ЦИСТЕРНА ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ МАСЕЛ, МАЗУТОВ И ДРУГИХ ВЯЗКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
CISTERN FOR TRANSPORTING OILS, OIL RESIDUE AND OTHER VISCOUS OIL PRODUCTS UNDER LOW TEMPERATURES

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к средствам перевозки вязких при охлаждении нефтепродуктов. Изобретение обеспечивает сохранение высокой температуры и текучести перевозимого нефтепродукта, сокращает время его выгрузки и снижает затраты тепловой энергии на выгрузку и очистку котла. К вязким нефтепродуктам относятся мазуты, моторные и трансмиссионные масла и др.
Известны железнодорожные цистерны для перевозки нефтепродуктов с техническими решениями по улавливанию паров бензинов и по устройству слива нефтепродуктов. (Матвеев Ю.А. и др. Патент на полезную модель №137527 от 20.02.2014 г., Матвеев Ю.А. и др. Патент на полезную модель №92637 от 27.03.2010 г.).
Недостатками указанных полезных моделей являются отсутствие тепловых устройств нагрева вязких нефтепродуктов как внутри, так и снаружи цистерны.
Известны цистерны для вязких нефтепродуктов, содержащие 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 трудозатраты и затраты тепловой энергии на разогрев нефтепродукта для восстановления его текучести при выгрузке, проводимой, как слив самотеком;
- необходимость для организации выгрузки нефтепродуктов сливных площадок, включающих сложные инженерно-строительные сооружения, оборудованные дорогостоящей техникой;
Также известна железнодорожная вагон-цистерна, модель 15-1566, которую применяют для перевозки вязких нефтепродуктов (Губенко В.К., Никодимов А.П., Жилин Г.К. Цистерны (устройство, эксплуатация, ремонт). М.; Транспорт, 1990 г., 151 с).
Цистерна включает горизонтально установленный на транспортных тележках цилиндрический котел, имеющий верхний наливной люк, нижний сливной прибор с 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.
Недостатком цистерны является то, что сливной прибор крепится непосредственно к нижнему листу котла вагона-цистерны, с использованием резиновых уплотняющих элементов, которые нагреваются при наливе в цистерну горячего нефтепродукта и со временем теряют свои эксплуатационные характеристики. По требованиям, предъявляемым к резинотехническим изделиям, их температура не должна превышать плюс 125°С, тогда как на выходе из перегонного аппарата на нефтеперерабатывающем заводе мазуты и масла имеют температуру, превышающую плюс 300°С (Баннов П.Г. Процессы переработки нефти т. 11, М, ЦНИИТЭнефтехим, 2001, - 415 с.). По этой причине вязкие нефтепродукты перед наливом в вагон-цистерну предварительно охлаждают до температуры ниже чем плюс 100°С.
Кроме того, парообогревательный кожух, укрепленный на нижней половине котла вагона-цистерны модели 15-1566, обеспечивает разогрев доставленного нефтепродукта перед его сливом, но не препятствует охлаждению всей его массы на стадии транспортирования.
Также известен вагон-цистерна с системой обогрева (Шпак С.А. и др. Патент на изобретение №2697492 от 14.08.2019 г.).
Вагон-цистерна включает котел, оборудованный системой обогрева в виде отдельно расположенных параллельно друг другу в его нижней части теплообменников, состоящих из трех секций - крайних и средней. Крайние секции теплообменников выполнены в виде наружной трубы, заглушенной с одной стороны и расположенной внутри нее трубы меньшего диаметра с центрирующими распорками. Средняя секция выполнена в виде обечайки из трубы диаметром равным диаметру наружной трубы, разделена перегородкой на две камеры Е и Ж. Камера Е закрыта соединенными с обечайкой перегородкой и стенками в виде секторов с выполненными в них отверстиями И. В обечайке камер Е и Ж выполнены отверстия К, которыми через каналы средняя секция соединена с коллекторами подвода и отвода теплоносителя. Теплообменники соединены неподвижно с котлом кронштейнами, расположенными в средней части, и подвижно в кронштейнах, соединенных с котлом неподвижно.
