Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современной технологии трубопроводного транспорта нефтепродуктов 7
1.1. Современное состояние трубопроводного транспорта нефтепродуктов 7
1.2. Последовательная перекачка нефтепродуктов прямым контактированием 13
1.3. Существующие способы уменьшения смеси 19
1.4. Анализ основных работ по теории и практике последовательной перекачки нефтепродуктов 25
1.5. Цели и задачи исследований, изложенных в диссертации 29
Глава 2. Новая технология последовательной перекачки нефтепродуктов 31
2.1. Противотурбулентные присадки, используемые для снижения коэффициента гидравлического сопротивления 31
2.2. Сущность предлагаемой технологии последовательной перекачки нефтепродуктов 42
2.3. Технологические аспекты реализации предлагаемой технологии 46
Глава 3. Теоретические основы и методы расчета параметров продольного перемешивания жидкостей в трубопроводе 49
3.1. Конвективная и турбулентная диффузии, как основные механизмы возникновения и увеличения смеси 49
3.2. Теория перемешивания Дж. Тейлора 53
3.3. Основные факторы, определяющие коэффициент продольного перемешивания 57
3.4. Критический анализ и сопоставление формул для коэффициента продольного перемешивания 60
3.5. Формула Съенитцера-Марона 66
Глава 4. Уменьшение смесеобразования в потоке нефтепродукта с противотурбулентной присадкой 71
4.1. Теория для расчета профиля осредненных скоростей жидкости в турбулентном потоке в трубе 71
4.2. Теория для расчета профиля осредненных скоростей жидкости в турбулентном потоке с противотурбулентными присадками 76
4.3. Вычисление коэффициента продольного перемешивания в потоке нефтепродукта без противотурбулентных присадок и при их наличии 83
Глава 5. Теоретические и экспериментальные исследования влияния противотурбулентных присадок на процесс смесеобразования 90
5.1. Методика проведения экспериментов по оценке влияния противотурбулентных присадок на процесс смесеобразования 90
5.2. Метрологическая обработка результатов экспериментов по исследованию влияния противотурбулентных присадок на процесс смесеобразования 98
5.3. Результаты экспериментов по исследованию влияния противотурбулентных присадок на процесс смесеобразования 100
Выводы 111
Список литературы 114
Приложения 128
Приложение 1. Патент на изобретение № 2256119 128
Приложение 2. Паспорт на полимер акриламида марки АК-631 133
Приложение 3. Паспорт на водный раствор полиакриламида марки А 605 134
Приложение 4. Паспорт на водный раствор полиакриламида марки А 305 135
- Существующие способы уменьшения смеси
- Критический анализ и сопоставление формул для коэффициента продольного перемешивания
- Вычисление коэффициента продольного перемешивания в потоке нефтепродукта без противотурбулентных присадок и при их наличии
- Результаты экспериментов по исследованию влияния противотурбулентных присадок на процесс смесеобразования
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В настоящее время в нашей стране эксплуатируется разветвленная сеть магистральных нефтепродуктопроводрв общей протяженностью более 20 тыс. км, по которым ежегодно транспортируется более 30 млн. тонн светлых нефтепродуктов, охватывая практически всю территорию центральных регионов России.
Известно, что последовательная транспортировка различных нефтепродуктов состоит в том, что эти жидкости перекачивают не по разным, а по одному и тому же трубопроводу в строго определенной последовательности. Для этого нефтепродукты (бензины, дизельные топлива, керосины и т.д.) объединяют в партии по несколько тысяч или десятков тысяч тонн и закачивают в трубопровод один за другим. Такая технология позволяет более полно загрузить трубопровод и существенно удешевить транспортировку нефтепродуктов.
Становление теории и практики последовательной перекачки нефтепродуктов связано с рядом крупнейших инженеров и ученых - в нашей стране таких, как В.А. Юфин, B.C. Яблонский, В.И. Черникин, Д.А. Черняев, М.З. Кар-пачев, А.А. Кривоносов, В.Б. Галеев, В.Ф. Новоселов, ПИ. Тугунов, Л.А. Мац-кин, М.В. Лурье, В.И. Марон, С.Н. Никифоров, М.В. Нечваль и многих других, а за рубежом - М.Д. Середюк, К.Д. Фролов, И.Х. Хизгилов, Дж. Тейлор, О. Ле-венспил, Ф. Съенитцер и др., поэтому теория последовательной перекачки нефтепродуктов к настоящему времени достаточно хорошо разработана.
