Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса разогрева и слива нефтепродуктов и пути интенсификации разгрузочных процессов 12
1.1 .Особенности технологии разогрева и слива нефтепродуктов из железнодорожных цистерн 12
1.2. Анализ существующих методов и устройств для разогрева нефтепродуктов 16
1.3. Классификация методов и средств разогрева и слива вязких нефтепродуктов 26
1.4. Выводы и задачи исследования 33
Глава 2. Экспериментальное исследование процесса разогрева и слива вязких жидкостей 35
2.1. Исследование гидродинамики процессов разогрева и слива при применении размывающих устройств 35
2.2. Основные методы измерений на экспериментальных лабораторных стендах 43
2.3. Исследование процессов разогрева и слива на опытно-промышленной установке 52
2.4. Результаты стендовых исследований 59
Глава 3. Гидродинамика и тепломассообмен в вязких жидкостях при применении гидромониторов с многосопловыми насадками . 61
3.1. Гидродинамические особенности слива вязких нефтепродуктов 61
3.2.Оценка влияния гидродинамики и теплообмена на эффективность циркуляционного разогрева 64
3.3. Определение параметров слива при расчете теплового баланса циркуляционной системы разогрева 68
3.4. Применение теории затопленных струй для расчета процесса разогрева вязких сред 76
3.5. Анализ гидродинамики и теплообмена по результатам экспериментальных исследований 87
3.6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований 95
Глава 4. Экономическая эффективность мероприятий по безостаточному сливу нефтепродуктов из железнодорожных цистерн 97
4.1. Основные подходы к решению эколого-экономических задач 97
4.2. Оценка экономической эффективности предложенной технологии 99
4.3. Технико-экономические показатели слива нефтепродуктов из железнодорожных цистерн 102
4.4. Результаты экономических исследований 105
Заключение 111
Литература 114
Приложение 123
- Анализ существующих методов и устройств для разогрева нефтепродуктов
- Основные методы измерений на экспериментальных лабораторных стендах
- Применение теории затопленных струй для расчета процесса разогрева вязких сред
- Результаты экономических исследований
Введение к работе
Актуальность. Нефть является одним из невосполнимых природных ресурсов, и в процессе добычи, транспортировки, переработки и потребления, соприкасаясь с окружающей средой, загрязняет ее. Защита окружающей среды от вредного влияния нефтепродуктов в настоящее время является одной из главнейших задач и человек имеет все возможности для того, чтобы любая технология, применяемая на производстве, стала безвредной для окружающей среды.
Разгрузка нефтепродуктов из железнодорожных цистерн является с одной стороны сложным, энергозатратным и трудоемким процессом, с другой стороны этот процесс оказывает вредное воздействие на окружающую среду за счет испарений, разлива, загрязнения сточных вод и территории нефтебаз.
Для оптимизации процессов разогрева и слива, являющихся основными при разгрузке нефтепродуктов, как с экологической, так и технологической точки зрения, необходимо учитывать многочисленные факторы, влияющие на время слива и энергетические затраты, характерные для рассматриваемых процессов. Прежде всего, на процессы теплообмена и массообмена, происходящие в устройствах, обеспечивающих проведение разгрузочных работ, влияют свойства нефтепродуктов. При этом необходимо учитывать также конструктивные особенности устройств, осуществляющих разогрев и слив нефтепродуктов.
Вопросам тепломассообмена в вязких жидкостях посвящены работы Лыкова А.В., Коробцова И.Н., Губина В.Е., Кардовского М.А., Михеева И.М., Кичигина М.А., Колпакова Л.Г., Петухова Т.С., Геллера З.И. и др.
В этих трудах представлены общие закономерности, описывающие процессы, происходящие при технологических операциях разгрузочных работ.
Теория истечения жидкостей и газов через различные сопла, в том числе в форме затопленных струй, достаточно подробно изложены в работах Асатуряна А.П., Альтшуля А.Д., Вильжера Д.С., Лойцянского Л.Г., Сизова Г.Н., В.П. Кашкарова, Вулиса Л.А., Абрамовича Г.Н.,. Акатнова Н.И. и др.. Процессам математического моделирования и оптимизации технических, экономических и технологических показателей различных установок для разогрева и слива вязких жидкостей посвящены работы Гордина И.В., Найденко П.В., Филиппова Т.А, Белосельского Б.С.. и др. Однако, с учетом реальных условий, свойственных разогреву вязких нефтепродуктов при применении многосопловых насадок, имеющихся в литературе модельных решений не достаточно для получения -достоверного описания процессов разогрева и слива.
