Способ транспортирования углеводородной жидкости по трубопроводу

 

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности, а именно при транспорте углеводородных жидкостей, таких, как нефть, нефтепродукты, газовый конденсат, по трубопроводам. В способе транспортирования углеводородной жидкости по трубопроводу, заключающемся в подаче в турбулентный поток углеводородной жидкости добавки из высокомолекулярных карбоцепных соединений с молекулярной массой М=0,3-10•10⁶, количество добавки выбирают из условия достижения скорости потока жидкости в пристенной области трубопровода, обеспечивающей отмыв частиц загрязнений и их вынос до фильтрующих устройств, описываемого следующей системой уравнений: U_отм=1,3•A•d_ч ^-В; где α = 68/Re; ε = k/D; X = (28 • α)¹⁰; Y = 0,00043•C^1,168•ε^-0,662, U_отм - скорость отмыва частиц загрязнений; A=45,2 и В=0,75 - коэффициенты; d_ч - диаметр частицы, мкм; U - осредненная местная скорость, м/с; V - средняя скорость, м/с; λ_f - коэффициент гидравлического сопротивления при течении жидкости с добавкой; R - радиус трубопровода, м; Re - число Рейнольдса; ε, k - относительная и абсолютная эквивалентная шероховатости трубы соответственно, м; D - внутренний диаметр трубопровода, м; С - концентрация добавки, г/т. Техническим результатом изобретения является обеспечение отмыва частиц загрязнений и их вынос до фильтрующих устройств без увеличения средней скорости перекачки. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности, а именно к транспорту углеводородных жидкостей, например, нефти, нефтепродуктов, газового конденсата по трубопроводам.

Известны способы транспортирования углеводородной жидкости по трубопроводу, предусматривающие очистку внутренней полости последнего в процессе перекачки с использованием механических или химических средств.

В качестве механических средств очистки используют скребки (SU, 634070, кл. F 17 D 3/08, 1978) или гелеобразные пробки (SU, 1227903, кл. F 17 D 3/08, 1986).

К недостаткам использования средств механической очистки можно отнести необходимость строительства устройств для запуска и приема скребков, дополнительные потери давления, связанные с их проталкиванием, ограничение или невозможность использования на трубопроводах с изменяющимся по длине проходным сечением. Последний недостаток исключается в случае использования гелеобразных пробок. Однако возникают проблемы с отделением их от потока, разрушением и утилизацией.

При использовании химических средств с применением моющих растворов, в частности с ПАВ, возникают проблемы с их утилизацией, ухудшением товарных свойств перекачиваемых продуктов, необходимостью проведения мероприятий по охране окружающей среды (см. "Оборудование, приборы и устройства для очистки полости и испытаний магистральных трубопроводов за рубежом", под ред. Климовского Е.М., ВНИИЭГАЗПРОМ, 1969, с. 22-23).

Также известны способы транспортирования углеводородной жидкости, при которых очистка трубопроводов осуществляется в условиях развитого турбулентного течения путем гидродинамической промывки трубы потоком перекачиваемой жидкости, в которую могут быть введены газ или твердые частицы (см. Р.Г. Тимиркеев, В.М. Сапожников. "Промышленная чистота и тонкая фильтрация рабочих жидкостей летательных аппаратов", М., Машиностроение, 1986, с. 82-94).

В указанных способах транспортирования обеспечивается создание определенных гидродинамических условий, позволяющих частицам загрязнений выходить из пристенного ламинарного слоя. Однако реализация этого способа требует увеличения скорости перекачки, что вызывает необходимость предварительного создания как запаса перекачиваемой жидкости, так и мощности электропривода насосов на перекачивающих станциях, и приводит к росту энергозатрат.

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является способ транспортирования углеводородных жидкостей по трубопроводу при турбулентном режиме движения, включающий ввод в жидкость противотурбулентной присадки (см. Ю.П. Белоусов. "Противотурбулентные присадки для углеводородных жидкостей", Новосибирск, "Наука", 1986, с. 49-79).

Однако в известном способе за счет введения противотурбулентной присадки решается задача снижения гидравлического сопротивления трубопровода, но не обеспечивается создание условий, необходимых для отмыва частиц загрязнений от поверхности трубопровода и их транспортирования из зоны очистки.

Задачей изобретения является создание способа транспортирования углеводородной жидкости по трубопроводу, обеспечивающего при условии сохранения средней скорости перекачки отмыв частиц загрязнений от внутренней поверхности трубопровода и последующую их транспортировку.

