Способ транспорта жидкостей по трубопроводу

Изобретение относится к трубопроводному транспорту для перекачивания жидкостей и может найти применение в химической, нефтехимической, гидромелиоративной 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, суспензии, эмульсий и растворов. Техническим результатом изобретения является уменьшение гидравлического сопротивления и энергозатрат на транспорт жидкости по трубопроводу, а также уменьшение расхода газа. В способе транспорта жидкостей по трубопроводу, включающем предварительное смешение с инертным газом и подогрев смеси, жидкость смешивают 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. 1 табл., 1 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к трубопроводному транспорту для перекачивания жидкостей и может найти применение в химической, нефтехимической, гидромелиоративной 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, суспензии, 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 большей 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 большей критической температуры пленочного кипения жидкости для образования пленки пара трубопровода. Кроме того, этот способ требует применение 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°С и затем закачивания 5-10%-ной эмульсии серного ангидрида, с азотом с последующей обработкой полости труб активированной водой со значением рН 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 высоковязких продуктов путем снижения вязкости за счет предварительного подогрева и смешения с инертным газом с выравниванием давления на линиях продукта и инертного газа, при этом смешение продукта и инертного газа до образования газожидкостной смеси осуществляют при температуре выше температуры застывания продукта, а количество инертного газа выбирают пропорционально снижению температуры застывания и сокращению времени слива продукта, составляющим 15-30% от объема продукта (Патент РФ №2138727, F17D 1/16, 1999 г.).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся повышенные гидравлические сопротивления и энергозатраты из-за отсутствия маловязкого пограничного слоя у стенки трубопровода и большого расхода газа, идущего на смешение с продуктом.

Задачей заявляемого технического решения является создание пристенного кольцевого газового слоя за счет выделения газа из пристенного слоя жидкости при ее нагревании.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является уменьшение гидравлического сопротивления и удельных затрат энергии на транспорт жидкости по трубопроводу за счет создания маловязкого газового пограничного слоя у стенки трубопровода, а также уменьшение расхода газа.

Заявленный технический результат достигается тем, что в способе транспорта жидкостей по трубопроводу, включающем предварительное смешение с инертным газом и подогрев смеси, жидкость смешивают 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.

Предварительное смешение жидкости с инертным газом до ее насыщения, соответствующего растворимости газа в жидкости при ее температуре и давлении на входе в трубопровод, позволяет уменьшать необходимый расход газа, идущий на смешение с жидкостью. Подогрев такой насыщенной инертным газом жидкости на участках трубопровода, расположенных за местными сопротивлениями на 10-40 градусов выше температуры жидкости на каждом участке трубопровода, обеспечивает выделение газа из жидкости с образованием газового пограничного слоя у стенки трубопровода, за счет уменьшения растворимости газа в жидкости с ростом температуры, что приводит к уменьшению гидравлического сопротивления и энергозатрат на транспорт жидкости.

Нагревание жидкости до температуры ниже заявляемого предела в 10 градусов, как и растворение газа в жидкости до концентраций ниже концентрации насыщения при температуре и давлении на входе в трубопровод, не позволяет создать устойчивый газовый пограничный слой, покрывающий всю стенку трубопровода из-за малого количества выделяющегося газа при нагревании. Нагревание жидкости до температуры выше заявляемого предела в 40 градусов, как и увеличение концентрации газа в жидкости выше концентрации ее насыщения при температуре и давлении жидкости на входе в трубопровод, увеличивает энергозатраты и гидравлическое сопротивление, так как из-за чрезмерного выделения газа из жидкости они интенсивно перемешиваются и турбулизация такой смеси не позволяет удержать маловязкий газовый пограничный слой у стенки трубопровода.

По той же причине нагревание жидкости на 10-40 градусов выше температуры жидкости целесообразно осуществлять на участках трубопровода, расположенных за местными сопротивлениями (поворотами, сужениями, расширениями, кранами, вентилями и т.д.), где происходит изменение скорости по величине и направлению. В этом случае перемешивание газового пограничного слоя в самом местном сопротивлении требует восстановления этого газового пограничного слоя за ним, что и обеспечивается нагреванием жидкости на 10-40 градусов на участках за местными сопротивлениями.