Главным недостатком последовательной перекачки является образование смеси транспортируемых жидкостей в зоне их контакта. Впоследствии образовавшаяся смесь добавляется к исходным нефтепродуктам, влияя (хоть и незначительно) на их физико-химические свойства, в т.ч. на фракционный состав. Количество одного нефтепродукта, добавляемого к другому, строго регламентируется технологическими нормами и правилами.
Если перекачивают одноименные нефтепродукты, например, различные сорта бензинов или дизельных топлив, то фракционный состав каждого из ука-
4 занных топлив меняется незначительно, поэтому "раскладка" их смеси не представляет значительной трудности. Однако, если последовательно перекачиваются существенно различные нефтепродукты, например, бензины и дизельные топлива, то раскладка их смеси требует гораздо больших ресурсов исходных топлив.
Актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью разработки новых технологий последовательной перекачки, уменьшающих смесеобразование в области контакта партий разносортных нефтепродуктов.
Цель диссертационной работы. Усовершенствовать технологию последовательной перекачки разносортных нефтепродуктов в направлении уменьшения смесеобразования и, соответственно, улучшения качества транспортируемых топлив.
Основные задачи исследования. Для реализации поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
предложена усовершенствованная технология последовательной перекачки разносортных нефтепродуктов на основе использования малых противо-турбулентньгх присадок;
исследован механизм влияния противотурбулентных присадок на смесеобразование при последовательном вытеснении одного нефтепродукта другим;
выполнены теоретические исследования уменьшения смесеобразования за счет использования противотурбулентных присадок и предложен инженерный метод расчета этого эффекта;
выполнены экспериментальные исследования процесса смесеобразования разных жидкостей с буферной пробкой, содержащей противотурбулент-ную присадку, для подтверждения предлагаемой технологии.
Научная новизна работы. Новизна диссертационного исследования состоит в том, что предлагается видоизмененная технология последовательной перекачки. Предложено последовательно перекачивать разносортные нефтепродукты с разделительной пробкой, образованной из исходных нефтепродуктов с введенной в них малой противотурбулентной присадкой.
Подобный способ ранее не предлагался и является оригинальным. Решением Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации от 10 декабря 2003 г. этот способ защищен Патентом на изобретение Ш 2256119 "Способ последовательной перекачки разносортных нефтепродуктов". Новыми и оригинальными являются научные разработки, относящиеся к расчетам эффекта сокращения смеси при введении противотурбулентных присадок в зону контакта партий последовательно перекачиваемых разносортных нефтепродуктов.
Практическая ценность работы. Результаты выполненных исследований позволяют уменьшить объем смеси нефтепродуктов, образующейся при последовательной перекачке прямым контактированием. Предложенная в диссертации технология позволит увеличить годовое число циклов последовательной перекачки и загрузить нефтепродуктопроводы в большей степени, чем это имело место до сих пор.
По результатам выполненных исследований на защиту выносятся:
-усовершенствованная технология последовательной перекачки нефтепродуктов;
-теоретические доказательства действенности предлагаемой технологии;
-экспериментальная проверка выдвинутых утверждений;
-теория для инженерных расчетов.
Предложенная в работе технология может быть рекомендована к применению в компании ОАО "АК 'Транснефтепродукт" для последовательной перекачки различных сортов дизельного топлива, а также дизельных топлив и бензинов.
Апробация работы. Исследования, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
Научная конференция аспирантов, молодых преподавателей и научных сотрудников "Молодежная наука нефтегазовому комплексу". РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. М., 30-31 марта 2004 г.;
Международная конференция "Фундаментальные проблемы разработки нефтегазовых месторождений, добычи и транспортировки углеводородного сырья". РАН. Институт проблем нефти и газа. М., 24-26 ноября 2004 г.;
6-ая научно-техническая конференция, посвященная 75-летию Российского государственного университета нефти и газа им. И.М, Губкина "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России". РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. М., 26-27 января 2005 г.;
6-ая научно-техническая конференция молодежи ОАО "АК 'Транснефть" по секции "Проектирование, эксплуатация и технология капитального ремонта магистральных нефтепроводов", М., 21-23 октября 2005 г.