Настоящая работа посвящена усовершенствованию технологии слива нефтепродуктов, экспериментальному и физическому моделированию
процессов разогрева и слива, а также решению оптимизационных задач, способствующих интенсификации природоохранных мероприятий по сокращению твердых и жидких остатков, образующихся при транспортировке и разгрузке нефти и нефтепродуктов.
Цель работы: разработка безотходных и экологически приемлемых технологий в разгрузочных работах, снижение загрязнения окружающей среды и повышение эффективности теплового хозяйства предприятий. Предлагаемые технологии основаны на использовании активных методов интенсификации течения вязких нефтепродуктов за счет различных возмущающих воздействий, создаваемых в проточной части разработанных насадочных устройств, способствующих размыванию твердых остатков и уменьшению обводнения нефтепродукта.
Задачи, которые решены для достижения поставленной цели:
-
Проведен анализ информации о существующих известных методах слива нефтепродуктов, классифицированы приспособления для их разогрева, рассмотрены способы интенсификации истечения среды через насадочные устройства с учетом уменьшения вредного влияния технологических процессов на окружающую среду.
-
Выполнены экспериментальные исследования экологически приемлемых и ресурсосберегающих технологий слива нефтепродуктов, обеспечивающих слив с минимальным энерго- и водопотреблением.
-
Теоретически и экспериментально обоснованы конструкции средств слива нефтепродуктов, обеспечивающих наиболее полный слив с наименьшей затратой времени.
-
Определены режимы работы размывающих устройств с учетом влияния взаимосвязанных процессов теплопередачи и массообмена в объеме нефтепродукта.
-
Дана экономическая оценка эффективности использования предлагаемых технологических процессов разогрева и слива нефтепродуктов.
Научная новизна работы.
-
Научно обоснованы и классифицированы способы эффективного слива нефтепродуктов, выявлены факторы, влияющие на рациональное использование тепловой энергии при осуществлении разгрузочных процессов на нефтебазах.
-
Впервые предложены эффективные конструкции размывающих устройств (насадок) для системы слива, способствующие^ интенсификации гидродинамических и тепломассообменных процессов.
-
Обобщены полученные на экспериментальных установках опытные данные тепломассообмена, что позволило установить оптимальные параметры, характеризующие процессы разогрева и слива как наиболее энергоемкие и загрязняющие окружающую среду в разгрузочных операциях нефтебаз.
-
Предложены технологические и экономические критерии осуществления производственных процессов с одновременным решением эколого-энергетических проблем нефтебаз.
Практическая ценность работы:
-
Предложены оригинальные конструкции размывающих устройств, обеспечивающие базостаточный слив нефтепродукта с минимальными затратами времени.
-
Выявлены режимные факторы, обеспечивающие осуществление закрытого слива в разгрузочных процессах и позволяющие снизить водо- и теплопотребление на нефтебазах.
-
Рекомендованы технологические и экономические критерии улучшения технологических процессов, используемых для проектно-конструкторских работ в отраслевых предприятиях.
Основные положения, выносимые па защиту:
-
Обеспечивается безостаточный слив нефтепродуктов, связанный с рациональным использованием природных ресурсов и сокращением теплопотребления в разгрузочных процессах при применении на нефтебазах циркуляционного метода разогрева и слива.
-
Использование размывающих устройств в виде многосопловых насадок позволяет применить на нефтебазах высоко эффективный, экологически безопасный способ слива с одновременным сокращением энергетических затрат и уменьшением объема вредных выбросов в атмосферу.
-
Математическое моделирование технологических^ процессов слива и разогрева с учетом конструктивных параметров размывающих устройств применяется как эффективный метод решения важной задачи по повышению эколого-экономических показателей предприятия и снижению вредного воздействия на окружающую среду.
-
Определение экономической эффективности предлагаемых технических и технологических решений возможно только при комплексном подходе к внедрению природоохранных мероприятий, осуществляемых на нефтебазах.
