Расчет параметров нефтепродукта при транспортировке его в цистернах

Введение

Нефтебазы, в  общем случае оперируют большим  количеством нефтепродуктов, имеющих  высокие вязкость и температуру  застывания.

Высокая вязкость масел и мазутов объясняется  значительным содержанием в них  высокомолекулярных углеводородов, а  высокая температура застывания – наличием парафина.

В процессе транспортировки  или хранения данные нефтепродукты  остывают (в результате чего их текучесть  резко ухудшается), а порой и  застывают (особенно в зимнее время). Это не позволяет осуществить  прием и отпуск высоковязких и  высокозастывающих нефтепродуктов без их подогрева в установленные  нормативные сроки.

Кроме того подогрев нефтепродуктов необходим:

- для их  обезвоживания и очистки от  механических примесей методом  отстаивания;

- при подготовке  к сжиганию;

- при регенерации  отработанных масел;

- при зачистке  емкостей от отложений и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Необходимость подогрева

 

Если светлые нефтепродукты (бензин, керосин) легко транспортируются по трубопроводам в любое время  года и операции с ними не вызывают особых затруднений, то операции с темными  нефтепродуктами (мазутом, смазочными маслами) вызывают значительные трудности. Объясняется это тем, что темные нефтепродукты при понижении  температуры воздуха становятся более вязкими, теряют текучесть  и их транспортирование без подогрева  становится невозможным. Значительное возрастание вязкости нефтепродуктов при охлаждении объясняется содержанием высокомолекулярных тяжелых углеводородов.

Затвердевание парафинистых нефтепродуктов происходит в результате кристаллизации парафина.

В связи с этим высоковязкие нефтепродукты подогревают для  понижения вязкости до значений, при  которых достигается их подвижность  и экономичность работы перекачивающих насосов и трубопроводных коммуникаций. Подогрев осуществляется как при  хранении, так и при транспортировке  и приемо-раздаточных операциях, включая отстой, осветление и регенерацию масел. [2]

Подогрев существенно  изменяет физико-техническую характеристику нефтепродукта. В результате подогрева  нефтепродукт расширяется, уменьшаются  силы внутреннего трения и увеличивается  его подвижность, уменьшается гидравлическое сопротивление при перекачке. [7]

При подогреве парафинистых нефтей и нефтепродуктов расплавляется  парафин; сетка, образованная кристалликами  парафина разрушается и продукт  становится подвижным. Восстановление текучести нефтей и нефтепродуктов является необходимым условием для  производства операций налива, слива  и перекачки.

Однако, значение подогрева  не ограничивается этим – он необходим  при выполнении следующих операций: деэмульсации нефтей, освобождении нефтей и нефтепродуктов от  механических примесей, подготовке нефтетоплива к сжиганию под котлами, в печах и в двигателях внутреннего сгорания, смешении нефтепродуктов, регенерации отработанных масел, зачистке емкостей от отложений и др.

В качестве примера в таблице 1 приведено изменение вязкости, мм²/с, от температуры для бензина марки Аи-95 и минерального моторного масла М-63 10 Г.

Таблица 1 – Изменение  кинематической вязкости нефтепродуктов от температуры.

Нефтепродукт, вязкость, мм2/с	Температура, оС
	+20	+10	0	-10	-20
Бензин	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9
Моторное масло	100	300	1000	5000	10000

Из анализа таблицы 1 следует, что вязкость бензина практически не зависит от температуры, а вязкость масла резко возрастает с понижением температуры и при низких температурах оно нуждается в подогреве. [8]

Подогрев высоковязких и  легкозастывающих нефтепродуктов следует  производить до температуры, обеспечивающей его кинематическую вязкость не более 600 мм²/с.

Температура подогрева мазутов  не должна превышать 90 ^оС, а для масел 60 ^оС.

Температура подогрева должна быть ниже температуры вспышки паров  нефтепродукта, не менее чем на 25 ^оС.

В качестве теплоносителя  следует использовать водяной насыщенный пар или перегретую воду. При соблюдении пожарной безопасности возможно применение электрического подогрева. [9]

 

 

 

 

2 Теплоносители

 

Для подогрева  нефтепродуктов применяют различные  теплоносители: водяной пар, горячую  воду, горячие нефтепродукты и  газы, а также электроэнергию. Наибольшее применение имеет водяной пар, обладающий высоким содержанием и теплоотдачей, легко транспортируемый и в большинстве  случаев не представляющий пожарной опасности. Обычно используют насыщенный пар давлением 0,3-0,4 МПа (3-4 кгс/см²), обеспечивающий нагрев нефтепродуктов до 80-100 ˚С.