Публикации. По результатам научных исследований, изложенных в диссертации, опубликовано 7 работ, в т.ч. 1 статья в реферируемом журнале и получен 1 Патент РФ на изобретение.
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из 5 глав с выводами, 22 рисунков, 13 таблиц, 4 приложений на 8 страницах, перечня использованной литературы из 138 наименований.
Существующие способы уменьшения смеси
Особое направление в последовательной перекачке составляет поиск таких технологий транспортировки нефтепродуктов, при которых объем смеси, образующейся при их контакте, был бы минимальным. В общем случае, сущность такой технологии сводится к тому, чтобы поместить на границу контакта последовательно вытесняющих друг друга партий разделительное устройство, которое двигалось бы со средней скоростью потока, отделяя один нефтепродукт от другого, и являлось, по сути, подвижной перегородкой между ними. В целом, все предложенные конструкции можно свести к двум типам: механические и жидкостные.
К механическим разделительным устройствам относятся жесткие и эластичные разделители простой (состоящие из одного тела) и сложной (состоящие из нескольких тел) конструкции. Количество таких конструкций так велико, что можно дать им только самую общую характеристику.
Разделители жесткой конструкции (рис. 1.1) представляют собой металлический стержень или цилиндр с укрепленными на нем дисками, манжетами или другими уплотнительными элементами. Диаметр этих уплотни-тельных элементов больше внутреннего диаметра трубы, за счет чего обеспечивается плотный контакт элементов с ее внутренней поверхностью. Уплот-нительные элементы выполнены из упругих материалов (резины, полиуретана и т.п.), способны изменять свою форму при движении в трубе и обеспечивать надежный контакт с ее внутренней поверхностью.
Разделители эластичной конструкции представляют собой упругие тела, способные изменять размеры в зависимости от сужений или расширений поперечного сечения трубопровода, в котором они движутся.
Первый механический разделитель для отделения одного нефтепродукта от другого был впервые применен в начале 50-х годов. Он представлял собой металлический стержень, на котором были закреплены плотно прилегающие к внутренней поверхности трубы диски. Спустя несколько лет вместо дисковых разделителей стали применять манжетные, также имеющие жесткую металлическую основу, на которой были закреплены выполненные из эластичных материалов манжеты.
Дисковые, манжетные, а также разделители других типов с жесткой конструкцией не нашли широкого применения в трубопроводном транспорте нефтепродуктов, что поясняется следующими причинами:
- ограниченная проходимость по трубопроводам, в которых всегда существуют различные суженные участки, выступы, отводы и т.д.;
- сложность автоматизации их запуска в зону контактирования;
- трудности при прохождении через насосные станции.
Данные недостатки жестких разделителей послужили основой для создания разделителей эластичного типа, наиболее известной и распространенной конструкцией которых являются шаровые разделители (рис. 1.2).
Шаровые разделители считались в одно время одним из самых перспективных направлений и проходили множество опытно-промышленных испытаний на отечественных нефтепродуктопроводах. Благодаря упругим свойствам и особой проходимости они легко проходят крутые повороты, сужения, запорную арматуру и другие препятствия внутри трубопровода. Операции по их запуску в трубопровод могут быть автоматизированы. Износ таких разделителей в 10-15 раз меньше, чем у дисковых и манжетных разделителей, а для их движения требуется весьма малый перепад давлений.
Кроме прочего, шаровые разделители позволяют проводить регулярную ревизию внутренней полости трубопровода, в частности, очищать ее от всевозможных отложений и пробок. В этом своем качестве шаровые разделители хорошо зарекомендовали себя на практике.
Существует множество работ, посвященных теории и практике использования шаровых разделителей. Следует отметить следующих отечественных авторов исследований: В.А. Юфина [58-59, 115, 119], B.C. Яблонского [117-119], В.И.Черникина [43,44,110], З.Ф. Каримова [42-44], М.Э Шварца [56-57, 112-114], В.И. Марона [54-55, 58-59], М.В. Лурье [40, 53, 55-59] и других. За рубежом большой вклад внесли М. Баррет [123], М. Франклин [124], М. Кнапп [128-129] и прочие.
Начиная примерно с 1970-х г.г. и в течение следующего десятилетия на отечественных нефтепродуктопроводах проводились масштабные испытания шаровых резиновых разделителей для бензинов и дизельных топлив.
