СПОСОБ ТРАНСПОРТА ЖИДКОСТЕЙ ПО ТРУБОПРОВОДУ
METHOD FOR PIPELINE TRASNPORTATION OF LIQUIDS

Предлагаемое техническое решение относится к трубопроводному транспорту для перекачивания жидкостей и может найти применение в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности, а также в экологии при транспортировке хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод и процессах, связанных с гидротранспортом ньютоновских и неньютоновских жидкостей, суспензий, эмульсий и растворов.
Известен транспортный обогреваемый трубопровод, в котором перекачиваемая жидкость нагревается электронагревательными элементами на входе в каждую секцию трубопровода до температуры на 8-15 градусов больше критической температуры пленочного кипения жидкости в трубопроводе для образования пленки пара на внутренней поверхности трубопровода (Патент РФ №2250870, B65G 53/52, 2003 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся большие затраты электроэнергии для нагревания стенок трубопровода на входе в каждую секцию и пристенного слоя перекачиваемой жидкости на 8-15 градусов больше критической температуры пленочного кипения жидкостей для образования пленки пара в пристенном слое трубопровода. Кроме того, этот способ требует применения теплоэлектронагревателей большой мощности и хорошей теплоизоляции наружных стенок трубопровода, что увеличивает стоимость перекачивания жидкости.
Известен способ транспортирования высоковязкой нефти путем создания периферийного кольцевого потока азота с температурой более 50°C и затем закачивания 5-10%-й эмульсии серного ангидрида с азотом с последующей обработкой полости труб активированной водой со значением pH 10-11,5 (Патент РФ №2028538, F17D 1/16, 1995 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся ограниченность применения этого способа высоковязкими нефтепродуктами с повышенным содержанием парафина, так как позволяет предупреждать его осаждение на стенках трубопровода, и высокое общее гидравлическое сопротивление из-за трения перекачиваемой жидкости по стенкам трубы.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ транспорта жидкостей по трубопроводу, включающий предварительное смешение с инертным газом и подогрев смеси, при этом смешивают жидкость с инертным газом до ее насыщения, соответствующего температуре и давлению жидкости на входе в трубопровод, а подогрев смеси осуществляют на участках трубопровода, расположенных за местными сопротивлениями, до температуры на 10-40 градусов выше температуры жидкости на каждом из этих участков трубопровода, обеспечивающей выделение инертного газа из жидкости с образованием газового пограничного слоя у стенки трубопровода (Патент РФ №2307975, F17D 1/15, 2009 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся повышенные энергозатраты, связанные с необходимостью подогрева смеси перекачиваемой жидкости с газом на участках трубопровода, расположенных за местными сопротивлениями.
Задачей предлагаемого технического решения является создание устойчивого пристенного кольцевого газового слоя за счет его расхода на входе, превышающего полную растворимость молекул газа в жидкости при рабочих температуре и давлении.
Техническим результатом предлагаемого способа транспорта жидкости по трубопроводу является уменьшение затрат энергии на перекачивание жидкости.
Поставленный технический результат достигается тем, что в способе транспорта жидкостей по трубопроводу, включающем смешение жидкости с инертным газом до ее насыщения, соответствующего температуре и давлению жидкости в трубопроводе с образованием газового пограничного слоя у стенки трубопровода, при этом жидкость предварительно разделяют на два потока: пограничный и основной, а газовый пограничный слой создают на входе в трубопровод в две стадии: на первой стадии его формируют с пограничным потоком жидкости с образованием газожидкостного пограничного слоя, при этом расходы и толщины пограничных слоев газа и жидкости соответственно равны, а на второй стадии газожидкостный пограничный слой соединяют с основным потоком жидкости так, что отношение расхода газа к расходу, соответствующему насыщению газом жидкости, составляет
н
где q и q - соответственно расход газа на входе в трубопровод и расход газа, соответствующий его насыщению в жидкости при температуре и давлении в трубопроводе.
Предварительное разделение жидкости на два потока: пограничный и основной предотвращает турбулизацию пограничного потока с образованием вихрей и заставляет его течь в ламинарном режиме, так как его толщина намного меньше диаметра трубопровода. Это уменьшает затраты энергии на перекачивание жидкости.
Создание газового пограничного слоя на входе в трубопровод в две стадии и его формирование на первой стадии с пограничным потоком жидкости с образованием газожидкостного пограничного слоя позволяет обеспечить течение и газового пограничного слоя, и пограничного потока жидкости в ламинарном режиме без вихрей и предотвращает перемешивание газа и жидкости в газожидкостном пограничном слое, то есть создать устойчивый пограничный слой газа у стенки трубопровода, что снижает затраты энергии на перекачивание жидкости.