Реализация результатов работы:
1. Разработаны технические предложения по реконструкции эстакады слива вязких нефтепродуктов на нефтебазах Г.Г.Владивостока, Находки, Спасска-Дальнего (представлены в Приморское управление Госкомнефтепродукта РФ для внедрения).
-
Предложены и переданы на предприятия для дальнейшего использования технические решения по разогреву и сливу масел и мазутов из резервуаров на нефтебазе г.Находка (ОАО «Роснефть-Находка-нефтепродукт»).
-
Разработан и внедрен стенд на фронте слива вязких нефтепродуктов нефтебазы г.Владивостока для отработки технологии слива через нижний сливной прибор.
-
Материалы исследований используются в учебном процессе при организации курсового проектирования по дисциплине «Жилищно-коммунальное хозяйство».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
II всесоюзной конференции «Теплофизика и гидродинамика процессов кипения и конденсации» (Рига, 1988), на научно-технической конференции «Вологдинские чтения» ДВГТУ (Владивосток, 1998.); российской конференции «Автономная и нетрадиционная энергетика» ДВО РАН (Владивосток, 1998);; на региональной научно-технической конференции «Приморские зори». (Владивосток, 1998, 1999, 2000); на всероссийской научно-технической конференции по проблемам экологии (Пермь, 2000).
Опубликовано 28 работ, из них по теме диссертации 15 работ, включая патент на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 122 страницы машинописного текста, 44 рисунка, 14 таблиц и 95 литературных ссылок.
Анализ существующих методов и устройств для разогрева нефтепродуктов
При сливе вязких (тяжелых нефтепродуктов) практически всегда осуществляется их разогрев до температур, рекомендуемых Правилами технической эксплуатации нефтебаз [6]. При этом применяются различные устройства, реализующие следующие основные методы разогрева:
а) разогрев острым паром, основанный на подаче пара внутрь цистерны;
б) разогрева паром наружной поверхности цистерны;
в) разогрев с использованием инфракрасного излучения;
г) метод электроиндукционного подогрева;
д) метод, основанный на размещении внутри цистерны внутреннего источника тепла (теплообменника, электронагревателя и т.д.);
е) метод циркуляционного разогрева.
Для реализации этих методов используются многочисленные и разнообразные технические устройства. Достоинства и недостатки различных методов разогрева целесообразно рассмотреть на примере работы наиболее распространенных установок, применяемых при погрузочно-разгрузочных операциях на нефтебазах.
Устройства для разогрева вязких нефтепродуктов острым паром. Подогреватели острым паром наиболее широко применяются для разогрева нефтепродуктов в железнодорожных цистернах [7, 8, 9]. Основным достоинством способа подогрева острым паром является простота оборудования. Подогреватели острым паром состоят из перфорированных трубок диаметром 20 -г 40 мм (рис. 1.2).
Боковые трубы изогнуты так, чтобы обеспечить подвод пара к торцевым частям цистерны. С целью сокращения времени разогрева нефтепродукта острым паром используют герметизирующее устройство, которое надевают на выгрузную горловину цистерны [10]. Мазут через трубу направляется в хранилище по гибкому рукаву. Для подогрева мазута в верхнюю горловину вагона цистерны вводится труба, по которой пар подводится в мазут. Тепловое и механическое воздействие пара позволяет перемешивать и прогревать его по всему объему в течение 40 минут до температуры 40 -г- 50 С. Слив из вагона цистерны продолжается 1 час, общая продолжительность разогрева и слива составляет не более 2-х часов. Основным недостатком этого устройства является значительное обводнение груза до 4 -І- 10 %, а применяемый в настоящее время тяжелый мазут практически не отстаивается от воды. Подогрев острым паром требует больших затрат тяжелого ручного труда, особенно при зачистке. При сливе масел подогрев острым паром не применяется, т.к. обводнение масел недопустимо.
Слив с разогревом груза электрогрелками. Переносные электрические подогреватели (электрогрелки) применяются для разогрева масел [10,11]. Главным достоинством этих подогревателей является исключение обводненности нагреваемого продукта. Во внутренний патрубок нагревателя введена винтовая плоская спираль, закрепленная по диаметру трубы, последняя увеличивает площадь теплоотдающей поверхности. К торцу нагревателя крепится блокировочное устройство. Штанга прикреплена к нагревателю при помощи присоединительного патрубка. Нагревательные и контрольные провода проходят через штангу и присоединяются через штепсельные разъемы к пульту управления. Разогрев нефтепродукта в цистерне осуществляется двумя нагревателями. При этом для опускания и подъема нагревателя используют кран укосину с лебедкой.