Схема трубопровода, работающего по предлагаемому способу перекачивания жидкости представлена на чертеже.

Он содержит три секции. Секции 1 и 2 соединены между собой коленом 3, а секции 2 и 4 - линзовым температурным компенсатором 5. На входе в секцию 1 установлен запорный пробковый кран 6. Все секции трубопровода покрыты наружным изоляционным слоем 7. На входе в каждую секцию установлен участок нагревательного элемента 8 в виде теплоэлектронагревателя (ТЭНа), образующего змеевик на наружной поверхности трубопровода, обеспечивающий температуру на 10-40 градусов выше температуры жидкости в трубопроводе.

На входе трубопровода установлена емкость 9 с жидкостью и компрессор 10 для подачи газа из газгольдера 11 в жидкость с расходом, обеспечивающим максимальное растворение газа в жидкости при ее давлении и температуре на входе в трубопровод. Регулирование расхода газа, подаваемого в емкость 9 с жидкостью, осуществляется регулировочным вентилем 12. Если в качестве газа подается компрессором 10 в емкость 9 с жидкостью воздух, то необходимость в газгольдере отпадает.

Трубопровод работает следующим образом.

Перед подачей жидкости на вход трубопровода запорный пробковый кран 6 закрывают, включают компрессор 10 и открывают регулировочный вентиль 12, устанавливая им такой расход газа в емкость 9 с жидкостью, чтобы обеспечить максимальную растворимость газа в жидкости при ее давлении и температуре на входе в трубопровод, открывают запорный пробковый кран 6 и жидкость, насыщенную газом до максимальной растворимости, подают в трубопровод и одновременно включают в сеть все участки нагревательного элемента 8, находящиеся на входе секции 1, 2 и 4 за местными сопротивлениями. Мощность ТЭНов нагревательного элемента 8 такова, что они нагревают стенки трубопровода и пограничные с ним слои жидкости до температуры на 10-40 градусов большей, чем температура основного потока жидкости. Так как растворимость газов в жидкости с ростом температуры уменьшается, то газ из пристенного нагретого слоя жидкости выделяется с образованием газового пограничного слоя 13, что приводит к снижению общего гидравлического сопротивления трубопровода и удельных затрат энергии на транспорт жидкости по нему. Газовый пограничный слой 13 остается устойчивым на длине каждой секции, потому что при движении этого газового слоя и жидкости вне участка нагревательного элемента 8 и их естественного охлаждения за счет потерь тепла через стенку и взаимодействия с более холодным основным потоком жидкости газ не растворяется вновь в жидкости, а остается в газовом пограничном слое 13, т.к. давление жидкости понижается при ее движении к выходу трубопровода и значит понижается растворимость газа в жидкости. Однако на повороте в колене 3 трубопровода или на температурном компенсаторе 5 и на других местных сопротивлениях (сужениях, расширениях, вентилях и кранах) происходит потеря устойчивости газового пограничного слоя 13, и он смешивается с основным потоком жидкости. Поэтому после колена 3, компенсатора 5 или пробкового крана 6 на входе в каждую секцию 1, 2 и 4 необходимо устанавливать нагревательные элементы 8 для повторного нагрева стенки трубопровода и пристенного слоя жидкости на 10-40 градусов выше по сравнению с температурой основного потока жидкости.

Уменьшение температуры нагрева смеси ниже заявляемого нижнего предела в 10 градусов, как и не максимальное растворение газа в жидкости на входе в трубопровод в емкости 9 при ее температуре и давлении не позволяет при нагревании выделить из пограничного слоя жидкости объем газа, достаточный для создания устойчивого пограничного слоя, и снизить гидравлическое сопротивление трубопровода и удельные затраты энергии на транспорт жидкости.

