Практикум. Лабораторная работа 1. Расчет гидравлического режима совместной работы участка нефтепровода и нефтеперекачивающей станции 2

• Название: Лабораторная работа 1. Расчет гидравлического режима совместной работы участка нефтепровода и нефтеперекачивающей станции 2
• Анкор: Практикум
• Дата: 01.03.2022
• Размер: 2.33 Mb.
• Имя файла: Практикум.doc
• Тип: Лабораторная работа; #378072
• страница: 17 из 21

Лабораторная работа №5. «Расчет смесеобразования при последовательной перекачке нефтепродуктов»

Теоретическое введение

В настоящее время в нашей стране и за рубежом светлые нефтепродукты, бензины, керосины, дизельные топлива, которых выпускается десятки наименований, перекачивают методом, получившим название последовательная перекачка прямым контактированием. При переработке нефти с установок заводов одновременно сходит множество видов нефтепродуктов, из которых значительную часть составляют так называемые светлые нефтепродукты и, прежде всего, моторные топлива. В результате последующего компаундирования (смешивания двух или нескольких продуктов переработки нефти для изготовления топлив заданных качеств) получают различные сорта нефтепродуктов, готовых к доставке потребителю. Понятно, что сооружение отдельного трубопровода для каждого из выпускаемых нефтепродуктов было бы нерентабельно, поэтому большинство из них транспортируют по одному и тому же трубопроводу, закачивая последовательно, один за другим.

Сущность последовательной перекачки прямым контактированием состоит в том, что разносортные нефтепродукты, объединенные в отдельные партии по несколько тысяч или десятков тысяч тонн каждая, закачивают в трубопровод последовательно, одна за другой, и транспортируют так до самого потребителя. При этом каждая партия вытесняет предыдущую и в свою очередь вытесняется последующей. Получается так, что нефтепродуктопровод по всей своей протяженности заполнен партиями различных нефтепродуктов, вытянутых в цепочку и контактирующих друг с другом в местах, где кончается одна партия и начинается другая. Таким образом, главным в последовательной перекачке нефтепродуктов является то, что различные виды и сорта нефтепродуктов перекачивают не по разным, а по одной и той же трубе [4].

Однако при всех своих достоинствах последовательная перекачка имеет один существенный недостаток, состоящий в смесеобразовании отдельных нефтепродуктов при их взаимном вытеснении в трубопроводе. Если смесеобразование так называемых одноименных нефтепродуктов, например, различных сортов бензина, или различных сортов дизельного топлива, представляет сравнительно небольшую угрозу качеству нефтепродуктов, ибо нефтепродукты, относящиеся к одной группе топлив, в большей степени совместимы друг с другом, чем нефтепродукты, относящиеся к различным группам; то смесеобразование разноименных нефтепродуктов, например, бензинов и дизельных топлив, бензинов и керосинов и т.д. представляет весьма серьезную угрозу их качеству. Тем не менее, последовательная перекачка нефтепродуктов прямым контактированием получила повсеместное и широкое распространение благодаря тому, что количество смеси, образующейся в зонах контакта последовательно движущихся партий, относительно невелико. Так что при наличии больших партий транспортируемых топлив вся смесь может быть разложена по исходным нефтепродуктам с сохранением качества последних.

Смесь, которая образуется в зоне контакта перекачиваемых нефтепродуктов при вытеснении одного из них другим, обусловлена объективными физическими процессами, присущими движению жидкости в трубопроводе. Если бы контактирующие нефтепродукты вытесняли друг друга наподобие жестких стержней с плоской границей раздела между ними, то их смешение в зоне контактирования, разумеется, отсутствовало бы. Однако жидкие нефтепродукты не есть твердые тела, и вытеснение одного из них другим происходит неравномерно по сечению трубы. Скорости частиц жидкости в различных точках сечения трубопровода неодинаковы: у стенок трубопровода они равны нулю, а на его оси достигают максимального значения. Поэтому вытеснение одного нефтепродукта другим происходит более интенсивно в центре трубы, в то время как у стенок трубопровода оно замедлено. Каждое мгновение клин позади идущего нефтепродукта как бы внедряется в жидкость, идущую впереди, причем тем интенсивней, чем более вытянут вдоль оси профиль осредненных скоростей. Происходит, как говорят, конвекция (или конвективная диффузия) примеси одного нефтепродукта в другом за счет и вместе с перемещающимися друг относительно друга слоями жидкости.