Разогрев электрогрелками применяется не для всех видов нефтепродуктов, а только для разогрева масел, имеющих высокую температуру вспышки и коксуемости, и при его эксплуатации происходит загрязнение окружающей среды, т к работа нагревателей происходит в непосредственном контакте с нефтепродуктом.
Подогреватель с гребными винтами-мешалками. Устройство для разогрева вязких и легко застывающих жидкостей в железнодорожных цистернах представляет собой подогреватель с гребными винтами-мешалками [10]. Устройство опускают в цистерну и закрепляют на горловине цистерны откидными болтами. Открывают сливной клапан цистерны и включают циркуляционный насос, прокачивающий жидкость через теплообменник для нагрева и возвращающий ее в цистерну через центральную перфорированную трубу ротора.
При этом обеспечивается равномерное распределение горячей жидкости по всему сечению потока. Установка позволяет изменять скорость и направление потока на противоположное, а также отклонение потока жидкости в цистерне в горизонтальной плоскости на угол ± 60 без разворота самого устройства и при работающем приводе. Интенсивное перемешивание жидкости внутри цистерны значительно уменьшает время разогрева и слива нефтепродукта из цистерны.
Однако трудность конструктивного оформления, сложность эксплуатации и повышенный расход энергии на перемешивание при отсутствии правильно организованных потоков жидкости внутри цистерны обусловливают низкую эксплуатационную эффективность таких установок.
Подогрев виброподогревателями. Одним из эффективных методов интенсификации процесса теплообмена при разогреве вязких нефтепродуктов является применение вибрирующих подогревателей, теплоотдача от которых осуществляется в основном вынужденной конвекцией при нестационарном режиме [12, 13]. Подогреватель состоит из двух секций дюралевых труб эллиптического сечения 30 х 50 мм. Секции шарнирно присоединены к верхнему блоку (рис. 1.3).
Пар подается в секции подогревателя по магистральной трубе, которая одновременно служит штоком, передающим подогревателю колебательные вертикальные перемещения от электрического или парового вибратора. Из нижнего коллектора каждой секции конденсат отводится по вертикальной трубе к верхнему блоку, а затем по общей трубе выводится наружу. После прохода через горловину секции подогревателя раздвигаются и опускаются в нижнюю часть цистерны, занимая почти горизонтальное положение.
Экспериментально установлено [ 14 ], что коэффициент теплоотдачи возрастает с увеличением среднеквадратической скорости вибрации, по рекомендациям целесообразно проектировать промышленные виброподогреватели на среднеквадратическую скорость вибрации порядка 1,0 -г 1,2 м/сек. Надежной конструкции виброподогревателей для промышленного производства в настоящее время не существует.
Основные методы измерений на экспериментальных лабораторных стендах
Исходя из задачи, сформулированной в исследовании, для оценки особенностей гидродинамики и теплообмена при течении вязкой жидкости через насадочное устройство, необходимо было произвести измерения основных величин, влияющих на исследуемые процессы. Поэтому при проведении опытов контролировались как величины, необходимые для определения коэффициентов теплопередачи и массообмена, так и величины, влияние которых на теплопередачу считалось определяющим. В качестве рабочей жидкости применяли воду и масло М 6/10 ГИ. Скорость жидкости в струе рассчитывали по расходу в связи с тем, что диаметры сопел для натуры и модели одинаковы (0,01-0,016 мм). Количество вносимой струей теплоты, связанное с ее расходом, определяли в при давлении 1,5 МПа как при неподвижном сопле так и при самовращающемся (последнее достигалось в результате действия реактивной силы струи). В опытах контролировались параметры:
WP - скорость потока жидкости;
QP - тепловой поток;
tj- температура жидкости на входе в бак;
t2 температура жидкости на выходе из бака;
т - время слива жидкости из бака; Р - абсолютное давление в баке;
Sp - выходное сечение насадочного устройства ( при замене вида насадки);
Кроме этого регистрировались величины, необходимые для контроля за работой установки и поддержания заданного режима. К ним относятся:
t ж- температура жидкости на выходе из нижнего бака (подогревателя);
t ж - температура жидкости на входе в нижний бак (подогревателя);
tK - температура в кожухе верхнего бака;
N - мощность, потребляемая нагревательным элементом нижнего бака;
В - барометрическое давление;
Р - давление по манометру на трубопроводе от нижнего бака к верхнему;
Р" - давление по манометру на трубопроводе от верхнего бака к нижнемуИзмерение сливаемого расхода жидкости. Непрерывное измерение объема сливаемой жидкости производилось при заполнении измерительного бака. Измеренный расход G = pVi/ii где Ті - время заполнения бака до высоты Li, в то время как действительный расход : G = G - (pAVi/ii ). При срабатывании второго уровнемера на отметке L2 измеренное количество жидкости будет отличаться от действительного на значение объема части струи, ограниченной отрезком (Li - L2). и т.д.