Поставленная задача достигается способом транспортирования углеводородной жидкости по трубопроводу, заключающимся в подаче в турбулентный поток углеводородной жидкости добавки из высокомолекулярных карбоцепных соединений с молекулярной массой М=0,3-10•10⁶, количество которой выбирают из условия достижения скорости потока жидкости в пристенной области трубопровода, обеспечивающей отмыв частиц загрязнений и их вынос до фильтрующих устройств, описываемого следующей системой уравнений: U_отм=1,3•A•d_ч ^-В; где α =68/Re; ε =k/D; X=(28•α)¹⁰; Y=0,00043•С^1,168 •ε^-0,662, U_отм - скорость отмыва частиц загрязнений; А=45,2 и В=0,75 - коэффициенты; d_ч - диаметр частицы, мкм; U - осредненная местная скорость, м/с; V - средняя скорость, м/с; λ_f - коэффициент гидравлического сопротивления при течении жидкости с добавкой; R - радиус трубопровода, мкм; Re - число Рейнольдса; ε, k - относительная и абсолютная эквивалентная шероховатости трубы соответственно, м; D - внутренний диаметр трубопровода, м; С - концентрация добавки, г/т.

Сущность способа заключается в следующем.

В процессе транспортирования углеводородной жидкости по трубопроводу вынос механических частиц из него происходит в результате двух одновременно идущих процессов:
- отрыва частиц от внутренней поверхности трубопровода и их взвешивание потоком жидкости;
- транспортировка частиц загрязнений из зоны очистки.

Механизм отмыва и транспортировки частиц загрязнений можно представить следующим образом. Жидкость обтекает частицы, лежащие на стенке трубопровода, несимметрично. Спереди и снизу частицы жидкость оказывается заторможенной, и в соответствии с законом Бернулли, в этих областях давление повышенное. Над частицей, где поток жидкости ускоряется, и сзади, где возникает область отрыва потока, давление понижено. Частицы будут выноситься из трубопровода потоком жидкости в том случае, если скорость потока будет выше некоторого критического значения.

Отмыв частиц и создание гидродинамических условий для их взвешивания наблюдается при скорости потока, определяемой по формуле (см. Белянин П.Н., Данилов В. М. Промышленная чистота машин. М.: Машиностроение, 1982, с. 60-61):
U_отм=1,3•A•d_ч ^-В, (1)
где U_отм - скорость отмыва частиц загрязнений; А=45,2 и В=0,75 - коэффициенты; d_ч - диаметр частицы, мкм.

При вводе добавки из высокомолекулярного карбоцепного соединения наблюдается увеличение скорости жидкости в пристенной зоне потока (см. Манжай В.Н. Турбулентное течение разбавленных растворов карбоцепных полимеров. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук. Томск, 1992, с. 9).

В технических трубопроводах при турбулентном течении углеводородной жидкости с добавкой из высокомолекулярного карбоцепного соединения осредненная местная скорость U на расстоянии от стенки трубопровода, равном диаметру частицы _ч, может быть найдена по степенной зависимости (2) (см. А.Д. Альтшуль. Гидравлические сопротивления. М.: Недра, 1970, с. 46):

где U - осредненная местная скорость, м/с; V - средняя скорость, м/с; λ_f - коэффициент гидравлического сопротивления при течении жидкости с добавкой; R - радиус трубопровода, мкм.

Экспериментально установлено, что при применении добавки из высокомолекулярного карбоцепного соединения коэффициент гидравлического сопротивления турбулентного потока в зависимости от ее концентрации определяется по формуле:

где α =68/Re; ε =k/D; X=(28•α)¹⁰; Y=0,00043•С^1,168•ε^-0,662, Re - число Рейнольдса; ε, k - относительная и абсолютная эквивалентная шероховатости трубы соответственно, м; D - внутренний диаметр трубопровода, м; С - концентрация добавки, г/т.

Таким образом, из совместного решения уравнений (1), (2) и (3) определяется концентрация добавки, при которой создаются гидродинамические условия отмыва и транспортировки по трубопроводу до фильтрующих устройств частиц загрязнений заданного размера.

Возможность осуществления способа и достижения технического результата показаны в нижеследующем примере.