Увеличение температуры нагрева смеси выше заявляемого верхнего предела в 40 градусов приводит к интенсивному выделению газа из пристенного слоя жидкости, его перемешиванию с этой жидкостью и разрушению газового пограничного слоя 13, а так же большим затратам удельной тепловой энергии. Поэтому нагрев смеси на 10 градусов рекомендуется для газов, растворимость которых значительно уменьшается, а нагрев на 40 градусов рекомендуется для газов, растворимость которых уменьшается незначительно с ростом температуры.

Пример 1. Необходимо перекачивать мазут марки М-100 с температурой застывания 25°С, плотностью 0,971 г/см³ и вязкостью μ=1,11 Па·с на 1 км по трубопроводу диаметром 0,06 м (физические свойства: температура застывания, плотность и вязкость взяты из прототипа - Патент РФ №2138727, F17D 1/16, 1999 г.).

Расход мазута q=2 м³/час или 5,56·10^-4 м³/с. По предлагаемому способу мазут при t_н=25°С насыщается предварительно газом, например (как в прототипе) диоксидом углерода предельной концентрацией до 50 л/м³, соответствующей предельной растворимости CO₂ в мазуте при начальных температуре t_н=25°С и давлении на входе в трубопровод, но без образования газожидкостной смеси. При нагревании на участке за местным сопротивлением пристенного слоя мазута вместе со стенкой трубы на 40°С до температуры t_к=65°С растворимость СО₂ уменьшается до 40 л/м³, то есть 0,01 м³ CO₂ из каждого кубометра нагреваемого мазута выделяется в пограничный слой. Расход СО₂ в пограничный слой составит q_г=0,01·q=5,56·10^-6 м³/с, а вязкость СО₂ μ1=1,8·10^-5 Па·с, то есть в 60 тысяч раз меньше, чем у мазута. Толщина пограничного слоя при этом расходе газа составит 290 мкм, то есть покроет шероховатости стальной стенки внутри трубопровода. Суммарные удельные затраты тепловой и механической энергии на 1 тонну мазута составят 16,7 кВт·ч, а перепад давления Δр=0,28 атм (см. п.1 таблицы). В примере по прототипу мазут нагревается с t_н=25°С до температуры t_к=65°С (см. п.4 таблицы) и затем смешивается с инертным газом - диоксидом углерода в пределах 15-30% от объема продукта с образованием газожидкостной смеси с вязкостью примерно в 5,5 раза меньше вязкости самого мазута, то есть 0,20 Па. Теплоемкость мазута С_р=1,5 кДж/кг. Удельные затраты тепловой энергии на нагревание 1 т мазута с 25 до 65°С составят:

Q_t=С_р·М(t_к-t_н)=1,5·1000·40=60000 кДж=16,6 кВт·ч/т,

где масса мазута М=1000 кг.

При перепаде давления Δр=3,6 атм удельные затраты механической энергии на преодоление гидравлического сопротивления составляют 0,2 кВт·ч/т. Суммарные удельные затраты тепловой и механической энергии составят 16,8 кВт·ч/т (см. п.4 таблицы).

Как видно из примера 1, при нагревании мазута, на участках за местными сопротивлениями на 40 градусов, что соответствует верхней границе заявляемого диапазона, затраты энергии на нагревание и перекачивание мазута практически равны затратам энергии по известному способу. Поэтому дальнейшее увеличение температуры нецелесообразно, хотя необходимый перепад давления в трубопроводе снижается с 3,6 атм до 0,28 атм, то есть в 12,8 раза. Объем закачиваемого диоксида углерода снижается в 3-6 раз. Снижение температуры нагревания мазута на участках за местными сопротивлениями до 35°С, то есть на 10 градусов, что соответствует нижнему пределу заявляемого диапазона температур 10-40 градусов, хотя и снижает суммарные удельные затраты энергии по сравнению с прототипом 16,8 кВт·ч/т до 1,1 кВт·ч/т, то есть в 15 раз, но не дает никакого выигрыша в перепаде давления (см. п.3 и 4 таблицы).