Под руководством М.Э. Шварца проводились испытания на нефтепро-дуктопроводе "Куйбышев-Самара-Брянск" протяженностью около 1000 км и имеющем 8 промежуточных перекачивающих станций. Разделители запускались в трубопровод по одному и по несколько штук в зону контакта последовательно движущихся партий нефтепродуктов. Полученные результаты подробно изложены в работах М.Э. Шварца [56-57, 112-114], В.И. Марона [54-55,58-59], М.В. Лурье [41, 53, 55-59].
Однако оказалось, что существуют объективные причины, по которым практические результаты сильно отличались от тех, которые были предсказаны в теории. В частности, сокращение смеси зачастую было либо незначительным, либо отсутствовало вовсе. Причина состояла в том, что очень сложно оказалось достичь желаемой синхронности движения разделителей и потока жидкости, так как перепад давления, возникающий на разделителе, вызывал интенсивные перетоки жидкости через зазор между поверхностью разделителя и внутренней поверхностью трубопровода. Этому способствовала как естественная шероховатость, так и непостоянство диаметра труб, из которых сооружен сам трубопровод. В итоге разделители отставали от потока и оказывались вне области смеси. Стоит отметить, что к таким же результатам пришли и зарубежные исследователи, поэтому за границей, как и в нашей стране, шаровые разделители используют не для разделения нефтепродуктов, а для очистки внутренней полости труб от отложений и пробок.
В течение многих лет предлагались жидкостные разделительные пробки, которые должны находиться между контактирующими нефтепродуктами и, двигаясь в зоне контакта, не давать им перемешиваться (рис. 1.3).
В 1939 году в СССР были проведены первые опыты по последовательной перекачке с водяными пробками на нефтепродуктопроводе "Баку-Батуми" протяженностью 683 км, результаты которых оказались отрицательными вследствие растекания воды по длине трубопровода под воздействием силы тяжести. Организация последовательной перекачки с водяной пробкой также оказалась более сложной, чем перекачка прямым контактированием.
Существуют различные предложения по составу жидкостей, использование которых предполагается в качестве разделительных пробок, причем особое распространение среди них получили гелеобразные разделители, удерживающие свою форму и не "расползающиеся" по длине трубопровода.
В частности, представляет интерес использование жидкостного разделителя, состоящего из загущенной среды, обладающего высокой консистент-ностью и неньютоновскими свойствами. Механизм его влияния на смесеобразование иной, нежели у буферных пробок из нефтепродуктов. Профиль скорости в загущенной жидкости, а также вблизи нее, более плоский, чем в основном потоке, из-за чего существенно уменьшается продольное перемешивание в зоне контакта. Однако до промышленного использования эти разделители не дошли по причине своего несовершенства.
При перекачке двух разных нефтепродуктов перспективным представляется использование жидкостных разделителей из третьего нефтепродукта, основным преимуществом которого является большая совместимость по своим свойствам с каждым из нефтепродуктов перекачиваемых партий, чем они совместимы между собой [42, 52-54, 59].
При использовании буферной жидкостной разделительной пробки эффект уменьшения количества смеси обусловлен следующими причинами:
- несовместимые продукты из различных партий некоторое время вообще не контактируют друг с другом, так как перемешивание происходит только в зонах контакта буферной пробки и перекачиваемых жидкостей;
- по мере движения жидкостная буферная пробка рассасывается, а на ее месте образуется смесь перекачиваемых нефтепродуктов, в которой имеется некоторое количество буферной жидкости.
Последовательная перекачка с буферной пробкой систематически осуществляется на нефтепродуктопроводе "Рейн - Майн". Применяемые на нем буферные пробки состоят из керосина или платформинг-бензина, причем керосин применяется между дистиллятами и бензинами, а также между средними дистиллятами и химическими продуктами.
Разновидностью жидкостных разделителей, использование которых не имеет противопоказаний, и поэтому осуществимо, являются разделительные пробки из смеси перекачиваемых нефтепродуктов, образовавшихся в предыдущих циклах перекачки. При последовательной перекачке, прежде всего бензинов и дизельных топлив их смесь, образовавшуюся ранее, можно использовать как буферную пробку для дальнейшей транспортировки.
