УМКД ГНП. УМКД, НПС, МиО ГНП , Kovalenko_2005_1. Учебнометодический комплекс для студентов специальности 170 05 01 Проектирование, сооружение и эксплуатация
 Скачать 6.46 Mb.
|
|
4. Тесты и задания для контроля за результатами обучения На оценку удовлетворительно 1. Технологические трубопроводы. 2. Блок регуляторов давления. На оценку хорошо 1. Система сглаживания волн давления. 2. Фильтры-грязеуловители. 3. Предохранительные клапаны. На оценку отлично 1. Нормативы технического обслуживания и ремонта. 2. Установки пожаротушения. 3. Емкости вспомогательных систем. Модуль 7 ПРИМЕНЕНИЕ ПРИСАДКИ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ОБЪЕМОВ ПЕРЕКАЧКИ Введение Одним из эффективных способов увеличения производительности трубопроводов является введение в турбулентный поток перекачиваемой жидкости специальных высокомолекулярных присадок, снижающих гидравлическое сопротивление. Первые сообщения о значительном снижении турбулентного сопротивления при введении в поток весьма малых добавок некоторых полимеров относиться к концу х годов. Это явление получило название эффекта Томса. Эффект снижения сопротивления начинает проявляться в очень слабых растворах – при массовых долях полимера С = 10 -6 – 10 -5 . С ростом концентрации эффект Томса усиливается и снижение сопротивления достигает своего максимума при некоторой оптимальной концентрации. Максимальное снижение сопротивления достигает 60 – 80 %. Полимерные добавки практически не влияют на величину критического числа Рейнольдса, при котором происходит переход к турбулентному режиму течения. В присутствии полимерных молекул отмечается расширение диапазона чисел Рейнольдса (Re), в котором шероховатая поверхность является гидравлически гладкой. В переходном режиме относительное снижение трения добавками выше, чем на гладкой поверхности. Полимерные молекулы затягивают выход в режим с полным проявлением шероховатости, в котором добавки уже не влияют на сопротивление. Несмотря на интенсивные исследования снижения гидравлического сопротивления в присутствии полимерных добавок, до сих пор отсутствует достаточно полная теория этого явления. Такое положение объясняется сложностью проблемы, лежащей на стыке трех наук физической химии полимеров, реологии и гидродинамики, а также недостатком прямых экспериментальных данных. Это привело к тому, что для объяснения сущности эффекта предложено около 30 гипотез. Их можно разделить натри класса в зависимости от подхода к решению проблемы. Одна из первых теорий базируется на адсорбции полимера. Согласно ей, гидравлически активной является та часть полимера, которая адсорбируется на стенке трубопровода. Однако опыты с вращающимися дисками из различных материалов показали, что толщина адсорбционной пленки мала, так как молекулы полимера лежат в плоской конфигурации на поверхности. Это позволяет сделать вывод, что адсорбированные молекулы не могут активно взаимодействовать с потоком. Однако, эта теория из-за своей простоты продолжает привлекать к себе внимание. Следующая группа гипотез получила название структурные теории. Здесь рассматриваются взаимодействия потока с отдельными микроскопическими частицами. Гипотезы этого класса делятся на две группы эффект снижения определяется частицами с линейными размерами порядка 10 -3 мм, те. отдельными макромолекулами активными являются ассоциаты частиц, имеющие линейные размеры мм. При этом крупные частицы или просто гасят высокочастотные пульсации и вихри или же ослабляют зарождающиеся возмущения в пристен- ной области. Существенное взаимодействие происходит при равенстве линейных масштабов (по порядку величины) ассоциатов и диссипативного пульсационного движения в жидкости. Механизм, базирующийся на реологии вязкоупругих сред, основан на том, что растворы полимеров, обладающие способностью снижать сопротивление, являются неньютоновскими жидкостями, проявляющими вязкоупругие свойства. Положительный эффект в этом случае объясняется, в отличие от структурной теории, не подавлением турбулентности в вязкоупругой жидкости, а просто замедлением образования турбулентного потока. К недостаткам этой теории нужно отнести то, что влияние вязкоупру- гих свойств очевидно в концентрированных растворах. В разбавленных растворах с вязкостью, близкой к вязкости растворителя, не наблюдается никакого заметного вязкоупругого эффекта, кроме эффекта снижения трения. В последнее время предложена гипотеза с флуктуационным слоем. Сущность в том, что при течении жидкости с присадкой вязкоупругие капли полимера, имеющие размеры на 3 – 4 порядка больше чем молекулы растворителя, смещаются к стенке гидродинамически активного полимера. В отличие от адсорбционного, флуктуационный слой является составной частью движущегося объема жидкости. При образовании флуктуационного слоя концентрация полимера в объеме текущей жидкости уменьшается. В тоже время происходит ее увеличение в пристенной зоне, которое