Для компенсации погрешности вводятся соответствующие расчетные поправки. Малое время осреднения, совмещение процессов воспроизведения и измерения расхода не позволяют свести их погрешности к уровню менее 0,2-0,3%.
Для насадок с двумя и четырьмя отверстиями были установлены расходы воды через них в зависимости от степени открытия регулирующего игольчатого клапана.
Проведенные опыты показывают, что применение соплового насадка с четырехсторонним распылением жидкости позволяет увеличить расход среды через насадок на 17ч-39% по сравнению с двухсопловой. Однако, мощность струи при этом снижается (расход увеличивается, а давление остается прежним), поэтому в натурной установке было решено при проведении опытов повысить давление жидкости в гидромониторе с 1,0 МПа до 2,5 МПа.
Измерение величины теплового потока. Удельный тепловой поток Q определялся по мощности, потребляемой нагревателем опытной трубки, и рассчитывался по уравнению QP = U І. Для измерения мощности нагревательного элемента использовались ваттметры класса 0,5, показания которых контролировались амперметрами и вольтметрами того же класса. Применяется комплект измерительный типа К - 50. Регулирование электрической мощности нагревателей осуществляется регулятором напряжения РНО - 250 - 5.
Измерение температур. Измерение температур производилось хромель -Копелевыми термопарами и контролировалось ртутными термометрами с ценой деления 0,1 С. Термопары изготовлены из проволоки 0,2 мм с соблюдением основных требований и последующей стандартной поверкой. Термопары установлены на входе и выходе из верхнего бака, на входе и выходе из нижнего бака, в объем жидкости верхнего бака и в пространство между кожухом верхнего бака и его корпусом. Горячий спай термопары заводится в жидкость, примерно к средней образующей каждого участка трубопровода и крепится проволочными держателями. Все термопары для удобства измерения подключены к переключателю типа ПМТ - 12. Измерение термо - э. д. с. термопар осуществлялось по компенсационной схеме низкоомным полуавтоматическим с автономной проверкой потенциометром типа Р - 326 класса точности 0,02. Холодные спаи термопар были помещены в сосуд Дьюара с тающим льдом, температура в котором контролировалась ртутным термометром с ценой деления 0,1 С. Такая измерительная схема позволяет измерять термо - э. д.с. с точностью до 1 мкВ. Термопары, измеряющие температуру жидкостей, перед установкой на место подвергались индивидуальной градуировке. Градуировка термопар производилась в термостате типа ТС - 24, как при возрастании, так и при понижении температуры в диапазоне от 20 до 120 С. В качестве образцового использовался платиновый термометр сопротивления типа ПТС - 10, позволяющий оценить точность градуировки не ниже + 0,025С. По полученным данным построены градуировочные графики для каждой термопары, а затем составлена номограмма э. д. с. = f (t). Точность отсчета по диаграмме не ниже + 0,05. Максимальная ошибка при измерении температур не превышает 0,1 С. Контрольные образцы термопар проверялись службой палат мер и весов г. Владивостока.
Измерение времени слива жидкости из верхнего бака осуществлялось секундомером и контролировалось по стеклянному уровнемеру (16), встроенному в нижний бак, визуально.
Измерение вязкости. Определение вязкости осуществлялось капиллярным вискозиметром ГОСТ 10028 - 87 марки ВНЖ - для непрозрачных жидкостей.