Эффективность использования буферной пробки зависит от ее размеров и степени совместимости с перекачиваемыми нефтепродуктами. С одной стороны, если размеры буферной пробки будут слишком малы, то эффект уменьшения смеси будет невелик. С другой стороны, если использовать буферную пробку слишком большой длины, это может привести к увеличению некондиционной смеси за счет самой буферной пробки, как третьего нефтепродукта, т.е. должны существовать оптимальные размеры жидкостного разделителя, при котором достигается наибольший эффект.
Критический анализ и сопоставление формул для коэффициента продольного перемешивания
Теория Тейлора сформировала теоретическую базу для всех дальнейших исследований процесса смесеобразования. Однако, несмотря на все ее достоинства, до конца изучены не все моменты процесса смесеобразования -и, прежде всего, определение эффективного коэффициента диффузии, от которого зависит распределение средней в сечении трубы концентрации и размеры области смеси. Рассмотрим предложенные различными исследователями методы определения эффективного коэффициента диффузии (коэффициента продольного перемешивания).
Метод определения эффективного коэффициента по длине и объему области смеси. Пусть распределение концентрации в области смеси описывается автомодельным решением уравнения (3.11), зависящим только от одной переменной следующего вида
В каждый момент времени длина области смеси определяется как разность между координатой начала зоны смеси Xj и координатой конца зоны
В момент подхода середины области смеси к конечному пункту длина области смеси и ее объем Vc будут, соответственно
Практически длину зоны смеси выделяют указанием диапазона из концентрации (1-99 %, 2-98 %, 10-90 % и т.д.), поэтому необходимо знать зависимость c = c(z) = c(x,t). Если пределы концентрации симметричны, то формулы приобретают вид:
Формулы (3.28) и (3.29) могут быть использованы, если длина области смеси и ее объем найдены экспериментальным путем
Недостаток данного метода заключается в том, что распределение концентрации отличается от автомодельного по ряду причин, таких как наличие первичной технологической смеси, вымывание нефтепродуктов из тупиковых отводов. Кроме того, распределение концентрации в области смеси несимметрично из-за сильно вытянутого "хвоста" зоны смеси, а также трудностей в определении той зоны, где находится смесь.
Метод определения эффективного коэффициента по дисперсии кривой распределения концентрации. В зоне контакта последовательно движущихся жидкостей дисперсия распределения концентрации имеет вид
Дисперсия может быть связана с коэффициентом диффузии. Опуская математические преобразования, запишем выражение для эффективного коэффициента
По рассмотренному методу получена экспериментальная зависимость U0-d Re Re0 455 Недостаток данного метода состоит в том, что при экспериментальном определении концентрации наибольшие погрешности имеются в начале и конце смеси. Эти погрешности могут оказать существенное влияние на результат расчетов, так как при вычислении интегралов в выражении (3.32) концентрация умножается на большие значения множителя 2.
Метод определения эффективного коэффициента по количеству одной жидкости, попавшей в другую. Этот способ не обладает недостатками ранее изложенных методов и связан с вычислением интегральной характеристики распределения концентрации в потоке, равной суммарному количеству одной жидкости, попавшей в другую:
Для того чтобы определить коэффициент К, необходимо экспериментальным путем найти величины J и J0 для первичной смеси, которая образуется в момент времени t. Для этого на конце трубопровода х = L экспериментально отмечается точка, соответствующая концентрации 50%. Тогда величина = L - U0 t или: L-U0.t0-U0.(t0) = L-U0.t0-U0.i (3.37)
Приняв за начало отсчета t0 =—, получим = -U0 -т. Формула (3.39) была получена для определения эффективного коэффициента Кэ для условий перекачки по нефтепродуктопроводу "Куйбышев -Брянск", причем кривые распределения концентрации обрабатывались как на головных, так и на промежуточных станциях. К недостаткам формулы следует отнести, пожалуй, то, что при ее выводе формулы предполагалась автомо-дельность распределения концентрации.
Метод определения эффективного коэффициента по моделирующим функциям. Этот метод описан в связи с определением параметров нефтяного пласта по результатам измерения давления. Он основан на почленном интегрировании слагаемых дифференциального уравнения, которые предварительно умножаются на некоторые моделирующие функции. Эти функции подбираются так, чтобы при почленном интегрировании слагаемых избавиться от производных по временным и пространственным координатам.