Предлагаемый способ перекачивания жидкости по трубопроводу эффективен не только для высоковязких нефтепродуктов, но и для нефти обычной вязкости, когда нет необходимости создавать газожидкостную смесь, чтобы предотвратить застывание жидкости.

Пример 2. Необходимо перекачивать нефть плотностью ρ=900 кг/м³ и вязкостью μ=0,05 Па·с при 20°С на расстояние L=10 км в трубопроводе диаметром d=0,1 м с расходом q=0,0086 м³/с или 31 м³/час. По предлагаемому способу нефть предварительно насыщается газом, например метаном, имеющим вязкость μ₁=1,3·10^-5 Па·с, растворимость которого составляет при t=20°С насыщении примерно 100 л/м³. При нагревании пограничного слоя нефти для образования метанового газового слоя толщиной 1300 мкм с расходом q₁=2,3·10^-4 м³/с с 20 до 60°С из 1 м³ нефти будет выделяться в этот пограничный слой метана 27 л (за счет уменьшения его растворимости с ростом температуры). Тогда необходимо нагревать нефть, чтобы обеспечивать такой пограничный газовый слой q_H=q₁/0,027=8,6·10^-3 м³/с, то есть доля нагреваемой нефти от общего ее расхода в трубопроводе составит 100%. Общий перепад давления в трубопроводе составит 0,3 атм, а суммарные удельные затраты тепловой и механической энергии составят 18,9 кВт·ч на 1 тонну нефти (см. п.5 таблицы). При перекачивании нефти по прототипу весь ее объем предварительно необходимо нагревать до 60°С и создавать в ней метаново-нефтяную смесь с содержанием метана 150-300 л/м³ (15-30%), то есть в 1,5-3 раза затрачивать метана больше, чем в предлагаемом способе. При этом перепад давления для перекачивания такой смеси составит 3,9 атм. Таким образом, нагревание нефти на участках за местными сопротивлениями на 40 градусов, что соответствует верхней границе заявляемого диапазона 10-40°С, приводит к снижению перепада давления с 3,9 атм до 0,3 атм, при примерно одинаковых суммарных удельных затратах энергии (см. п.5 и 8 таблицы).

Однако нагревание нефти на участках за местными сопротивлениями на 10 градусов, что соответствует нижней границе заявляемого диапазона, снижает суммарные удельные затраты энергии с 19,3 до 1,23 кВт·ч/т, но не дает практически никакого выигрыша в перепаде давления (см. пункты 7 и 8 таблицы).

Предлагаемый способ можно использовать не только для перекачивания нефти и нефтепродуктов и других высоковязких жидкостей, но и для маловязких жидкостей, например воды.

Пример 3. Необходимо перекачивать воду при 20°С, плотностью ρ=1000 кг/м³ и вязкостью μ=0,001 Па·с по трубопроводу диаметром D=0,5 м и длиной L=5 км. Расход воды составляет 0,2 м³/с.