Относительная погрешность рабочих приборов такого класса составляет + 0,5 ч- 2,5 %. В капиллярных вискозиметрах течение жидкости происходит под действием силы тяжести (в начальный момент времени уровень жидкости в одном колене выше, чем в другом). Время опорожнения измерительного резервуара определялось как промежуток между моментами прохождения уровня жидкости мимо меток на верхнем и нижнем концах резервуара. Перепад давления на капилляре, измеряемый манометром, пропорционален искомой вязкости.
После монтажа установки проводилась серия пуско - наладочных опытов с целью доводки и проверки всех элементов установки. До начала основных экспериментов контур верхнего и нижнего баков заливался водой с целью устранения неплотностей в соединениях. Подключался нагревательный элемент нижнего бака и температура воды доводилась до температуры кипения при разной мощности нагревателя. Проверялась работа холодильных агрегатов, устанавливался предел достижения наименьшей температуры в пространстве между кожухом и корпусом верхнего бака, заполненного исследуемой жидкостью. Прежде чем проводить основные опыты, установка была приспособлена для проведения опытов при нагревании воды. Цель этих опытов проверить правильность выбранной методики и проверка надежности работы измерительной аппаратуры путем сопоставления результатов с данными других исследований. После включения циркуляционного насоса , через смотровые стекла верхнего бака велось наблюдение за течением струи воды через насадочные устройства. При работе насоса включали электронагревательные элементы нижнего бака и исследовали гидродинамику процессов при повышенных температурах. Так же при включенных холодильных агрегатах исследовался процесс при понижении температуры до значений ниже, чем температура окружающей среды. При достижении устойчивого теплового режима установки, когда термопары давали одинаковое показание, производились замеры по основным показывающим приборам. Запись производили не менее трех раз в опыте с интервалом замеров в 5 - 6 минут. Опыты считались верными, если не менее двух показаний отличались друг от друга на величину допустимой погрешности прибора или повторялись.
Применение теории затопленных струй для расчета процесса разогрева вязких сред
Струя называется свободной и затопленной, если она не ограничена твердыми стенками и распространяется в пространстве, заполненном средой тех же физических свойств, что и вещество струи.
Струя может принимать ламинарный и турбулентный характер. Если струя турбулентная, то в ней наблюдаются вихревые процессы, обеспечивающие повышение коэффициента тепломассообмена [51,53,60] .
Для реальных условий истечения значение Re х можно на первом этапе рассчитать для среза сопла.
На рис.3.8 представлена зависимость числа Reo - Wo do /v от температуры греющей среды для различных вариантов конструкции гидромонитора (по количеству сопел и их рабочим диаметрам do).
Известно, что для вязких жидкостей при их распространении в виде затопленной струи характерна турбулизация потока уже при Reo, превышающих 15-30 единиц.
Таким образом установлено, что если температура жидкости, вытекающей из сопла, превышает 50 С, то поток будет турбулентным во всем диапазоне рабочих расходов Gp.
Начальный поток импульса и тепловой поток, переносимые струей вязкой жидкости распространяются в неподвижной среде при отсутствии внешних сил, сохраняясь по величине и направлению. Известно, что при условии автомодельности струи, решение тепловой задачи ( задачи о поле температур) строится на основе предварительного решения динамической задачи, которая при р = const не зависит от тепловой задачи.
Решение поставленной задачи сводится к расчету соотношений, определяющих длину затопленной струи, истекающей из насадки и формирующей ядро нагретой среды в цистерне. Общее решение задачи для поля температур и скоростей для ламинарного и турбулентного потоков приведено у Л.А. Вулиса [61] .
Таким образом, задание трех интегральных характеристик струи JP, QP, Gp (при известных физических характеристиках потока Ср, a, v, р.) заменяет собой задание начальных условий истечения струи. Определяющими критериями в выражениях 3.34 и 3.35 остаются числа Рейнольдса и Прандтля. График зависимости В = B ( A, Pr ) приведен на рисунке 3.11. Как видно из рисунка, В существенно больше единице при малых А, (т.е. малых числах Рейнольдса). В этой же области велико значение числа Прандтля. При А 0,5 В становится уже меньше 1, а при А-»1, В—» 0. Это подтверждает, что при очень больших значениях Re, тепловой поток слабо распространяется через пограничный слой струи за счет турбулентных течений и существенную роль начинает играть теплопроводность (которая для вязких жидкостей обычно невелика).