Неравномерность распределения в сечении трубопровода осредненных скоростей жидкости не является единственной причиной, ответственной за смесеобразование нефтепродуктов в зоне их контактирования. Как правило, светлые нефтепродукты перекачивают в турбулентном режиме, при котором частицы жидкости движутся в трубе не параллельно его стенкам, а совершают хаотические турбулентные движения, подобно тому, как это можно видеть в дымовых струях, вырывающихся из труб ТЭЦ. В турбулентных потоках существует интенсивное перемешивание различных частиц по сечению трубы за счет пульсаций скорости и указанных хаотических движений отдельных частиц. Поэтому турбулентная диффузия, а именно так называют этот процесс, перемешивает клин вытесняющей и вытесняемой жидкостей по сечению трубопровода, обеспечивая их более или менее однородное распределение в каждом сечении.

Таким образом, процесс смешения вытесняемого и вытесняющего нефтепродуктов происходит по следующей схеме: клин позади идущего нефтепродукта внедряется в нефтепродукт, идущий впереди, а процессы турбулентной диффузии размешивают внедрившуюся примесь по сечению трубы. При этом за счет того, что концентрация вытесняющего нефтепродукта на оси трубы больше, чем у его стенок, происходит постоянный перенос вытесняющего нефтепродукта вперед, в область, занятую вытесняемым нефтепродуктом. И, наоборот, по той же причине происходит обратный перенос вытесняемого нефтепродукта назад, в область вытесняющего. Эти два процесса неотделимы друг от друга. Они действуют постоянно и одновременно на протяжении всего времени вытеснения, определяя интенсивность продольного перемешивания, объем и длину возникающей смеси.

Распределение концентрации. Смесь нефтепродуктов в зоне их контактирования характеризуется концентрацией одного нефтепродукта (например, вытесняющего) в потоке вдоль оси трубопровода в момент времени . Если и , значит, мы имеем дело со смесью. В области смеси , причем если – мы находимся в области вытесняющего нефтепродукта, если же , то – в области идущего впереди вытесняемого нефтепродукта. Функция удовлетворяет дифференциальному уравнению продольного перемешивания
, (5.1)
относящемуся к классу уравнений «типа теплопроводно­сти». В этом уравнении u₀ – средняя по сечению скорость перекачки; K– коэффициент продольного перемешивания (м²/с). Для последнего существуют различные формулы, среди которых наиболее известна формула английского механика Дж.Тейлора. Эта формула после некоторой модификации может быть представлена в виде:
, (5.2)
где λ₁= λ(Re₁, ε), λ₂= λ(Re₂, ε) – коэффициенты гидравлического сопротивления, вычисленные по параметрам вытесняемого и вытесняющего нефтепродуктов; внутренний диаметр трубопровода. Например, при вытеснении бензина дизельным топливом в трубопроводе с внутренним диаметром d = 0,514 м при скорости перекачки м/c:

м²/c.
Существуют и другие формулы для расчета коэффициента K продольного перемешивания, например, формула Съенитцера, учитывающая некоторые поправки на перекачку нефтепродуктов в промышленных трубопроводах.

Решение уравнения (5.1) имеет вид:
, (5.3)
где интеграл, стоящий в правой части, хорошо известен в теории вероятностей как «интеграл ошибок». Для его вычисления имеются подробные таблицы.

В подвижной системе отсчета , движущейся со средней скоростью потока в трубе, распределение концентрации вытесняющего нефтепродукта имеет вид, представленный на рис.26. Жирной линией выделено начальное распределение концентрации, тонкими линиями показаны распределения концентрации в последовательно увеличивающиеся моменты времени.

Рис.26. Распределения концентрации в подвижной системе отсчета
Объем смеси. Объем смеси перекачиваемых нефтепродуктов, образовавшийся в трубопроводе к моменту времени t в пределах концентраций , определяется равенством:
(5.4)
Расчет объема смеси в симметричных пределах концентрации 1-99% в трубопроводе с внутренним диаметром и протяженностью можно вести по формуле Съенитцера
, (5.5)
в которой объем внутренней полости трубопровода.