Способ нагрева нефти при сливе

 

Изобретение относится к нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, энергетической промышленности и предназначено для теплового воздействия на нефть и нефтепродукты при их сливе из хранилищ. Технический результат изобретения заключается в уменьшении времени слива при неизменных затратах энергии. Способ заключается в том, что предлагается греющую мощность источников СВЧ-излучения направить на нагрев ограниченного площадью поверхности части объема нефти. При этом часть объема нефти ограничивается радиопоглощающим материалом с образованием проходов между пластинами из этого материала и размещена в районе сливного устройства. Необходимо выполнить условие, при котором вся излучаемая источником СВЧ-излучения мощность поглощалась в этом объеме и величина мощности была достаточной для поддержания в районе сливного устройства температуры, соответствующей нормальному режиму слива. 1 ил.

Изобретение относится к нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, энергетической промышленности, в частности к тепловым воздействиям на нефть и нефтепродукты при их сливе из хранилищ.

Известен способ нагрева нефти в железнодорожных цистернах путем обхвата цистерны двумя индукционными обмотками. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе существуют большие потери тепла на нагрев окружающего цистерну пространства, так как от индукторов в первую очередь нагревается металл цистерны, который отдает тепло как нефти за счет теплопроводности, так и в окружающее пространство за счет конвективного теплообмена. Время прогрева нефти до температуры, при которой начинается ее слив через сливное устройство соразмеримо со временем слива нефти из цистерны (см., например, Оленев Н.М. Хранение нефти и нефтепродуктов. Изд. 3-е перераб. и доп. - Л.: Недра, Ленинград, отд-ние, 1964, с. 312).

Известен способ нагрева ограниченного объема нефти в хранилищах электрогрелками, при котором нагревается незначительный объем нефти внутри трубы и снаружи (см., например, Фонарев З.И. Электроподогрев трубопроводов, резервуаров и технологического оборудования в нефтяной промышленности. - Л.: Недра, Ленинград. отд-ние, 1984, с. 34-35, 46-50, 52-54). К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе образуется незначительный слой прогретой нефти вокруг нагретых поверхностей трубной электрогрелки из-за низкой теплопроводности нефти (коэффициент теплопроводности нефти λ_т= 0,156 Вт/м•K, а конвективный теплообмен практически отсутствует из-за большой вязкости нефти в холодном состоянии. Количество нагретой нефти недостаточно для работы сливного устройства в нормальном режиме. Отсюда время слива нефти увеличивается. Увеличение греющей мощности для более быстрого нагрева чаще всего ограничено конструктивными особенностями, а также возможен перегрев вблизи поверхности трубных электрогрелок, что является пожароопасным режимом нагрева.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ нагрева нефти при сливе, который включает образование ограниченного площадью поверхности нагретого объема нефти источником СВЧ-излучения (см. , например, а.с. N 1496015, кл. H 05 B 6/64, F 17 D 1/18. Шакирзянов Ф.Н., Коновалов В.А. Устройство для нагрева высоковязких материалов. Опубл. 23.07.89. Бюл. N 27), принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе не вся мощность нагрева сосредоточена в ограниченном замкнутом объеме, так как уже с открытого торца в месте ввода СВЧ-излучения в ограниченный объем, часть СВЧ-излучения, согласно закону геометрической оптики при распространении электромагнитной волны в свободном пространстве, уйдет в противоположное от ограниченного объема направление.

Сущность изобретения заключается в следующем. Различают нагрев всего объема нефти поверхностными нагревателями или части объема погружными нагревателями как для полного слива, так и для забора необходимого количества. Разогрев всего объема осуществляют паром, индукционным методом. Так, например, при индукционном нагреве цистерны емкостью 50 м³ с мощностью греющих устройств 160 кВт/ч время на нагрев и слив составляет 6 часов (см., например, Оленев Н.М. Хранение нефти и нефтепродуктов. Изд. 3-е перераб. и доп. - Л. : Недра, Ленинград. отд-ние, 1964. - 428 с.). К погружным нагревателям относятся электрогрелки. При нагреве нефти электрогрелками из-за плохой теплопроводности нефти подогревается незначительный слой около поверхности электрогрелки. Так, например, при мощности греющего сливоналивного устройства 4,2 кВт толщина слоя подогрева составляет 1-3 мм. Толщина слоя при подогреве более мощными грелками составляет несколько сантиметров. Но даже такое количество нагретой нефти меньше пропускной способности сливного устройства. Увеличение мощности часто ограничивают конструктивные особенности резервуаров, для железнодорожных цистерн это может быть ограниченный размер нефтеналивных люков. При неэффективности поверхностного или погружного подогрева применяют подогрев нефти во вспомогательном малогабаритном резервуаре с последующей перекачкой в основной резервуар. Но для слива нефти из основного резервуара этот способ не годится.