Соединение ламинарного газожидкостного пограничного слоя на второй стадии с основным потоком жидкости позволяет предотвратить турбулизацию газового пограничного слоя, так как пограничный поток жидкости демпфирует турбулентность основного потока жидкости и не позволяет ему перемешиваться с газовым пограничным слоем, что, как сказано выше, уменьшает затраты энергии на перекачивание жидкости.
Превышение рабочего расхода газа q на входе в трубопровод по отношению к его расходу, соответствующему насыщению газом жидкости при растворении газа, позволяет сохранить газовый пограничный слой на всей длине трубопровода даже при растворении части этого слоя в жидкости за счет диффузии и в местных сопротивлениях, что снижает затраты энергии на перекачивание жидкости.
н
Уменьшение отношения расхода газа на входе в трубопровод к его расходу, соответствующему насыщению газом жидкости ниже заявленного предела q/q=1,1 приводит к разрыву сплошности пограничного газового слоя у стенки трубопровода после поглощения жидкостью газа и ее насыщения газом за счет диффузии и в местных сопротивлениях. Это увеличивает гидравлическое сопротивление и затраты на перекачивание жидкости.
н
Увеличение отношения расхода газа на входе в трубопровод к его расходу, соответствующему насыщению газом жидкости выше заявленного предела q/q=1,3 приводит к турбулизации потока жидкости, увеличению скорости диффузии молекул газа из пограничного газового слоя, смешению газа с жидкостью с образованием пены и разрыву сплошности пограничного газового слоя у стенки трубопровода, что увеличивает гидравлическое сопротивление и энергозатраты на перекачивание жидкости.
Таким образом, в предлагаемом способе транспорта жидкостей по трубопроводу отпадает необходимость в затратах на смешение газа с жидкостью до насыщения газом жидкости перед входом в трубопровод, а также в установке оборудования и его обслуживании на этой технологической операции. Кроме того, и главное отпадает необходимость в периодическом нагревании жидкости на 10-40°C за местными сопротивлениями с установкой специальных теплоэнергонагревателей и теплоизоляции на наружной стенке трубопровода, что значительно снижает энергозатраты на восстановление газового пограничного слоя за местными сопротивлениями и на само перекачивание жидкости по трубопроводу.
Схема трубопровода, работающего по предлагаемому способу перекачивания жидкостей, представлена на чертеже.
n
n
n
Он содержит трубу 1 с внутренним диаметром D, камеру газораспределения 2 и патрубок 3 с наружным диаметром d, установленный осесимметрично с трубой 1 и образующий кольцевой зазор толщиной δ на входе в трубу 1. Внутри патрубка 3 осесимметрично с ним и трубой 1 установлен дополнительный патрубок 4 диаметром d, образующий кольцевой зазор с патрубком 3 толщиной δ, при этом зазоры δ и δ равны. Камера газораспределения 2 соединена трубкой 5 с вентилятором или компрессором 6. На трубке 5 установлен вентиль 7 для регулирования расхода газа. Вентилятор (компрессор) 6 соединен с газгольдером 8 трубкой 9.
Трубопровод работает следующим образом.
H
Открывают вентиль 7 и из газгольдера 8 по трубке 9 с помощью вентилятора 6 по трубке 5 подают газ с расходом q, превышающим его расход q, который насыщает перекачиваемую жидкость газом, в 1,1÷1,3 раза, в камеру газораспределения 2. Газ с этим же расходом q из камеры газораспределения через кольцевой зазор δ между трубой 1 и патрубком 3 поступает внутрь трубы 1 и заполняет ее.
ж
n
o
n
n
o
Перекачиваемую жидкость с расходом g разделяют на два потока: пограничный с расходом q, равным расходу газа q, и основной с расходом q. Пограничный поток жидкости q подают в кольцевой зазор δ между патрубком 3 и дополнительным патрубком 4, а основной поток q подают внутрь дополнительного патрубка 4.
n
n
n
n
Пограничный поток жидкости q, выходя из кольцевого зазора δ и двигаясь, как и газ, в кольцевом зазоре 8 в ламинарном режиме, на выходе из патрубка 3 формирует газожидкостный пограничный слой, так как расходы газа q и пограничного потока жидкости q равны и равны кольцевые зазоры δ=δ, то равны и скорости газа и пограничного потока. Поэтому они формируют газожидкостный пограничный слой без перемешивания и турбулизации.
o
Сформировавшийся газожидкостный пограничный слой на выходе из кольцевого зазора между трубой 1 и дополнительным патрубком 4 соединяется с основным потоком жидкости q, выходящей из дополнительного патрубка 4. Так как этот основной поток жидкости на выходе из дополнительного патрубка 4 соединяется с пограничным потоком жидкости в газожидкостном пограничном слое, то основной поток жидкости не влияет на слой газа.
