированный сосуд 19, заполненный теплопоглощающим материалом (ТПМ). К самому концу штанги 15 крепится седло клапана 20, перекрывающее в закрытом положении выходное отверстие нижнего сливного патрубка 3. На нижней стороне седла клапана 20 укреплено резиновое уплотнительное кольцо 21, обеспечивающее герметичность закрытого нижнего сливного патрубка 3.
В закрытом положении нижнего сливного патрубка 3 сосуд 19, заполненный теплопоглощающим материалом (ТПМ), находится внутри переходной трубы 13 под крышкой 17. При наливе горячего нефтепродукта 4 в котел 1 цистерны происходит заполнение им переходной трубы 13, имеющей малый объем. Заполнение происходит за счет медленного стекания горячего нефтепродукта 4 через отверстие 18 в крышке 17. Отверстие 18 расположено непосредственно над сосудом 19, и струя горячего нефтепродукта 4, заполняющего переходную трубу 13 стекает по поверхности сосуда 19. При этом нефтепродукт 4, имеющий начальную температуру, превышающую плюс 250°С, вызывает плавление ТПМ в сосуде 19 и охлаждается сам до температуры ниже плюс 100°С.
3
2
2
2
3
2
2
4
2
В качестве теплопоглощающего материала (ТПМ), заполняющего сосуд 19, могут быть использованы кристаллогидраты солей с высокой удельной теплотой, но сравнительно низкой температурой фазовых превращений. Фазовым превращением у кристаллогидратов солей является обратимая реакция разложения на соль и воду. Примерами таких кристаллогидратов являются: уксуснокислый натрий трехводный CHCOONa⋅3НО, гипосульфит натрия пятиводный NaSO⋅5HO и сернокислый натрий десятиводный, NaSO⋅10HO. Удельная теплота и температура фазовых переходов названных ТПМ представлены в таблице 1.
В данной компоновке нижней части котла 1 цистерны уплотнительное кольцо 21 будет находиться при температуре, разрешаемой правилами эксплуатации изделий из маслобензиностойкой резины 7-В-14-1. Уплотнительное кольцо 21 изолируется от массы горячего нефтепродукта 4 в котле 1 цистерны и крышкой 17 и достаточно толстым слоем охлажденного нефтепродукта 4, равным длине переходной трубы 13.
тр
н.п
тр.
н.п
2
При внешнем обтекании переходной трубы 13 потоком холодного наружного воздуха, длине переходной трубы 13 равной l=0,15 м и низкой теплопроводности нефтепродуктов λ ≈ 0,12 Вт/м°С, слой охлажденного нефтепродукта в переходной трубе 13 не будет разогреваться сам, и вместе с тем, создаст значительное термическое сопротивление l/λ=1,25 м⋅°С/Вт потоку теплоты от горячего нефтепродукта 4, находящегося в котле 1 цистерны к резиновому уплотнительному кольцу 21, препятствуя его нагреванию.
К верхним листам днищ котла 1 цистерны, внутри котла 1 цистерны жестко крепятся емкости 22, на которых укреплены с возможностью перемещения в вертикальном направлении форсунки 23. Форсунки 23 устанавливаются так, чтобы при заполнении горячим жидким нефтепродуктом 4 объема котла 1 цистерны, они оказывались погруженными в жидкий нефтепродукт 4 у его свободной поверхности. Для этого форсунки 23, например, шарнирно крепятся на штанге, опирающейся на поплавок 24, плавающий на свободной поверхности жидкого нефтепродукта 4.
При сливе нефтепродукта 4 из котла 1 цистерны крышка 17, сосуд 19 с ТПМ и седло клапана 20 поднимаются вверх на штанге 15, освобождая и переходную трубу 13 и нижний сливной патрубок 3. Подъем крышки 17 и сосуда 19 обеспечивается вращением воротка 16.