Из уравнений 3.37 и 3.38 нетрудно определить, при каких значениях числа Рейнольдса можно ожидать оптимального распределения поля температур для заданного значения х (как величины, характеризующей размеры ядра разогретой жидкости).
Поскольку в большинстве практических случаев число Rep 15, величина А-»1.
На рисунке 3.12 представлена зависимость характерных значений безразмерной координаты у = r/х (где г - текущий радиус осисимметричной струи, от числа А при двух значениях Wx /WMAX Для рассматриваемых в работе вязких сред число Прандтля при рабочих температурах 50 - 150 С и ниже достигают очень больших значений [65]. Это в первом приближении говорит о том, что температура потока будет снижаться существенно меньшей интенсивностью, чем осевая скорость, что гарантирует формирование устойчивой зоны нагрева с равномерным распределением температуры по всему объему. В реальных условиях для достижения модельных процессов распространения скорости и температуры в вязкой среде нужно доводить ее нагрев до t = 250 - 300 С. Практически решение краевой задачи для геометрии нагретого объема может быть сведено к теплового баланса и определению только динамических параметров струи. Однако этот вывод характерен только для автомодельной задачи, не учитывающей воздействие на поток турбулентных пульсаций, уровень которых определяет величину турбулентного числа Прандтля (имеющего обычно значение меньше единицы).
Переход режима движения струйного потока от ламинарного к турбулентному требует определенной корректировки решений, полученных ранее. Опытные данные, полученные автором и другими исследователями [61,64,66,67,68] показывают, что распространение турбулентной струи меньше зависит от вязкости жидкости. Этот вывод очень важен, так как при наличии большого перепада температур между начальным участком струи и ее продолжением, учет влияния вязкости привел бы к существенному усложнению решения задачи. На рис.3.13 показаны профили турбулентного потока, определенные для насадок различных типов ( см. главу 2). Видно, что уже при х = 0,75 м максимальная температура потока снижается практически вдвое.
Установлено, что для турбулентной струи характерна прямолинейность эффективных границ струи и увеличение ширины тепловой границы по отношению к динамической границе. Турбулентное число Прандтя Pr т =vT /ат, рассчитанное по опытным данным автора имеет значения 0,73 -0,76, что хорошо укладывается в существующие данные из работ различных исследователей [64,69,70].
Визуальный контроль уровня пульсаций турбулентной струи показывает, что соотношение между пульсациями осевой и радиальной скорости может достигать 150 - 200%, т.е. на порядок выше, чем при течениях жидкости в гладких трубах. Пульсационная турбулентность струи может быть еще выше, если использовать турбулизаторы потока например, применять сопла со сложной формой сечения, вибрирующие насадки ( см. главу 2), профилировать сопло, устанавливать на срезе сопла решетки различного вида.
Результаты экономических исследований
Результаты экономических исследований по уменьшению расхода пара на разогрев мазута для различных периодов года приведены в табл. 4.6.
При активном использовании в настоящее время подогреве «острым паром», насыщенный водяной пар инжектируется через перфорированные трубы непосредственно в нефтепродукт и конденсируется, сообщая ему необходимое тепло. Обводненный нефтепродукт в дальнейшем должен подвергаться обезвоживанию. В зависимости от физико-химических свойств нефтепродуктов для их обезвоживания применяют: отстаивание, отстаивание с подогревом, отстаивание с подогревом и с использованием деэмульгаторов, продувку воздухом, выпаривание под давлением или под вакуумом. Наиболее эффективным способом обезвоживания высоко-вязких мазутов является термохимический способ обезвоживания в резервуарах с применением поверхностно-активных веществ (ПАВ) - деэмульгаторов. Наиболее эффективным деэмульгатором для обезвоживания мазутов является кальцинированная сода, и для обезвоживания нефтепродуктов на предприятии необходимо иметь специальное оборудование [71]: отстойники периодического действия, вертикальные цилиндрические резервуары с коническим дном, горизонтальные с промежуточными ярусами, с наклонными перегородками, вертикальные с коническими тарелками. Сточные воды, образующиеся в результате обезвоживания мазутов, являются источниками загрязнения окружающей среды.