При перекачивании по предлагаемому способу целесообразно в воде предварительно на входе в трубопровод растворять воздух до состояния насыщения, то есть 18,2 л/м³ [Справочник по разделению газовых смесей / Гельперин И.И., Зеликсон Г.М., Рапопорт Л.Л., Изд. 2-е, прераб. - М.: Гостехиздат химической литературы, 1963, с.281]. Его вязкость μ₁=1,85·10^-5 Па·с. При нагревании пристенного слоя воды на участке за местным сопротивлением до 60°С, соответствующих верхнему пределу увеличения температуры в формуле изобретения, растворимость воздуха в воде снижается с 18,2 л/м³ до 16,0 л/м, то есть на 2,2 л/м³. Этот избыточный воздух будет образовывать пограничный воздушный слой. Его расход при толщине воздушного пограничного слоя δ=1120 мкм составит 4,4·10^-4 м³/c и такое количество его будет выделяться при нагревании всей воды с 20 до 60°С как в прототипе. Однако при одинаковых суммарных удельных затратах энергии гидравлическое сопротивление трубопровода снизится с 0,615 атм до 0,19 атм, то есть в 3,2 раза (см. пункты 9 и 12 таблицы). Если нагревать жидкость с 20 до 30°С, то есть на 10 градусов, что соответствует нижнем пределу заявляемого диапазона в формуле изобретения, то при толщине газового слоя 250 мкм перепад давления в трубопроводе будет такой же как и в способе, выбранным за прототип, но нагревать надо только 17,5% всего расхода воды у стенки и не на 40 градусов, а на 10 градусов. Соответственно суммарные удельные затраты энергии снизятся с 46,5 кВт·ч/т до 3,2 кВт·ч/т, то есть в 14,5 раз (см. пункты 11 и 12 таблицы). Расход воздуха по сравнению с прототипом снижается с 150-300 л/м³ (15÷30% объема, как в формуле изобретения по прототипу) до 18,2 л/м³, то есть в 8÷16 раз.

Результаты данных по всем трем примерам сведены в таблицу.

Таблица
Технические параметры способов транспорта жидкостей по трубопроводу
№ п/п	Перекачиваемая среда	Температура, °С	Толщина газового пограничного слоя, δ, мкм	Доля нагреваемой жидкости, обеспечивающей газовый слой	Необходимый перепад давления Δр, атм	Суммарные удельные затраты энергии Q, кВт·ч/т
		начальная tH	конечная tK
Пример 1
1	Мазут-диоксид углерода. Предлагаемый способ насыщения	25	65	290	1	0,28	16,7
2	мазута СО2 на входе в трубу до	25	50	100	0,67	0,7	7
3	концентрации 50 л/м3 и нагревание пристенного слоя мазута	25	35	20	0,27	3,6	1,1
4	Известный способ по прототипу (патент РФ №2138727, 1999 г.) Мазут предварительно нагревают и смешивают с углекислым газом до образования газожидкостной смеси с концентрацией газа 15-30%	25	65	0	1	3,6	16,8
Пример 2
5	Нефть-метан	20	60	1300	1	0,30	18,9
5	Предлагаемый	20	45	300	0,44	1,2	5,25
7	способ	20	30	12	0,03	3,8	1,23
8	Известный способ по прототипу	20	60	0	1	3,9	19,3
Пример 3
9	Вода-воздух	20	60	1120	1	0,19	46,5
10	Предлагаемый	20	45	500	0,3	0,43	9,6
11	способ	20	30	250	0,175	0,62	3,2
12	Известный способ по прототипу	20	60	0	1	0,615	46,5

Таким образом, предварительное на входе в трубопровод насыщение перекачиваемой жидкости газом позволяет по сравнению с прототипом при одинаковых суммарных удельных затратах энергии, идущих на нагревание жидкости на участках трубопровода за местными сопротивлениями, снижать перепад давления в 3,3-13 раз и этот эффект будет тем больше, чем больше вязкость перекачиваемой жидкости по сравнению с вязкостью газа, или при одинаковых перепадах давления уменьшать суммарные удельные затраты энергии на перекачивание каждой тонны жидкости в 15 раз при уменьшении объемов закачиваемого в жидкость газа, составляющем 3-8 раз.

При нагревании смеси жидкости с газом за местными сопротивлениями на среднюю величину 25 градусов от заявленного диапазона (10-40) градусов можно добиться как уменьшения гидравлического сопротивления в 1,45-3 раза, так и удельных затрат энергии в 2,4-4,8 раза по сравнению с прототипом (см. пункты 2 и 4, 6 и 8, 10 и 12 таблицы).

Способ транспорта жидкостей по трубопроводу, включающий предварительное смешение с инертным газом и подогрев смеси, отличающийся тем, что 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° выше температуры жидкости на каждом из этих участков трубопровода, обеспечивающей выделение инертного газа из жидкости с образованием газового пограничного слоя у стенки трубопровода.