Часть жидкого нефтепродукта 4 при перевозке согласно заявляемому способу переходит при охлаждении за время транспортирования в высоковязкое состояние. При этом на внутренней поверхности стенок котла 1 цистерны образуется застывший высоковязкий слой 25, который играет роль «внутренней теплоизолирующей оболочки» котла 1 цистерны.
Малая часть жидкого нефтепродукта 4 по заявляемому способу на конечном этапе его налива в котел 1 цистерны самопроизвольно переходит в состояние дисперсоида, т.е. коллоидной среды, в которой воздух равномерно распределен в виде мелких пузырьков.
Если жидким нефтепродуктом 4, заполняющим котел 1 цистерны, является мазут, то в состоянии мазутного дисперсоида будет слой 26, который частично или полностью заполняет пространство 5 над свободной поверхностью жидкого нефтепродукта 4. Вязкоупругие свойства слоя 26 дисперсоида обеспечивают гашение волн на свободной поверхности жидкого нефтепродукта, которые образуются при рывках, ускорениях и колебаниях движущейся цистерны, ухудшая устойчивость ее движения.
На наружную поверхность стенок котла 1 цистерны, над парообогревательным кожухом 6, наносится слой 27 тепловой изоляции. Толщина слоя задается, исходя из следующих соображений:
2
Удельный тепловой поток q, Вт/м, от горячего нефтепродукта 4 в окружающее пространство определяется равенством (Михеев М.А., Михеева М.М. Основы теплопередачи М., «Энергия», 1977, 344 с.):
из
из
н.п
возд
где λ - коэффициент теплопроводности теплоизолирующего материала, Вт/м°С; δ - толщина слоя 27 тепловой изоляции, м; t  и t - температуры нефтепродукта 4 и окружающей среды, °С, соответственно.
возд
возд
возд
2
Воздушный зазор между стенкой котла 1 цистерны и наружной стенкой 7 парообогревательного кожуха 6 создает максимальное термическое сопротивление δ/λ=0,93(м⋅°С)/Вт при сухом воздухе, у которого коэффициент теплопроводности λ=0,043 Вт/м°С.
из
из
из
возд
возд
2
Толщина слоя δ тепловой изоляции 27 должна быть такой, чтобы создаваемое им термическое сопротивление тепловому потоку от горячего нефтепродукта 4 в окружающее пространство превосходило термическое сопротивление слоя воздуха в парообогревательном кожухе 6 не менее чем в два раза δ/λ ≥ 2⋅δ/λ=1,8 м⋅°С/Вт. В таблице 2 указана необходимая толщина слоя 27 для трех различных теплоизолирующих материалов. Среди них выделяется пенополиуретан, имеющий низкую себестоимость и малую теплопроводность. Он может длительно, в течение нескольких лет, эксплуатироваться при температурах до плюс 200°С, а кратковременно - и при более высоких температурах.
Слой 27 тепловой изоляции из пенополиуретана наносится напылением на верхнюю половину котла 1 цистерны. Напыление производится в условиях депо в течение двух - трех часов. При необходимости слой 27 тепловой изоляции или отдельные его участки удаляются механически, т.е. скребком.
Для увеличения продолжительности эксплуатации слоя 27 тепловой изоляции из пенополиуретана на верхнюю половину котла 1 цистерны первым слоем наносится термостойкая эмаль, например, «Цельсит-600», изготовляемая на основе кремнийорганической смолы ТУ 2312-026-98310821-2009.
эм
дисп
Эмаль имеет большую адгезию к черным металлам, устойчива к воздействию нефтепродуктов, ее теплопроводность велика λ=0,4 Вт/м°С, но при значительной вязкости эмаль легко превращается в состояние затвердевшего дисперсоида. Дисперсоид получается при прокачке через эмаль воздуха или при интенсивном ее перемешивании. Получающаяся коллоидная среда наносится на верхнюю половину котла 1 цистерны и подвергается просушке до полного своего затвердевания. Теплопроводность дисперсоида, в котором на долю воздушных пузырьков приходится около 50% объема эмали, более чем в три раза меньше ее начальной теплопроводности и составляет λ=0,12 Вт/м°С, (Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. М., «Химия», 1983, 264 с.).