Эксплуатация предприятий нефтепродуктообеспечения не должна приводить к загрязнению окружающей среды (воздуха, поверхностных вод, почвы) вредными веществами выше допустимых норм. Основными источниками выделения загрязняющих веществ в атмосферу являются: резервуары с нефтепродуктами и эстакады по разгрузке нефтепродуктов из железнодорожных цистерн, а также объекты очистных сооружений (нефтеловушки, буферные и разделочные резервуары, пруды-отстойники), открытые площадки с насосами, т.е. те объекты, вредное влияние которых будет значительно уменьшено при использовании предложенного улучшенного циркуляционного метода разогрева и слива (табл. 4.7).
К числу основных загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу из источников нефтебазы относятся пары нефтепродуктов, образующиеся вследствие испарения во время приема, хранения и отпуска нефтепродуктов. Переход к герметизированному способу разгрузки нефтепродуктов приводит к сокращению потерь нефтепродуктов до 80-90%.
При проведении технико-экономических исследований для отработки варианта циркуляционной схемы разогрева и слива через нижнее сливное устройство, снабженное гидромонитором, были проведены следующие мероприятия:
- Подбор насоса типа МВН-25 с объемом перекачки 60-90 м3/ч, создающий давление струи 20-30 атм.
- Изготовление фильтра, рамы под насос, рессивера, установка и монтирование обвязывающих трубопроводов.
- Испытание водой накопительного резервуара горячего мазута.
- Планировка территории вокруг оборудования.
- Маркировка оборудования и обвязывающего трубопровода.
- Подготовка технологического процесса слива мазута с помощью струйного разогрева.
- Корректировка чертежей на четырехсопловую насадку гидромониторного устройства.
- Оформление заказа на Большекаменский судоремонтный завод на изготовление выдвижной насадки гидромонитора.
- Разработка схемы замкнутого трубопровода для осуществления циркуляционного разогрева. ). Проведение изоляционных работ по обвязывающему трубопроводу. .Изоляция накопительной емкости горячего мазута. !. Реконструкция нижнего сливного прибора. I.Наладка системы циркуляционного разогрева. к Установление оптимального режима работы для слива мазута. (.Определение опытным путем режима работы всей циркуляционной схемы, позволяющей добиться высоких технико-экономических показателей применительно Владивостокской нефтебазе.
В современных условиях возникает сложная задача регулирования обмена вещества и энергии между обществом и природой [81]. Человек должен учитывать особенности природной среды, но и восстанавливать ее, приспосабливая к масштабам своей деятельности, темпам технического прогресса. Для решения экологической проблемы наряду с интенсификацией технического развития требуется создание новых областей техники, предназначенных компенсировать неизбежные антропогенные воздействия на природную среду, поэтому в качестве одного из требований, предъявляемых к проектируемым техническим объектам, ныне выступает их «экологичность», она характеризует меру взаимодействия технических объектов с окружающей средой [82].
При проектировании любого технического объекта или новой технологии принцип экологической безопасности (допустимый уровень взаимодействия с окружающей средой) должен быть основным ориентиром.
На пути совершенствования существующих и разработанных принципов новых технологических процессов необходимо соблюдение ряда следующих требований [83]:
- осуществление производственных процессов при минимально возможном числе технологических операций;
- применение непрерывных процессов, позволяющих наиболее эффективно использовать сырье и энергию;
- увеличение (до оптимальных значений) единичной мощности агрегатов;
- интенсификация производственных процессов, их оптимизация и автоматизация;
- создание энерготехнологических процессов. Сочетание энергетики с технологией позволяет полнее использовать сырье и экономить энергоресурсы.
Предлагаемое технологическое решение удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям.
Критерием технической деятельности человека на Земле должны стать экологические и социально-экологические законы и отношения. Человек не может существовать без животного и растительного мира, без естественных экологических систем и ресурсов биосферы, поэтому их защита одновременно является и защитой человека. Основанием развития техники должны служить наряду с социально-экономическими и антропно-экологические критерии, по условия сохранения основных физико-химических, биологических свойств окружающей среды, обеспечивающих прогрессивное развитие и саму возможность существования человека.