Горячую воду применяют в тех случаях, когда  она имеется в большом количестве, так как теплосодержание воды в 5-6 раз меньше теплосодержания  насыщенного пара.

Горячие газы имеют ограниченное применение, так  как они отличаются малым теплосодержанием, низким коэффициентом теплоотдачи  и малой объемной удельной теплоемкостью  и поэтому требуются в больших  количествах. Используются лишь при  разогреве нефтепродуктов в автоцистернах  и в трубчатых подогревателях при наличии отработанных газов.

Горючие масла  в качестве теплоносителей применяют  редко, когда требуется разогреть  тугоплавкие нефтепродукты с  высокой температурой вспышки, для  которых малоэффективен или невозможен разогрев горячей водой и паром. [2]

Электроэнергия  – один из эффективных теплоносителей, однако при использовании электроподогревательных  устройств необходимо соблюдать  повышенные противопожарные требования. Обнаженная электрическая грелка с накаленной проволокой способна вызвать воспламенение паров нефтепродуктов. Помимо этого, высокая температура проволоки может вызвать частичное коксование нефтепродукта. По этим соображениям электроподогрев сравнительно широко применяется лишь при подогреве нефтепродуктов с высокой температурой вспышки (главным образом для масел) в емкостях. Достоинство электроподогревательных устройств – компактность и удобство в эксплуатации.

Наиболее  простой из представленных способов – подогрев паром. Он происходит при  постоянной температуре и обеспечивает простое регулирование процесса.

Существует несколько  способов подогрева водяным паром: разогрев острым паром, трубчатыми подогревателями  и циркуляционный подогрев.

Подогрев острым (открытым) паром заключается в подаче насыщенного  пара непосредственно в нефтепродукт, где он конденсируется,             сообщая нефтепродукту необходимое тепло. Этот способ применяют              в основном для разогрева топочного мазута при сливе из             железнодорожных цистерн. Недостаток данного способа –          необходимость удаления в дальнейшем воды из обводнённого нефтепродукта.

Подогрев трубчатыми подогревателями  заключается в передаче           тепла от пара к нагреваемому продукту через стенки                  подогревателя, вследствие чего исключается непосредственный            контакт теплоносителя с нефтепродуктом. Применяют этот способ                во всех случаях, когда не допускается обводнение нефтепродукта                 как при хранении в резервуаре, так и при транспорте в               железнодорожных цистернах, нефтеналивных судах и т.д.                                Пар, поступая в трубчатый подогреватель, отдает тепло                 нефтепродукту через стенку подогревателя, а сконденсировавшийся пар отводится наружу через конденсатоотводчики, благодаря чему исключается обводнение нефтепродукта.

Циркуляционный подогрев основан на разогреве нефтепродукта  тем же нефтепродуктом, но предварительно подогретым в теплообменниках. Горячая струя подаваемого насосом в резервуар предварительно разогретого нефтепродукта, попадая в основную массу застывшего нефтепродукта, перемешивается с ним и отдает ему тепло, нагревая до требуемой температуры, обеспечивающей его текучесть. Циркуляционный подогрев применяют в основном при обслуживании крупных резервуарных парков с устройством централизованной теплообменной установки, а также при разогреве и сливе нефтепродуктов из железнодорожных цистерн. [5]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Подогрев нефтепродуктов в  транспортных емкостях

 

Все подогреватели, в зависимости от назначения, делятся  на: подогреватели при сливе нефтепродуктов из транспортных емкостей, подогреватели  при хранении в резервуарах и  подогреватели трубопроводов.

Подогреватели при сливе нефтепродуктов различаются  по способу подогрева и типу транспортной емкости.

Для подогрева  нефтепродуктов в железнодорожных  цистернах применяют следующие  подогреватели.

 

3.1 Паровые подогреватели

 

Подогреватели острым паром – по конструкции  представляют собой перфорированные  трубчатые штанги, помещенные в толщу  жидкости, при этом пар поступает  через отверстия в штангах. Используются только для разогрева мазута, допускающего частичное обводнение.