дисп
дисп
дисп
-2
2
Слой эмали, затвердевшей в виде дисперсоида толщиной δ=2 мм, создает термическое сопротивление δ/λ=1,5⋅10 м⋅°С/Вт, при котором поверхность верхней половины котла 1 цистерны, заполненной вязким нефтепродуктом 4, с температурой плюс 250°С не превышает плюс 160°С.
Слой термостойкой эмали, переведенной в состояние затвердевшего дисперсоида, рассматривается как подложка для слоя 27 тепловой изоляции из пенополиуретана. Подложка защищает пенополиуретан от нежелательного воздействия высокой температуры поверхности котла 1 цистерны.
Перевозку вязких нефтепродуктов согласно заявляемому способу в предлагаемой железнодорожной цистерне осуществляют следующим образом.
Перед заполнением котла 1 цистерны горячим жидким нефтепродуктом 4 парообогревательный кожух 6 и емкости 22 заполняют водой. Налив воды производят через входной штуцер 11, при закрытом выходном штуцере 12.
В парообогревательный кожух 6 заливают около 700 кг воды, а в емкости 19 - приблизительно по 50 кг в каждую. В таком количестве вода занимает около 25% объема пароподогревательного кожуха 6, а емкости 22 заполняются водой на 85% своего объема.
Горячий нефтепродукт 4 наливается в котел 1 цистерны при температуре выхода из перегонного аппарата на нефтеперерабатывающем предприятии, превышающей плюс 250°С, минуя стадию предварительного охлаждения.
Налив осуществляется с использованием телескопической наливной трубы заводимой в котел 1 цистерны через верхний наливной люк 2 и включает три этапа. В начале и конце налива подача нефтепродукта 4 минимальна, а в середине налива максимальна.
Горячий нефтепродукт 4 заполняет переходную трубу 13 и охлаждается в ней, расходуя содержащуюся в нем теплоту на плавление ТПМ, находящемся в сосуде 19. При малом объеме переходной трубы 13, не превосходящем пятнадцати литров, нефтепродукт, заполняющий ее, охлаждается до температуры, не превышающей плюс 60°С, что обеспечивает условия нормальной эксплуатации резинового уплотнительного кольца 21.
Налив нефтепродукта 4 с температурой, превышающей плюс 250°С, в котел 1 цистерны на первом этапе с малой его подачей вызывает кипение воды на стенке камеры 9 в парообогревающем кожухе 6 и заполнение всего объема камер 9 и 10 парообогревающего кожуха 6 паром.
Образующийся в камерах 9 водяной пар вызывает нагревание до положительных температур корпуса котла 1 цистерны, что блокирует появление термических напряжений в сварных швах котла 1. Эти напряжения могут возникнуть во время налива в котел 1 цистерны горячего нефтепродукта при температурах окружающей среды ниже минус 40°С.
По мере заполнения котла 1 цистерны горячим нефтепродуктом 4 с температурой, превышающей плюс 250°С, в камерах 9 и 10 парообогревательного кожуха 6 возникают процессы, аналогичные происходящим в термосифоне (П.Д. Дан, Д.А. Рей Тепловые трубы М., «Энергия», 1979, с. 10-11).
На горячих наружных стенках камер 9 вода закипает и превращается в пар, а на холодных наружных стенках камер 10 этот пар конденсируется в воду, которая стекает к нижней части парообогревательного кожуха 6, где попадает в камеры 9 и вторично закипает, превращаясь в пар. Превращение жидкой воды в пар сопровождается поглощением скрытой теплоты парообразования, превращение пара в воду сопровождается ее выделением. Непрерывное перетекание пара из камер 9 в камеры 10 обуславливается устанавливающейся разностью его парциальных давлений в этих камерах.