Эффективный коэффициент диффузии при последовательной перекачке нефтепродуктов с разной вязкостью зависит от концентрации. Пусть, эта зависимость описывается следующим соотношением
Приведенные зависимости охватывают диапазон чисел Рейнольдса Re 10 000, так как большинство из них было получено при обработке результатов смесеобразования при последовательной перекачке.
Приведенные методы позволяют рассчитывать эффективный коэффициент диффузии в зонах контакта жидкостей с одинаковыми или близкими плотностями и вязкостями. В настоящее время по трубопроводам транспортируются разносортные нефтепродукты, которые обладают различными физико-химическими свойствами. Поэтому перейдем к рассмотрению современной теории перемешивания последовательно перекачиваемых жидкостей.
Вычисление коэффициента продольного перемешивания в потоке нефтепродукта без противотурбулентных присадок и при их наличии
Для описания процесса смесеобразования в зоне контакта последовательно движущихся партий нефтепродуктов используется одномерная диффузионная модель продольного перемешивания. Основным уравнением этой модели является уравнение для расчета кривой с(х, t) распределения концентрации вытесняющего нефтепродукта (рис. 4.7) в смеси. Вид этой кривой позволяет выявить все особенности процесса смесеобразования.
Существует дифференциальное уравнение объемного баланса вытесняющего продукта в смеси, которое показывает, что любое изменение количества вытесняющей жидкости в области между любыми сечениями трубопровода равно разности количеств этой жидкости, втекающей через первое сечение и вытекающей через второе:
Для того чтобы построить математическую модель смесеобразования и решить уравнение (4.20), необходимо выявить закономерности массообмена в области смеси, то есть указать связь объемного расхода q(x,t) вытесняющей жидкости с параметрами распределения ее c(x,t) концентрации в потоке. Зная, что встречные потоки жидкости переносят через сечение х подвижной системы координат и впередиидущую, и позадиидущую жидкости, можно получить уравнение для объемного расхода [12]:
Длины lj и 12 - длины путей продольного перемешивания; они равны расстояниям, на которых турбулентная диффузия перемешивает вторгающуюся во впереди идущую жидкость примесь по сечению трубопровода.
Перейдем к описанию решения задачи по определению объема образующейся смеси [53].
Задача сформулирована следующим образом: по трубопроводу (длина L, внутренний диаметр d) ведется последовательная перекачка двух нефтепродуктов, причем позади идущий продукт №2 вытесняет впереди идущий продукт №1 с постоянной скоростью перекачки U0. В начальный момент времени (t=0) жидкости располагались таким образом, что справа от начала координат в трубопроводе находился продукт №1 (концентрация вытесняющей жидкости в ней с=0), а слева от начала координат - продукт №2 (с=1), при этом смесь между ними отсутствовала. Определить, как возникает и развивается смесь в зоне контакта нефтепродуктов, т.е. найти распределение концентрации вытесняющей жидкости и определить объем смеси. Начальными условиями задачи являются:
На рис. 4.9 показано, как меняется концентрация вытесняющей жидкости в зависимости от координаты х в подвижной системе отсчета для различных моментов времени.
В начальный момент времени (t=0) она имеет вид ступеньки, т.е. жидкости располагались таким образом, что справа от начала координат в трубопроводе находился продукт № 1 (концентрация вытесняющей жидкости в ней с=0), а слева от начала координат - продукт № 2 (с=1), при этом смесь между ними отсутствовала. Затем, с ростом t при t 0, появляется зона плавного перехода от концентрации вытесняющей жидкости с=1 до с=0, которая постепенно расширяется.
Стоит отметить, что данная теоретическая кривая имеет два существенных недостатка:
1. В рамках принятой модели получается, что смесь как будто мгновенно распространяется на всю область трубопровода. Этот эффект является результатом несовершенства модели, однако стремление концентрации к 1 слева и к 0 справа происходит так быстро, что зона, в которой происходит переход от одной жидкости к другой, имеет ограниченные размеры.
2. Кривая распределения концентрации вытесняющей жидкости оказывается симметричной, хотя практика показывает, что кривая имеет небольшую асимметрию, существенным образом зависящую от порядка следования жидкостей и соотношения их плотностей. Однако данная симметрия, в большинстве случаев невелика и данное распределение концентрации хорошо согласуется с наблюдаемым в трубопроводах.