Подогреватели глухим паром – подразделяются на переносные и стационарные. Переносные подогреватели помещают внутрь железнодорожной  цистерны только на время разогрева, а по окончании их извлекают. Подогреватели (рис. 2), изготовленные из дюралюминиевых труб, состоят из трех секций – центральной  и двух боковых (изогнутых), помещаемых в железнодорожную цистерну поочередно. В зависимости от типа железнодорожных  цистерн и подогреваемого нефтепродукта  применяют подогреватели поверхностью нагрева 4,5-23,2 м² при давлении пара до 0,3 МПа.

 

 

 

 

 

 

 

1 – центральный змеевик; 2 – боковые змеевики; 3 – трубы  для подвода пара и конденсата 

Рисунок 1 – Установка  парового змеевикового подогревателя  в цистерне

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – центральный  змеевик; 2 – боковые змеевики;

Рисунок 2 –  Змеевик в сборе

Стационарные  подогреватели находятся внутри цистерны постоянно. Они применяются  двух типов:

1. Трубчатый подогреватель, смонтированный в нижней части железнодорожной цистерны, которая снаружи покрыта теплоизоляцией. Применяется для цистерн емкостью 34-50 м³, масса подогревателя около 1100 кг. Помимо внутреннего трубчатого подогревателя сливной прибор цистерны снабжен наружной паровой рубашкой, через которую осуществляется ввод пара в подогреватель. [4]
2. Стационарный подогреватель, состоящий из паровой рубашки вокруг котла цистерны и сливного патрубка. Они являются наиболее эффективными, так как сокращают расход пара, исключают обводнение топлива и уменьшают его остаток в нижней части котла.

Рисунок 3 – Схема цистерны с паровой  рубашкой и сливного прибора цистерны с паровой рубашкой

Пар под давлением 0,3 МПа подводится к штуцеру паровой рубашки  цистерны, нагревает сливной патрубок, поступает в паровую рубашку  цистерны. Вдоль нижней части паровой  рубашки имеется желоб для  отвода конденсата. За несколько минут  температура стенки огреваемой части  повышается до 80 ˚С и холодный мазут начинает скользить по горячей поверхности к сливному патрубку.

Недостатком закрытых трубчатых подогревателей является то, что в первую очередь  прогреваются слои нефтепродукта, примыкающие  к трубам-змеевикам,  а продолжительность  нагрева основной массы жидкости весьма велика. Кроме того, они быстро выходят из строя вследствие коррозии. [5]

 

3.2 Циркуляционные подогреватели

 

Циркуляционный  подогрев основан на принципе передачи тепла от горячего нефтепродукта  к холодному путем их интенсивного перемешивания. Подогреватель циркуляционного  подогрева представляет собой теплообменную  установку, расположенную близко от сливо-наливных устройств и предназначенную для подогрева нефтепродукта, подаваемого в виде горячей струи в железнодорожную цистерну (рис. 3).

1 – гидромониторное устройство; 2- шарнирный трубопровод; 3 – кран  с лебедкой; 4 – гибкий шланг; 5 – установка нижнего слива; 6 –  электродвигатель; 7 – винтовой насос; 8 – продуктопровод от теплообменника  к насосу; 9, 11 – вентили; 10 – теплообменник.

Рисунок 4 – Установка циркуляционного подогрева и герметизированного слива

Перед сливом нефтепродукта из цистерны на ее сливном  патрубке закрепляется паровая рубашка. Забираемый из цистерны нефтепродукт поступает в теплообменник, откуда нагретый до 40-50 ˚С забирается насосом и по шарнирному трубопроводу подается внутрь цистерны. Горячий нефтепродукт выходит из сопел под давлением 1,0-1,2 МПа и перемешивается с холодным.

Горячая струя  нагревает и размывает мазут, который забирается из цистерны. Благодаря  перемешиванию, происходит интенсивный  разогрев основной массы нефтепродукта (мазута). Внутри цистерны устанавливают  раскладывающееся гидромониторное  устройство, осуществляющее возвратно-поступательное движение сопел вдоль нижней образующей цистерны для лучшего прогрева жидкости. Такую подогревательную установку  применяют преимущественно для  слива одиночных цистерн, так  как при маршрутном сливе требуются теплообменники и насосное оборудование большой мощности.

Разновидностью  подогревателей этого типа является совмещенный погружной насос-пароподогреватель (рис. 4).

1 – трубчатый  подогреватель; 2 – шарнир; 3 – редуктор; 4 – шнековый насос; 5 – горизонтальный  вал; 6 – вертикальный вал; 7 –  паровые трубы; 8 – электродвигатель.