*
*
*
*
н
ж
Н
н
По мере движения по трубе 1 молекулы газа переносятся в поток жидкости через границу раздела фаз за счет диффузии. Поэтому расход газа и толщина пограничного слоя постепенно уменьшаются, а жидкость насыщается молекулами газа. На какой-то длине L трубы жидкость полностью насыщается молекулами газа, образуя при рабочих температуре и давлении в трубе 1 концентрацию x=q/q, соответствующую его насыщению в жидкости. Так как расход газа на входе в трубу q больше расхода q, соответствующего его насыщению в жидкости, то после длины трубы L в трубе остается газовый пограничный слой толщиной δ, меньшей, чем толщина пограничного газового слоя δ на входе в трубу 1 с расходом газа через этот слой Δq=q-q.
ж
н
ж
*
Этот пограничный слой газа находится в динамическом равновесии с перекачиваемой жидкостью расходом q. Его толщина и расход газа в нем не меняется, так как жидкость полностью насыщается газом постоянной концентрации x=q/q, а значит перекачивание жидкости по всей длине трубопровода происходит с газовым пограничным слоем.
3
3
3
3
*
3
3
ж
Пример 1. Необходимо перекачивать нефть плотностью ρ=900 кг/м и вязкостью µ=0,05 Па·с при 20°C на расстояние L=10 км в трубопроводе диаметром D=0,1 м и расходом q=0,0086 м/с или 31 м/час. При рабочих давлении p=1,033 ат и температуре t=20°C растворимость газа - метана 100 л/м, то есть предельная растворимость молекул метана в нефти x=0,1 м/м.
н
3
3
3
3
-5
При заданном расходе нефти расход газа, соответствующий его насыщению в нефти, составляет q=0,00086 м/с или 3,1 м/час. Тогда расход газа, в 1,1 раза больший расхода газа при насыщении, должен быть q=3,4l м/час, а в 1,3 раза больший - q=4,03 м/час. Вязкость перекачиваемой нефти при рабочих температуре и давлении составляет µ=0,05 Па·с, а вязкость газа метана µ=1,3-10 Па·с.
3
3
*
*
*
3
3
*
н
При расходе газа на входе, в 1,3 раза превышающем расход газа, соответствующий насыщению им нефти, толщина газового пограничного слоя снижается с 5,46 мм до 1,55 мм на длине L=640 м. Расход газа в пограничном слое при этом уменьшается с первоначальных 4,03 м/час на входе в трубопровод до 0,93 м/час на той же длине L, а затем также остается постоянным, так как концентрация газа в нефти при L становится равной предельной x=0,1 м/м. Общие потери давления составят 0,25 ат, а удельные энергозатраты 0,0076 кВт·час/т, при этом число Рейнольдса для нефти - максимальное на входе Re=2178, а на выходе из трубопровода 2150, то есть близко к предельному Re=2300, при котором течение перестает быть ламинарным. Поэтому увеличение верхнего предела отношения расхода газа на входе в трубу к его расходу, соответствующему насыщению газом жидкости, q/q=1,3, и заявляемого в формуле изобретения, нецелесообразно, так как может привести к волнообразованию или даже микровихрям на границе фаз жидкость - газ, созданию эмульсии и увеличению потерь давления и энергозатрат.
*
3
3
При расходе газа на входе, в 1,1 раза превышающем расход газа, соответствующий насыщению им нефти, толщина газового пограничного слоя снижается с 4,73 мм до 0,5 мм на длине L=190 м, а затем остается постоянной. Расход газа при этом уменьшается на той же длине за счет растворения молекул газа с 3,41 м/час на входе в трубу до 0,31 м/час, а затем также остается постоянным. Общие потери давления составят 0,85 ат, а удельные затраты энергии 0,85·0,0308=0,026 (кВт·час/т).