Учитывая, что длина крайних секций у теплообменника зависит от расположения горловины в котле и его диаметра длина средней секции определяется как разность между длиной теплообменника и длинами двух крайних секций. С целью обеспечения более полного удаления конденсата из верхней камеры Е перегородка установлена наклонно к горизонтальной плоскости.
При разогреве перевозимого продукта в котле теплоноситель подается через штуцер в коллектор, далее через канал в камеру Е средней секции и расходится через отверстия И и трубы меньшего диаметра в наружные трубы. Образующийся конденсат стекает в камеру Ж средней секции и через отверстие К в обечайке, канал, коллектор, штуцер попадает в предусмотренные приемники.
Решение указанной задачи достигается тем, что каждый теплообменник выполнен трехсекционным, крайние секции которых выполнены в виде заглушенной с одного конца наружной трубы с установленной в ней подвижно трубой меньшего диаметра, соединенные средней секцией, выполненной в виде обечайки, разделенной вдоль перегородкой на две камеры, одна из которых закрыта с двух сторон стенками с отверстиями и которые соединены с трубами меньшего диаметра с созданием общего пространства камеры и труб, в обечайке каждой камеры выполнены отверстия, через которые теплообменники каналами соединены с коллекторами подвода и отвода теплоносителя. При этом перегородка в камере средней секции установлена наклонно, а обечайка средней секции выполнена из двух частей с соединением их перегородкой и между собой.
Недостатками вагона-цистерны с системой обогрева являются:
1. Возможность порчи качества нефтепродуктов при попадании конденсата или воды внутрь цистерны с горюче-смазочными материалами.
2. Сложность и дороговизна предлагаемого технического решения.
Наиболее близкой по технической сущности к указанной проблеме является цистерна для перевозки вязких нефтепродуктов (Моисеев В.И., Комарова Т.А., Патент на изобретение №2666018 от 5.09.2018 г.).
Цистерна для перевозки вязких нефтепродуктов содержит горизонтально установленный на транспортных тележках цилиндрический котел, имеющий верхний наливной люк, нижний сливной прибор с верхним управлением. На нижней половине котла цистерны жестко зафиксирован парообогревательный кожух. Верхнее управление нижнего сливного прибора обеспечивается штангой, имеющей вороток, который в нерабочем положении помещается в верхнем наливном люке. Нижний сливной прибор монтируется на переходной трубе, жестко прикрепленной одним своим торцом к нижнему листу обечайки котла цистерны и имеющей на втором торце отверстие перекрываемое седлом клапана нижнего сливного прибора. На нижней стороне седла клапана укреплена резиновая уплотняющая манжета, обеспечивающая герметичность сливного прибора в закрытом положении. На штанге непосредственно над седлом клапана жестко укреплен герметично изолированный сосуд, заполненный теплопоглощающим материалом.
В закрытом положении сливного прибора сосуд, заполненный теплопоглощающим материалом, находится внутри переходной трубы. При наливе горячего нефтепродукта в котел цистерны происходит и заполнение им переходной трубы, имеющей малый объем. Парообогревательный кожух представляет собой камеру, которую образуют стенка котла и стальной лист, жестко фиксированный на ней с образованием воздушного зазора. Парообогревательный кожух имеет входной патрубок, обеспечивающий подачу пара в камеру кожуха, и выходной патрубок для слива образующегося конденсата.
Верхняя половина котла, над парообогревательным кожухом, покрыта слоем теплоизолирующего материала, например, жесткого пенополиуретана.
Горячий нефтепродукт наливают в котел цистерны при температуре выхода из перегонного аппарата на нефтеперерабатывающем предприятии. При этом, непосредственно перед его наливом, через парообогревательный кожух котла цистерны пропускают воду, получаемую из источника технической горячей воды и сливаемую после прохождения через парообогревательный кожух в сливную канализацию. Пропускание воды через парообогревательный кожух обеспечивается с использованием входного патрубка и выходного патрубка парообогревательного кожуха. Температурные напряжения сварных швов и металла котла могут возникнуть при наливе в котел нефтепродукта с высокой начальной температурой в условиях, когда температура окружающей среды оказывается ниже минус 30-40°С. Наливаемый нефтепродукт заполняет переходную трубу и охлаждается в ней, расходуя содержащуюся в нем теплоту на плавление или испарение теплопоглощающего материала, заполняющего сосуд. Продолжающееся пропускание воды, получаемой из источника технической воды, под парообогревательный кожух вызывает охлаждение жидкой фракции горячего нефтепродукта в нижней половине котла цистерны до температуры, лежащей в интервале от плюс 100°С до плюс 80°С.