Область смеси определяется, как та область, в которой концентрации нефтепродуктов находятся в диапазоне от 0 до 1, т.е. О c(x,t) 1. Для того, чтобы исключить указанный выше недостаток данной модели, по которой область смеси получается бесконечной, смесь определяют в некоторых пределах концентрации: с« c(x,t) с», где с и с - верхний и нижний пределы концентрации. Причем, если с =1-с , то смесь определяют в симметричных пределах концентрации, например от 0,01 до 0,99 (см. рис 4.6).
Из этой формулы следует, что длина области смеси увеличивается пропорционально vt, т.е. темпы роста смеси неодинаковы во времени. Наибольшее количество смеси образовывается в начальный момент перекачки, но затем эта образовавшаяся смесь начинает играть роль буфера между исходными жидкостями, и, таким образом, скорость их вовлечения в процесс смесеобразования уменьшается.
Как уже отмечалось выше, часто длину смеси определяют в симметричных пределах концентрации, тогда формула для длины смеси имеет вид:
Из этой формулы следует, что объем области смеси увеличивается по мере роста пройденного смесью расстояния L перекачки
В теоретических моделях, в которых коэффициент К не зависит от протяженности трубопровода, объем смеси пропорционален VL, т.е. квадратному корню из расстояния, пройденного смесью.
В формулах (4.21)-(4.23) представлены закономерности массообмена в области смеси и указана связь объемного расхода q(x, t) вытесняющей жидкости с параметрами распределения ее c(x,t) концентрации в потоке. Данные уравнения позволяют вычислять коэффициент продольного перемешивания для жидкостей, перекачиваемых методом прямого контактирования.
Очевидно, что если в поток перекачиваемых последовательно жидкостей введена противотурбулентная присадка, то коэффициент продольного перемешивания будет меньше, чем при отсутствии противотурбулентной присадки.
Результаты экспериментов по исследованию влияния противотурбулентных присадок на процесс смесеобразования
В таблице 5.2 приведены общие данные для всех серий проведенных экспериментов по оценки влияния противотурбулентных присадок (на примере полиакриламида) на процесс смесеобразования.
Первоначально рассмотрим результаты первого эксперимента, проведенного по схеме перекачки с "буферной пробкой" из насыщенного раствора поваренной соли NaCl (рис. 5.1 а).
Для определения влияния ПАА на количество образующейся смеси было проведено три варианта эксперимента с ПАА марки АК 631:
- без ПАА;
- с концентрацией 25 мл ПАА на 1 л насыщенного раствора NaCl;
- с концентрацией 50 мл ПАА на 1 л насыщенного раствора NaCl. Все три варианта данного эксперимента проводились при температуре перекачиваемых жидкостей 19С, расход составлял 0,206 л/с, число Рейнольдса для воды составляет 13400 (при кинематической вязкости v=l,03 сСт, таблица 5.1), для насыщенного раствора соли NaCl - 6630 (при кинематической вязкости v=2,08 сСт, таблица 5.1), объем «буферной пробки» V=1559 мл (см. описание схемы эксперимента, рис. 5.1).
По результатам замера объема и плотности смеси в емкостях лотка-приемника, строятся кривые распределения концентрации насыщенного раствора соли NaCl в смеси, полученной в результате перекачки с "буферной пробкой" (т.е. последовательного вытеснения сначала воды раствором, а потом, соответственно, раствора водой).
В таблице 5.3 приведены итоговые результаты проведенной серии экспериментов № 1 (с "буферной пробкой") по оценки влияния противотурбу-лентных присадок (на примере ПАА) на процесс смесеобразования при различной концентрация ПАА в насыщенном водном растворе соли NaCl.
Общий график распределения концентрации раствора соли NaCl при перекачке воды с "буферной пробкой" для всех трех вариантов эксперимента, соответствующей схеме рис.5.2 (а), приведен на рис. 5.4. Точками показаны фактические (экспериментальные) значения плотности смеси, а сплошными линиями (для варианта перекачки без ПАА - пунктирной) - их "сглаженные" зависимости, вычисленные по методике, предложенной в [94].
По результатам обработки экспериментальных данных видно, что средние квадратичные погрешности для трех случаев эксперимента сильно отличаются между собой, поэтому уменьшение количества образующейся смеси будем сравнивать с максимальным значением СКП (35,7 мл).