Скрытая теплота парообразования воды, в зависимости от температуры, лежит в интервале от r=1715 кДж/кг до r=2256 кДж/кг, т.е. является очень большой величиной. Поэтому рассмотренный непрерывный процесс теплопереноса обеспечивает мощный отвод теплоты от горячего нефтепродукта 4 в окружающее пространство. Этот процесс происходит в нижней части котла 1 цистерны.
Компьютерные расчеты показали, что в течение 30-40 минут средняя температура нефтепродукта в нижней части котла 1 цистерны опускается до плюс 80°С - 100°С. Эти значения отвечают условием прекращения закипания воды в камерах 9 парообогревательного кожуха 6 и наличию внешнего охлаждения кожуха 6 за счет теплопередачи в окружающее пространство.
Температуры нефтепродукта 4, близкие к плюс 100°С, соответствуют существующим условиям эксплуатации цистерн для вязких нефтепродуктов, находящихся в настоящее время в эксплуатации.
При продолжении налива горячего нефтепродукта 4 с температурой, превышающей плюс 250°С, уровень его поверхности поднимается над паро-обогревательным кожухом 6, где рассмотренный механизм охлаждения отсутствует, а отвод теплоты в окружающее пространство затруднен слоем 27 тепловой изоляции. В результате, к концу налива в верхней части котла 1 цистерны температура горячего нефтепродукта 4 будет на 100-150°С выше, чем в нижней части котла 1 цистерны.
а
-4
Для всех нефтепродуктов характерно быстрое уменьшение плотности, происходящее с ростом их температуры. В частности коэффициент объемного теплового расширения мазутов и масел составляет =9⋅10 1/град и при рассмотренных условиях заполнения котла 1 цистерны горячий жидкий нефтепродукт 4 оказывается переведенным в устойчивое «стратифицированное» состояние, при котором его плотность в верхней части котла 1 цистерны оказывается много меньшей, чем в нижней его части.
Отношение плотности нефтепродукта 4 в верхней части котла 1 цистерны к плотности в нижней его равно:
а
-4
3
1
1
2
где =9⋅10/град - коэффициент объемного теплового расширения нефтепродукта 4; ρ - плотность, кг/м, нефтепродукта 4 в нижней части котла 1 цистерны, при температуре t, близкой к плюс 80°С; ρ - плотность нефтепродукта 4 в верхней части котла 1 цистерны при температуре превышающей плюс 250°С.
Относительное изменение плотности нефтепродукта 4 внутри котла 1 цистерны составляет величину, приблизительно равную 17%:
Такое большое различие плотности жидкого нефтепродукта 4 показывает, что его стратифицированное состояние окажется устойчивым. В этом состоянии естественная конвекция в горячем жидком нефтепродукте 4 сходит на нет. Естественная конвекция является основной причиной быстрого охлаждения нефтепродуктов при их железнодорожных перевозках и ее подавление резко снижает темп их охлаждения.
В самом конце налива уровень жидкого горячего нефтепродукта 4 в котле 1 цистерны достигает емкостей 22, заполненных водой. Внутри емкостей 22 возникает кипение воды, сопровождающееся увеличением давления пара. Этот рост давления вызывает ее выброс через шнековые форсунки 23 в массу нефтепродукта 4 в верхней части котла 1 цистерны. Задаваемый диаметр сопла форсунок 23 обеспечивает образование водных капель диаметром, близким к 0,5 мм.
При высокой температуре нефтепродукта 4, превышающей плюс 250°С, вода в выбрасываемых каплях, попавших в нефтепродукт, испаряется.