н
*
Уменьшение нижнего предела отношения расхода газа на входе в трубу к его расходу, соответствующему насыщению газом жидкости q/q=1,1, и заявляемого в формуле изобретения, может привести к разрыву сплошности газового пограничного слоя особенно в местных сопротивлениях, где происходит изменение скоростей потоков жидкости и газа по величине и направлению, так как толщина этого газового слоя при длине L>L не превышает 0,5 мм. При обычной транспортировке нефти без газового пограничного слоя гидравлическое сопротивление составляет на 10 км трубопровода 17,8 ат, а удельные энергозатраты 0,55 (кВт·час)/т, то есть выше, чем в предлагаемом способе, в 70 раз.
В сравнении с прототипом гидравлическое сопротивление в предлагаемом способе снижается незначительно с 0,3 ат до 0,25 ат за счет большей толщины газового пограничного слоя, а удельные затраты энергии снижаются резко с 1,23 (кВт·час)/т до 0,026 (кВт·час)/т, то есть более чем в 47 раз. Это объясняется тем, что в предлагаемом способе нет необходимости нагревать приграничные слои жидкости за местными сопротивлениями.
Создание газового, в данном случае метанового пограничного слоя проводят в две стадии, чтобы предотвратить перемешивание газа с перекачиваемой жидкостью - нефтью.
ж
3
Например, для выбранного расхода газа q=4,03 м/час и толщины газового пограничного слоя δ=5,46 на вход в трубу 1 устанавливают осесимметрично патрубок 3 диаметром d
d=D-2δ=0,1-2·0,00546=0,089 м.
n
Затем также на входе в трубу 1 внутри патрубка 3 осесимметрично устанавливают дополнительный патрубок 4 диаметром d
n
n
n
d=d-2δ=0,089-0,011=0,078 м, при этом δ=δ≈0,0055 м.
ж
n
o
ж
n
n
n
n
0
3
3
3
3
3
Поток жидкости расходом q=31 м/час предварительно разделяют на два потока - пограничный и основной - с расходами соответственно q=q=4,03 м/час и q=q-q≈27 м/час, то есть пограничный расход жидкости q равен расходу газа q. В этом случае на первой стадии поток газа с расходом q на выходе из камеры газораспределения 2 и пограничный поток жидкости на выходе из кольцевого зазора q формируют газожидкостный слой с ламинарным режимом течения, так как скорости газа и пограничного потока равны и их перемешивания не происходит. Сформированный таким образом на первой стадии газожидкостный пограничный слой на второй стадии при выходе из кольцевого зазора толщиной (δ+δ)=0,011 м соединяется с основным потоком жидкости q, выходящим из дополнительного патрубка 5. Так как внутренний слой газожидкостного пограничного потока является пограничным потоком жидкости, то он не позволяет основному потоку жидкости перемешиваться с газом. Таким образом, в две стадии формируют устойчивый газовый пограничный слой, толщина которого уменьшается по мер движения по трубе 1 с δ=0,0055 м до δ*=0,0015 м на длине L*=640 м, а расход с 4,03 м/час до 0,93 м/час за счет диффузии молекул газа метана в поток нефти. Далее толщина и расход газового (метанового) пограничного слоя не изменяется, так как нефть оказывается полностью насыщена молекулами газа (метана), и перекачивание нефти происходит метановым пограничным слоем на всей длине трубы 1.
3
Пример 2. Необходимо перекачивать мазут марки М-100 с температурой застывания 25°C, плотностью 0,971 г/см и вязкостью 1,11 Па·с на 1 км по трубопроводу диаметром 0,06 м.
3
-4
3
3
3
3
3
2
н
Расход мазута q=2 м/час или 5,56*10 м/с. По предлагаемому способу при заданном расходе мазута расход инертного газа CO при рабочих температуре 25°C и давлении 1,033 ат и растворимости 50 л/м должен составлять q=0,05*q=0,1 м/час. Тогда расход газа, в 1,1 раза больший расхода, соответствующего насыщению мазута диоксидом углерода (нижний предел в формуле (1)), должен быть q=0,11 м/час, а расход газа, в 1,3 раза больший расхода, соответствующего насыщению мазута (верхний предел в формуле (1)), должен быть q=0,13 м/час.