Отсюда следует, что в серии экспериментов № 1 эффект добавления противотурбулентных присадок в поток перекачиваемых жидкостей является значимым только для концентрации ПАА 50 мл на 1 л, так как отношение уменьшение объема образующейся смеси к СКП составляет 3,5. Для концентрации ПАА 25 мл на 1 л влияние ПАА не является достоверным, т.к. то же соотношение составляет всего 1,9.
Рассмотрим результаты второго эксперимента, проведенного по схеме перекачки, указанной на рис. 5.1 (б) при последовательном вытеснении воды насыщенным водным раствором соли NaCl и, наоборот, вытеснении насыщенного раствора соли NaCl водой. Данная серия экспериментов проводилась с ПАА марки А 605 в следующей последовательности:
1. без ПАА:
- насыщенный водный раствор соли NaCl вытесняет воду (рис. 5.2. б);
- вода вытесняет насыщенный водный раствор соли NaCl (рис. 5.2. в);
2. с концентрацией 10 мл ПАА на 1 л насыщенного раствора NaCl:
- насыщенный водный раствор соли NaCl вытесняет воду (рис. 5.2. б);
- вода вытесняет насыщенный водный раствор соли NaCl (рис. 5.2. в);
В целях повышения точности экспериментальных данных каждый вариант эксперимента проводился 2 раза.
Все варианты данного эксперимента проводились при (см. таблицу 5.2) температуре перекачиваемых жидкостей 14С, расход составлял 0,345 л/с, число Рейнольдса для воды составляет 19750 (при кинематической вязкости v=l,17 сСт, таблица 5.1), для насыщенного раствора соли NaCl - 9590 (при кинематической вязкости v=2,41 сСт, таблица 5.1).
В таблице 5.4 приведены итоговые результаты проведенной серии экспериментов № 2 по оценки влияния противотурбулентных присадок (на примере полиакриламида) на процесс смесеобразования.
Построенные аналогично предыдущему эксперименту кривые распределения концентрации раствора соли NaCl в смеси при вытеснении им воды, и вытеснении его водой приведены на рис. 5.5 (а, б) соответственно.
В серии экспериментов № 2 для концентрации ПАА 10 мл на 1 л эффект добавления противотурбулентных присадок в поток перекачиваемых жидкостей является значимым, так как отношение уменьшения объема образующейся смеси к СКП составляет от 5,6 до 8,1.
Перейдем к результатам третьего эксперимента, также проведенного по схеме перекачки, указанной на рис. 5.1 (б), и аналогичного предыдущей серии экспериментов. Так же как и в предыдущей серии экспериментов, каждый вариант эксперимента проводился по 2 раза.
Отличием данного эксперимента от описанного выше заключается лишь в том, что данная серия экспериментов проводилась с ПАА марки А 305 в аналогичной предыдущему эксперименту последовательности:
1. без ПАА:
- насыщенный водный раствор соли NaCl вытесняет воду (рис. 5.2. б);
- вода вытесняет насыщенный водный раствор соли NaCl (рис. 5.2. в);
2. с концентрацией 10 мл ПАА на 1 л насыщенного раствора NaCl:
- насыщенный водный раствор соли NaCl вытесняет воду (рис. 5.2. б);
- вода вытесняет насыщенный водный раствор соли NaCl (рис. 5.2. в); Все варианты данного эксперимента проводились при (см. таблицу 5.2) температуре перекачиваемых жидкостей 18С, расход составлял 0,400 л/с, число Рейнольдса для воды составляет 25290 (при кинематической вязкости v=l,06 сСт, таблица 5.1), для насыщенного раствора соли NaCl - 12520 (при кинематической вязкости v=2,14 сСт, таблица 5.1).
В таблице 5.5 приведены итоговые результаты проведенной серии экспериментов № 3 по оценки влияния противотурбулентных присадок (на примере полиакриламида) на процесс смесеобразования.
Построенные аналогично предыдущему эксперименту кривые распределения концентрации раствора соли NaCl в смеси при вытеснении им воды, и вытеснении его водой приведены на рис. 5.6 (а, б) соответственно.
В серии экспериментов № 3 эффект добавления противотурбулентных присадок в поток перекачиваемых жидкостей также является значимым для концентрации ПАА 10 мл на 1 л, так как отношение уменьшения объема образующейся смеси к СКП составляет от 8,3 до 15,4.