При этом в верхних слоях нефтепродукта 4 образуются многочисленные полости диаметром, близким к 5 мм, заполненные паром, объем которых почти в тысячу раз превосходит объем капель воды. В результате верхняя часть нефтепродукта 4 в слое 26 некоторой толщины переходит в состояние дисперсоида с низкой теплопроводностью. Слой нефтепродукта 26 в состоянии дисперсоида частично или полностью заполняет свободное пространство 5, остающееся внутри котла 1 цистерны.
По окончании налива жидкого нефтепродукта 4 в котел 1 цистерны вода из парообогревательного кожуха 6 в количестве около 700 кг сливается в промежуточную емкость, расположенную на территории нефтеналивной площадки. Имея сравнительно высокую температуру, она может вторично использоваться при подаче под налив очередной цистерны.
Вязкоупругие свойства нефтепродукта в состоянии дисперсоида, образующего слой 26, позволят использовать его для гашения волн на свободной поверхности жидкого нефтепродукта 4, образующихся при рывках и колебаниях движущейся цистерны. Низкая теплопроводность нефтепродукта в состоянии дисперсоида позволяет долго сохранять высокую температуру верхних слоев жидкого нефтепродукта 4 в котле 1 цистерны на уровне выше плюс 200°С и поддерживать стратифицированное состояние всей его массы, заполняющей котел 1 цистерны.
В стратифицированном состоянии горячего жидкого нефтепродукта 4 внутри котла 1 цистерны происходит не только уменьшение скорости его охлаждения при перевозках, но изменяется сама картина застывания с переходом в высоковязкое состояние. Этот переход происходит не во всей массе жидкого нефтепродукта 4, заполняющей котел 1 цистерны, а лишь в тонком слое 25, прилегающем к внутренним стенкам котла 1 цистерны. Результаты компьютерных расчетов показали, что толщина высоковязкого слоя 25 застывшей фракции нефтепродукта 4 не превосходит шести сантиметров, а его масса оказывается около пяти - шести тонн.
Основная часть жидкого нефтепродукта 4 в котле 1 цистерны, общей массой свыше шестидесяти тонн, сохранит высокую температуру и текучесть, достаточную для слива самотеком, по истечении не менее десяти суток транспортирования при температуре окружающей среды минус 20°С.
н
п
При низкой теплопроводности нефтепродукта λ.. ≈ 0,12 Вт/м°С, высоковязкий слой 25 застывшей фракции нефтепродукта 4 уже сам становится дополнительной «внутренней теплоизолирующей оболочкой» котла 1 цистерны.
При выгрузке доставленного нефтепродукта встает задача размывания лишь высоковязкого слоя 25 застывшей фракции нефтепродукта 4. Слой 25 легко размывается при подаче пара в парообогревательный кожух 6 по стандартной технологии выгрузки вязких нефтепродуктов. При этом конструкция парообогревательного кожуха 6, имеющего внутреннюю перегородку 8 в предлагаемой цистерне позволяет существенно повысить коэффициент теплоиспользования пара. Пар подается в камеры 9 парообогревательного кожуха 6, имеющие тепловой контакт со стенкой котла 1 цистерны, а не с наружной стенкой 7 парообогревательного кожуха 6 где теплота его конденсации безвозвратно теряется в окружающем пространстве. Образующийся в камерах 10 конденсат скапливается в нижней части паробоогревательного кожуха 6 и перекрывает перетекание излишков пара из камер 9 в камеры 10. Слив конденсата, осуществляемый через выходной штуцер 12, позволяет регулировать распределение пара между камерами 9 и 10.
В итоге выгрузка доставленного вязкого нефтепродукта может быть проведена за меньшее время и при меньших затратах тепловой энергии. При этом сам нефтепродукт будет иметь высокую среднюю температуру и текучесть и может передаваться в хранилища по наземным коммуникациям в том числе, если они выполнены по временным технологическим схемам.
Решение задачи по сокращению времени выгрузки вязких нефтепродуктов и затрат тепловой энергии на ее проведение, ведет к повышению производительности труда на организацию перевозок вязких нефтепродуктов.