3
*
*
3
3
3
При расходе газа диоксида углерода на входе в трубу q=0,13 м/час на длине L=415 м толщина пограничного слоя газа уменьшается с δ=1,78 мм до δ=0,44 мм и на этой длине мазут насыщается газом до предельной растворимости 50 л/м, при этом расход газа в пограничном слое снижается с 0,13 м/час до 0,03 м/час. Гидравлическое сопротивление составит 0,16 атм, а удельные энергозатраты 0,0046 (кВт·час)/т (см. строку 1 примера 2 в таблице). По сравнению со способом, принятым за прототип, гидравлическое сопротивление уменьшается на 40% за счет большей толщины пограничного слоя газа, а энергозатраты в 3600 раз, так как нет необходимости нагревать мазут за каждым местным сопротивлением с 25°C до 65°C (плюс устанавливать теплоэнергонагреватели на наружную поверхность трубы и теплоизолировать ее за каждым местным сопротивлением).
3
3
*
н
н
При расходе газа на входе в трубу q=0,11 м/час, превышающем расход q=0,l м/час и соответствующем насыщению мазута газом при рабочих температуре и давлении, то есть q/q=1,1, что равно нижнему пределу этих расходов в предлагаемом способе, начальная толщина газового пограничного слоя на длине L=120 м уменьшается с δ=1,53 мм до 0,15 мм, а затем расход газа и толщина газового слоя остаются постоянными, так как мазут насыщен газом.
Гидравлическое сопротивление на всей длине трубопровода составит 0,35 ат, а удельные энергозатраты 0,01 (кВт·час)/т, что меньше по гидравлическому сопротивлению более чем в 10 раз, а по удельным энергозатратам в 110 раз. Такое уменьшение гидравлического сопротивления объясняется большей в 10 раз средней толщины пограничного слоя газа, а более чем стократный эффект снижения удельных затрат энергии связан с отсутствием необходимости нагревать мазут за каждым местным сопротивлением (см. строки 4 и 6 примера 2 в таблице).
Таблица
Технические параметры способов транспорта жидкостей по трубопроводу
Перекачиваемая среда
Температура, °C
Расход q, м<sup>3</sup>/час
Толщина газового пограничного слоя δ, мм
Необходимый перепад давления Δp, атм
Удельные затраты энергии (кВт·час)/т
нач.
кон.
На входе
На выходе
На входе
На выходе
Пример 1
Нефть-метанПредлагаемый способ с отношением расхода газа на входе в трубопровод к расходу, соответствующему насыщению газом жидкости согласно формуле (1)
20
20
4,03
0,93
5,46
1,55
0,25
0,0076
20
20
3,72
0,62
5,1
0,97
0,62
0,019
20
20
3,41
0,31
4,73
0,5
0,85
0,026
Нефть-метанИзвестный способ по прототипу (патент РФ 2307975 2000 г), нефть насыщают газом-метаном до концентрации, соответствующей насыщению 100 л/м<sup>3</sup>, и нагревают пограничный слой нефти за местными сопротивлениями на 10-40°C.
20
60
0
3,1
1,3
0
0,3
18,9
20
45
0
1,35
0,3
0
1,2
5,25
20
30
0
0,1
0,012
0
3,8
1,23
Пример 2
Мазут-диоксид углерода Предлагаемый способ
25
25
0,13
0,03
1,78
0,44
0,16
0,0046
25
25
0,12
0,02
1,65
0,3
0,27
0,0076
25
25
0,11
0,01
1,53
0,15
0,35
0,01
Мазут-диоксид углеродаИзвестный способ по прототипу
25
65
0
0,1
0,29
0
0,28
16,7
25
50
0
0,067
0,1
0
0,7
7,0
25
35
0
0,027
0,02
0
3,6
1,1
Как и в примере 1, газовый пограничный слой создают в две стадии с геометрическими размерами пограничных слоев и расходами газа и жидкости в них, соответствующими предлагаемому способу.
В таблице систематизированы численные параметры при сравнении предлагаемого способа и способа, выбранного за прототип.
Таким образом, предлагаемый способ транспорта жидкостей по трубопроводу позволяет значительно снизить гидравлическое сопротивление по сравнению со способом, выбранным за прототип, в 1,5-10 раз. Еще больший эффект связан со снижением удельных затрат энергии, по сравнению с прототипом они уменьшаются в 47-110 раз (см. строки 3 и 6 примера 1, а также 3 и 6 примера 2 таблицы). Это объясняется тем, что нет необходимости в предлагаемом способе нагревать жидкость на 10-40°C после каждого местного сопротивления. Кроме того, отпадает необходимость установки теплоэлектронагревателей или теплообменников за каждым местным сопротивлением на внешней поверхности трубопровода и его теплоизоляции. Это также снижает затраты энергии на перекачивание жидкости.