Температура жидкого нефтепродукта в верхней половине котла цистерны сохраняется несколько выше плюс 200°С. Для сохранения ее высокой температуры наружная поверхность котла цистерны покрывается слоем теплоизолирующего материала.
При движении цистерны происходит охлаждении нефтепродукта, а в условиях отрицательных (минусовых) температур возможно застывание масел и мазутов с переходом в высоковязкое состояние.
Слой застывшей фракции легко размывается при подаче пара через входной патрубок, под парообогревательный кожух и сбросе конденсата через патрубок по стандартной технологии выгрузки вязких нефтепродуктов. Причем на размыв слоя застывшей фракции тратится меньшее время и расходуется меньшее количество теплоты по сравнению с наиболее близкими аналогами.
При разогреве и размыве слоя застывшей фракции, имеющего тепловой контакт с горячим нефтепродуктом, существенно снижается и площадь стенок котла цистерны, где остается возможным образование высоковязких остатков перевозимого нефтепродукта. Она ограничивается верхней, не обогреваемой при сливе, половиной котла.
Сливаемый нефтепродукт имеет высокую температуру и текучесть и может передаваться в хранилища по наземным коммуникациям.
Недостатками цистерны для перевозки вязких нефтепродуктов являются:
1. Отсутствие предварительного нагрева котла цистерны до положительных температур, что может привести к температурным напряжениям сварных швов и металла котла.
2. Отсутствие кранов для слива воды и конденсата.
Задачей изобретения является сокращение времени выгрузки нефтепродукта из цистерны, затрат тепловой энергии на его разогрев перед выгрузкой, а также повышение производительности труда на организацию перевозки и слива нефтепродуктов в зимнее время года.
Решение указанной задачи достигается тем, что внутри парообогревательного кожуха устанавливается П-образная паровая рубашка, состоящая из трех рядов труб диаметром 2-3 см, связанных между собой металлическими пластинами и размещенных параллельно друг другу вдоль сторон котла цистерны, при этом трубы жестко крепятся к держателям, которые привариваются к котлу, а также тем, что паровая рубашка оборудована задвижками, сливными кранами и установлена под углом 10 градусов, при этом паропроводы паровой рубашки оборудуются входящими и отводящими патрубками, а на конце паропровода выхода пара паровой рубашки устанавливается участок трубопровода с задвижкой, который соединяется с входным патрубком парообогревательного кожуха.
На фиг. 1 изображены продольное сечение и вид спереди котла цистерны, заполненной нефтепродуктом. На фиг. 2 изображено сечение средней части котла цистерны с верхним наливным люком и нижним сливным прибором. На фиг. 3, 4 изображены вид сверху и фронтальный вид паровой рубашки. На фиг. 5 изображен поперечный разрез цистерны с парообогревательным кожухом.
Цистерна для перевозки вязких нефтепродуктов содержит горизонтально установленный на транспортных тележках цилиндрический котел 1, имеющий верхний наливной люк 2, нижний сливной прибор 3 с верхним управлением. На нижней половине котла цистерны 1 жестко зафиксирован парообогревательный кожух 4. Верхнее управление нижнего сливного прибора 3 обеспечивается штангой 5, имеющей вороток 6, который в нерабочем положении помещается в верхнем наливном люке 2. Нижний сливной прибор 3 монтируется на переходной трубе 7, жестко прикрепленной одним своим торцом к нижнему листу обечайки котла цистерны 1 и имеющей на втором торце отверстие 8, перекрываемое седлом клапана 9 нижнего сливного прибора 3. На нижней стороне седла клапана 9 укреплена резиновая уплотняющая манжета 10, обеспечивающая герметичность сливного прибора 3 в закрытом положении.
На штанге 5 непосредственно над седлом клапана 9 жестко укреплен герметично изолированный сосуд 11, заполненный теплопоглощающим материалом.