Однако можно ограничить часть объема в нефтехранилище, например, в районе сливного устройства, с проходами в этот ограниченный объем со стороны общего объема для поступления холодных слоев нефти и непрерывно нагревая только ограниченную часть объема можно обеспечить производительность сливного устройства. Время слива уменьшается, если нагрев ограниченного объема греющей мощностью осуществляется той же, что и предназначенной для нагрева всего объема в целом. Это обусловлено тем, что скорость нагрева при экспоненциальном изменении температуры наивысшая в начале нагрева и затем идет ее понижение. При нагреве всего объема до температуры t_сл, при которой происходит нормальный слив нефти, нагрев заканчивается при низких скоростях нагрева. Нагревая часть объема, нагрев заканчивается при высоких скоростях нагрева. И если сложить время нагрева малых объемов, то оно будет меньше времени нагрева всего объема нефти при одних и тех же затратах энергии.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения заключается в уменьшении времени слива при неизменных затратах энергии.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известный способ нагрева нефти при сливе, включает образование ограниченного площадью поверхности нагретого объема нефти источником СВЧ-излучения.

Особенность заключается в том, что часть от общего объема нефти в хранилище ограничивается в районе сливного устройства радиопоглощающим материалом, причем ограниченный объем нефти подбирается таким, чтобы вся излучаемая источником СВЧ мощность поглощалась в этом объеме, а величина мощности была достаточной для поддержания в районе сливного устройства температуры, соответствующей нормальному режиму слива.

Процессы теплообмена в ограниченном замкнутом пространстве принято рассматривать по аналогии с передачей теплоты путем теплопроводности (см., например, Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов по спец. "Конструир. и произв. радиоаппаратуры", - М.: Высшая школа, 1984, с. 52, 71, 168), поэтому для описания нестационарного теплового режима при нагреве нефти внутренними источниками энергии, каким является источник СВЧ-излучения, воспользуемся выражением где t - текущая температура нефти; t_с - температура среды; t₀ - начальная температура нефти; m₀ - темп нагрева нефти; C - теплоемкость нефти; P - мощность источника СВЧ-излучения; τ - текущее время; τ₀ - начальное время.

Упростим выражение (1) и представим τ₀= 0 и t_c = t₀ получим

Выразим из (2) время нагрева нефти до температуры, при которой начинается слив нефти из хранилища
τ = ln{P/[P-(t_сл-t_o)m_oC]}/m_o (3)
В свою очередь
C = C_pρV,
m_o= ψαA/C
где C_p - удельная теплоемкость нефти;
ρ - плотность нефти;
ψ - коэффициент неравномерности температурного поля, равный отношению средних поверхностных и объемных перегревов в стадии регулярного режима;
α - коэффициент теплоотдачи;
A - площадь, ограничивающая объем.

Для объема нефти V всего хранилища выражение (3) перепишем
τ_v= C_pρVln{P/[P-(t_сл-t_o)ψαA_v]}/ψαA_v.
Если разбить весь объем нефти V на небольшие объемы u = V/n, то разогревая объем u той же самой мощностью P получим время τ_u, при котором температура нефти достигает значения температуры слива t_сл.

τ_u= C_pρVln{P/[P-(t_сл-t_o)ψαA_v]}/ψαA_vn,
где A_u < A_v.

Суммируя общее время нагрева n объемов u получим
nτ_u= C_pρVln{P/[P-(t_сл-t_o)ψαA_u]}/ψαA_u.
Отношение времен нагрева до достижения температуры слива будет

Для наглядности примем кубическую форму объема V нефтехранилища с длиной ребра h и кубическую форму ограниченного объема u с единичной длиной ребра так, что h > 1, тогда
A_u = 6, A_v = 6h²