Пример. Транспорту по участку магистрального продуктопровода подлежит дизельное топливо. Характеристика трубопровода и транспортируемого дизельного топлива приведена ниже:
Длина, м - 153000
Диаметр внутренний, м - 0,500
Шероховатость эквивалентная, мм - 0,176
Разность геодезических отметок, м - 19,0
Расход объемный, м³/ч - 1067
Плотность дизтоплива, кг/м³ - 841,0
Кинематическая вязкость, м²/с - 5,4•10^-6
На чертеже приведен результат решения системы уравнений (1), (2) и (3) графическим способом. Расчет показал, что при постоянном расходе Q=1067,0 м³/ч для создания условий для отмыва с внутренней поверхности продуктопровода и доставки до фильтрующих устройств частиц размером 250 мкм необходимо вводить в турбулентный поток 180 г/т добавки, которая представляет собой 5% раствор α-олифина молекулярной массой 5•10⁶ в перекачиваемом топливе.

При реализации способа и достижения технического результата добавка из высокомолекулярного карбоцепного соединения вводилась в продуктопровод через форсунку на выходе насосной станции за регуляторами давления с помощью плунжерного насоса-дозатора.

В таблице приведены полученные характеристики установившихся режимов транспортировки дизельного топлива с добавкой концентрацией 9 г/т и без нее.

В ходе транспортирования в конце участка трубопровода отбирались ходовые пробы дизельного топлива как исходного, так и с добавкой из высокомолекулярного карбоцепного соединения. Визуальный анализ этих проб показал, что исходное дизельное топливо было прозрачным. В пробах отобранные из головной части партии дизельного топлива с добавкой содержалось большое количество механических частиц темного цвета.

Для определения количества и размера механических частиц, выносимых из трубопровода, а также их химического состава отобранные пробы первоначально фильтровались. В качестве фильтра используется фильтровальная бумага БФДТ с тонкостью отсева 3 мкм и толщиной (0,33±0,03) мм (ГОСТ 12068-66). Затем фильтрационные остатки исследовались методами оптической, электронной микроскопии, рентгено-спектроскопии и рентгено-дифракционной спектрометрии.

Анализ с помощью оптического микроскопа фильтрационного остатка исходного дизельного топлива показал, что в нем нет механических частиц.

Анализ с помощью электронного микроскопа фильтрационного остатка дизельного топлива с добавкой показал, что он состоит в основном из пористых агломератов слипшегося вещества, а также из плоских частиц. Размеры механических частиц колебались в пределах до 246 мкм. Основными элементами агломератов и частиц являются железо (Fe), сера (S), кремний (Si). Причем железо связано в Fе₂О₃, Fе₃O₄, а также в FeO(OH) или в Fе(ОН)₃. Все эти соединения характерны для ржавчины.

Количество твердой взвеси в пробах дизельного топлива, отобранных из продуктопровода, определялось путем сжигания фильтров и взвешивания остатка. С учетом содержания в пепле железа содержание его в головной партии дизельном топливе с добавкой из высокомолекулярного карбоцепного соединения составило 200-400 мг/л.

Таким образом, технический результат реализации предлагаемого способа заключается в обеспечении отмыва частиц загрязнений и их выноса до фильтрующих устройств, сохранении средней скорости перекачки.

Формула изобретения

Способ транспортирования углеводородной жидкости по трубопроводу, заключающийся в подаче в турбулентный поток углеводородной жидкости добавки из высокомолекулярных карбоцепных соединений с молекулярной массой M= 0,3-10•10⁶, количество которой выбирают из условия достижения скорости потока жидкости в пристенной области трубопровода, обеспечивающей отмыв частиц загрязнений и их вынос до фильтрующих устройств, описываемого следующей системой уравнений:
U_отм= 1,3•A•d_ч ^-B;


где α = 68/Re;
ε = k/D;
X= (28•α)¹⁰;
Y= 0,00043•C^1,168•ε^-0,662;
U_отм - скорость отмыва частиц загрязнений;
А= 45,2 и В= 0,75 - коэффициенты;
d_ч - диаметр частицы, мкм;
U - осредненная местная скорость, м/с;
V - средняя скорость, м/с;
λ_f - коэффициент гидравлического сопротивления при течении жидкости с добавкой;
R - радиус трубопровода, м;
Re - число Рейнольдса;
ε, k - относительная и абсолютная эквивалентная шероховатости трубы соответственно, м;
D - внутренний диаметр трубопровода, м;
С - концентрация добавки, г/т.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2