В качестве теплопоглощающего материала могут быть использованы, например, кристаллогидраты солей, а если штанга 5 изготовлена в виде пустотелой трубы, то и вода. Все эти вещества имеют сравнительно низкую температуру и высокую удельную теплоту фазовых превращений.
В закрытом положении сливного прибора 3 сосуд 11, заполненный теплопоглощающим материалом находится внутри переходной трубы 7. При наливе горячего нефтепродукта в котел 1 цистерны происходит и заполнение им переходной трубы 7, имеющей малый объем. Когда горячий нефтепродукт имеет температуру выше 200°С, кристаллогидраты, заполняющие сосуд 11, плавятся, а вода закипает. В последнем случае образующийся водяной пар через пустотелую штангу 5 сбрасывается в окружающее пространство.
Парообогревательный кожух 4 представляет собой камеру, которую образуют стенка котла 1 и стальной лист, жестко фиксированный на ней с образованием воздушного зазора толщиной пять сантиметров. Парообогревательный кожух 4 имеет входной патрубок 12, обеспечивающий подачу пара в камеру кожуха, и выходной патрубок 13 для слива образующегося конденсата и воды.
Верхняя половина котла 1, над парообогревательным кожухом 4, покрыта слоем теплоизолирующего материала 14, например, жесткого пенополиуретана. На стадии перевозки большая часть нефтепродукта 15, находящегося в центральных областях котла 1 цистерны, имеет высокую температуру и текучесть, тогда как на внутренней поверхности стенок котла 1 и в переходной трубе 7 образуется слой застывшей фракции 16, которая имеет низкую температуру и находится в высоковязком состоянии. Наливная площадка, как любой промышленный объект, должна быть оборудована источником технической горячей воды 17 и сбросной канализацией 18.
Внутри парообогревательного кожуха устанавливается паровая рубашка 19, состоящая из трех рядов труб диаметром 2 см, размещенных параллельно друг другу вдоль котла цистерны. Трубы жестко крепятся к держателям 20, которые, в свою очередь, привариваются к котлу 1. Паровая рубашка выполнена в виде П-образной формы и устанавливается под углом 10 градусов для слива воды и конденсата. Паровая рубашка на входе и выходе пара оборудуется задвижками 21. Паропроводы рубашки 19 оборудуются входящими и отводящими патрубками 22, 23 (фланцами) для подсоединения рукавов. На конце выхода пара паровой рубашки 19 устанавливается участок паропровода 24 с задвижкой, который соединяется с входным патрубком 12 парообогревательного кожуха. Участок паропровода 24 расположен вне парообогревательного кожуха.
Паровая рубашка 19, входные и выходные патрубком 12,13 оснащаются кранами 25 для слива воды и конденсата. Трубы паровой рубашки между собой жестко соединяются вертикальными металлическими пластинами 26.
Перевозку вязких нефтепродуктов в заявляемой цистерне осуществляют следующим образом.
Горячий нефтепродукт наливают в котел 1 цистерны при температуре выхода из перегонного аппарата на нефтеперерабатывающем предприятии, минуя стадию предварительного охлаждения. При этом непосредственно перед его наливом, через парообогревательный кожух 4 котла 1 цистерны пропускают воду, получаемую из источника технической горячей воды 17 и сливаемую после прохождения через парообогревательный кожух 4 в сливную канализацию 18. Пропускание воды через парообогревательный кожух 4 обеспечивается с использованием участка трубопровода 24 с открытой соответствующей задвижкой 21, входного патрубка 12 и выходного патрубка 13 парообогревательного кожуха 4. Пропускание воды обеспечивает прогрев котла 1 цистерны до положительных температур, что блокирует появление термических напряжений в сварных швах и металле котла 1.
Эти напряжения могут возникнуть при наливе в котел 1 нефтепродукта с высокой начальной температурой в условиях, когда температура окружающей среды оказывается ниже минус 20-30°С.
Наливаемый нефтепродукт заполняет переходную трубу 7 и охлаждается в ней, расходуя содержащуюся в нем теплоту на плавление или испарение теплопоглощающего материала, заполняющего сосуд 11. При малом объеме переходной трубы 7, не превосходящем двадцати литров, нефтепродукт, заполняющий переходную трубу 7, охлаждается до температуры, не превышающей плюс 100°С, которая обеспечивает условия нормальной эксплуатации резиновой уплотняющей манжеты 10.