Вычислим выражение (4), например, для следующих значений:
h = 6 м, P = 150000 Вт, t_сл = 20^oC, t₀ = -10^oC, ψ = 0,8, α = 20 Вт/м²К. Получим τ_v/nτ_u= 1,63, то есть суммарное время нагрева nτ_u небольших объемов в 1,63 раза меньше τ_v.
При одновременном нагреве и сливе нефти подбирая объем u и площадь поверхности A_u, ограничивающую этот объем, можно добиться постоянной температуры t_сл в районе сливного устройства при заданной мощности источника СВЧ-излучения. В этом случае время нагрева τ_u объема u будет равно времени его слива τ_сл и экономия времени, показанная на примере с выражением (4), сохраняется. И наоборот, задаваясь объемом v и площадью поверхности A_u изменением мощности P источника СВЧ-излучения можно добиться постоянной температуры t_сл нефти в районе сливного устройства. Объем нефти u выбирается из уравнения расхода G при τ_сл= τ_u
G = ρωS = uρ/τ_u (5)
где S - площадь поперечного сечения сливного устройства;
ω - скорость слива в сливном устройстве
(см. , например, Теплотехника: Учеб. для вузов /В.Н.Луканин, М.Г.Шатров, Г.М.Камфер и др.; Под ред. В.Н.Луканина. - М.: Высшая школа, 1999, с. 303).

Нагревающий объем u ограничивается радиопоглощающим материалом с проходом для подвода холодных слоев и элементами конструкции общего хранилища. Конструкция радиопоглотителей может быть разнообразной, основное назначение радиопоглощающего материала - преобразование энергии электромагнитного поля в тепловую таким образом, чтобы за пределы ограниченного объема u уходила лишь незначительная часть СВЧ-излучения или не уходила вообще.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и в выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
- дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;
- замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какой-либо части (элемента, действия) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности, сокращение продолжительности процесса и пр.);
- увеличение количества однотипных элементов, действий, для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий;
- выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материла;
- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На представленном чертеже изображено нефтехранилище 1, волновод 2, источник СВЧ-излучения 3, радиопоглощающий материал 4, металлический экран 5, сливное устройство 6, радиопрозрачная прокладка 7, проходы 8. Температура в месте слива t_сл контролируется термодатчиком.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, приводятся в следующей последовательности. Часть объема нефтехранилища 1 ограничивают радиопоглощающим материалом 4 и металлическим экраном 5 в районе сливного устройства 6 с образованием объема u, ограниченного площадью поверхности A_u с проходами 8. Через одну из общих стенок хранилища и ограниченного объема вводят греющую мощность по волноводу 2 с радиопрозрачной прокладкой 7 от источника СВЧ-излучения 3.

Получить аналитическое выражение для распределения температуры внутри ограниченного объема с радиопоглощающим материалом невозможно из-за разнообразия конструкций хранилища, конфигураций ограничивающих объем поверхностей, конструкций радиопоглощающих материалов. Оценки распределения греющей мощности в ограниченном объеме.

Глубина проникновения δ_E электромагнитной волны, на которой напряженность электрического поля уменьшается в e раз определим (см., например, Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов. Изд-во Сарат. ун-та, 1983, с. 8).

где e - основание натурального логарифма;
εʹ - диэлектрическая проницаемость нефти;
tg δ - тангенс угла диэлектрических потерь нефти;
λ - длина волны излучения.

Подставляя известные данные для сырой нефти εʹ = 4,2; tgδ = 0,088; λ = 33 см, получим Мощность P на этом расстоянии уменьшится примерно в 7 раз, так как она зависит от квадрата напряженности электрического поля и если она составляет 150 кВт, то на расстоянии 60 см от раскрыва волновода она будет составлять 20 кВт, которая пойдет на нагрев радиопоглощающего материала 4. Таким образом, вся мощность, излучаемая источником СВЧ-излучения 3 расходуется на нагрев ограниченного объема нефти. Нефть при сливе, попадая в проходы 8, подогревается от радиопоглощающего материала 4 в небольшом пограничном слое в плоскостях соприкосновения, поступает в ограниченный объем, где она окончательно подогревается до температуры слива t_сл. Температура слива t_сл в районе сливного устройства контролируется и поддерживается регулированием мощности источника СВЧ-излучения, так как заливаемое на хранение различные объемы нефти могут отличаться по своему составу, особенно по содержанию воды, то и глубина проникновения δ_E будет различна.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения (способа) следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, энергетической;
- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов; следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Способ нагрева нефти при сливе, включающий образование ограниченного площадью поверхности нагретого объема нефти источником СВЧ-излучения, отличающийся тем, что часть от общего объема нефти в хранилище ограничивают в районе сливного устройства радиопоглощающим материалом, причем ограниченный объем нефти подбирают таким, чтобы вся излучаемая источником СВЧ мощность поглощалась в этом объеме, а величина мощности была достаточной для поддержания в районе сливного устройства температуры, соответствующей нормальному режиму слива.

РИСУНКИ

Рисунок 1