Продолжающееся пропускание воды, получаемой из источника технической воды 17, под парообогревательный кожух 4 вызывает охлаждение жидкой фракции горячего нефтепродукта 15 в нижней половине котла 1 цистерны до температуры, лежащей в интервале от плюс 100°С до плюс 80°С.
из
Температура жидкого нефтепродукта 15 в верхней половине котла 1 цистерны сохраняется несколько выше плюс 200°С. Для сохранения ее высокой температуры наружная поверхность котла 1 цистерны покрывается слоем теплоизолирующего материала 14, выполненного, например, из жесткого пенополиуретана, с низкой теплопроводностью λ=0,04 Вт/м°С. Теплоизолирующий слой 14 из пенополиуретана наносится напылением на верхнюю половину котла 1 цистерны.
При движении цистерны происходит охлаждении нефтепродукта, а в условиях отрицательных (минусовых) температур возможно застывание масел и мазутов с переходом в высоковязкое состояние. Этот переход происходит не во всей массе 15 жидкого нефтепродукта, заполняющей котел 1 цистерны, а лишь в тонком слое, прилегающем к стенкам котла 1.
Толщина слоя застывшей фракции 16 может достигать шести сантиметров, а его масса пяти тонн.
Слой застывшей фракции 16 размывается при подаче пара через паровую рубашку 19 парообогревательного кожуха 4. После прогрева котла цистерны пароводяная смесь по участку паропровода 24 через входной патрубок 12 подается в парообогревательный кожух 4 и сбрасывается в виде воды (конденсата) через патрубок 13 по стандартной технологии выгрузки вязких нефтепродуктов. Причем на размыв слоя застывшей фракции 16 тратится небольшое время и расходуется малое количество теплоты.
Изобретение работает следующим образом.
В зимнее время при отрицательных температурах железнодорожная цистерна с вязким нефтепродуктом прибывает на пункт разгрузки (нефтебазу). С помощью специальных рукавов подвижный или стационарный источник пара подсоединяется к входящему патрубку 22 паровой рубашки 19 цистерны. Пар поступает в трубы паровой рубашки 19 и выходит в виде пароводяной смеси через отводящий патрубок 23, к которому также подсоединяется рукав. При этом происходит прогрев камеры парообогревательного кожуха 4 и котла 1 железнодорожной цистерны с нефтепродуктом. После предварительного прогрева стенок котла 1 закрывается соответствующая задвижка 21 отводящего патрубка 23 паровой рубашки 19, затем происходит открытие задвижки 21 на участке трубопровода 24 и пароводяная смесь поступает через входной патрубок 12 в камеру парообогревательного кожуха 4. При этом пароводяная смесь выходит через выходной патрубок 13 в сливную канализацию 18.
Пропускание пара через паровую рубашку 19 обеспечивает первичный прогрев котла 1 цистерны до положительных температур, что препятствует появлению термических напряжений в сварных швах и металле котла при низких температурах окружающей среды. После этого происходит двухступенчатый нагрев нефтепродукта теплом от паровой рубашки и пароводяной смеси, проходящей через парообогревательный кожух 4.
При разогреве котла цистерны происходит размыв слоя застывшей фракции 16, имеющего тепловой контакт с горячим котлом 1 и существенно снижается площадь стенок котла 1 цистерны, где остается возможным образование высоковязких остатков перевозимого нефтепродукта. Также с помощью теплопередачи происходит общий нагрев нефтепродукта.
Сливаемый нефтепродукт 15 имеет высокую температуру и текучесть и может перекачиваться (сливаться) в резервуары и хранилища по наземным коммуникациям, в том числе, если они выполнены по временным технологическим схемам. После слива нефтепродукта оператор открывает сливные краны 25 паровой рубашки 19 и парообогревательного кожуха 4 для слива воды и конденсата.
Изобретение позволяет производить слив вязких нефтепродуктов в условиях низких температур в короткое время, без потери качества мазутов и масел, а также без образования термических напряжений в сварных швах и металле котла.