в этой части потока приводит к тому, что здесь у жидкости начинают проявляться характерные вязкоупругие свойства, с которыми связывается гашение турбулентности. В покоящемся растворе молекулы полимера представляют собой свернутые клубки. В пристенной области турбулентного потока полимерные молекулы подвергаются действию случайных комбинаций завихрен- ности и скорости деформаций. Спокойное течение прерывается интенсивными выбросами заторможенной у стенки жидкости во внешнюю область пограничного слоя. Турбулентные выбросы представляют собой затопленные струи, вдоль осей которых реализуется течение с растяжением. При достижении определенных скоростей растяжения в струйных выбросах молекулярные клубки разворачиваются. Разворачиваясь, молекулы присадки поглощают часть энергии выбросов, а развернувшись, снижают их длину и уменьшают возможность возникновения новых возмущений. Модель с флуктуационным слоем позволяет объяснить многие имеющиеся опытные факты. Так, экстремальный характер концентрационной зависимости снижения сопротивления объясняется тем, что этот слой имеет определенные размеры и при его заполнении наблюдается максимальный эффект. Эта теоретическая модель позволяет также объяснить многие имеющиеся опытные факты. Так, экстремальный характер концентрационной зависимости снижения сопротивления объясняется тем, что этот слой имеет определенные размеры и при его заполнении наблюдается максимальный эффект. Эта теоретическая модель позволяет также объяснить влияние молекулярной массы полимера на эффективность присадки. Полимер должен иметь определенные минимальные размеры, иначе не будет проявляться радиальная дисперсия и формироваться флуктуационный слой. Поэтому с увеличением размеров полимерной молекулы повышается эффективность присадки. Однако этот процесс имеет ограничения. Как только размеры макромолекул превысят некоторые оптимальные, они начинают ощущать объемные затруднения из-за перекрывания их сфер влияния и заметного улучшения условий формирования флуктуационного слоя не наблюдается. Таким образом, полимерные добавки воздействуют на турбулентность главным образом в пристенной области, а точнее, в ее переходной зоне. Эта зона находится между турбулентным ядром и ламинарным подслоем. Для нее одинаково важны и молекулярная вязкость и турбулентность. Присутствие макромолекул приводит к гашению высокочастотных пульсаций, уменьшает коэффициент турбулентной вязкости и способствует росту толщины вязкого подслоя. При длительном пребывании полимерных молекул в потоке и больших напряжениях сдвига, как правило, отмечается постепенное уменьшение эффекта снижения сопротивления из-за механической деструкции, те. разрывов валентных связей основной молекулярной цепи и связанного с этим уменьшения молекулярной массы без изменения химического состава полимера. Для изучения материала использовать основную (1, 2, 3, 4, 5) и дополнительную) литературу 1. Схема изучения материала Тема занятия Тип занятия Вид (форма) занятия Количество часов 1. Факторы, влияющие на эффект снижения гидравлического сопротивления при применении присадок. Расчет оптимальных концентраций для увеличения объема перекачки по трубопроводам. Изучение нового материала Лекция 2 2. Последовательная работа нагнетателей. Углубление и систематизация учебного материала Лабораторное занятие 2 3. Параллельная работа нагнетателей. Углубление и систематизация учебного материала Лабораторное занятие 2 4. Определение параметров перекачки при применении противотурбулентной присадки. Углубление и систематизация учебного материала Практическое занятие 2 5. Определение необходимой концентрации присадок. Углубление и систематизация учебного материала Практическое занятие 1 6. Применение присадки для увеличения объемов перекачки. Предварительный контроль Практическое занятие 1 7. Подбор основного оборудования насосных станций. Зачет Курсовой проект. Основы научно-теоретических знаний по модулю Применение присадки для увеличения объемов перекачки ” 2.1. Факторы, влияющие на эффект снижения гидравлического сопротивления при применении противотурбулентных присадок Для снижения гидравлического сопротивления углеводородных жидкостей используют высокомолекулярные вещества, обладающие специфическими свойствами. Противотурбулентные присадки не должны менять физико-химические характеристики нефти и нефтепродуктов, не должны содержать поверхност- но-активных веществ (ПАВ) и поэтому адсорбироваться на поверхности трубопроводов и другого оборудования и оказывать негативное влияние на работу автомобильных двигателей и печей. Они должны применяться совместно с ингибиторами коррозии и парафинообразования, депрессорными и антистатическими присадками, а также противоокислителями. Способностью снижать сопротивление течению обладают многие высокомолекулярные вещества, которые условно разделяют натри класса а) синтетические или природные карбоцепные полимеры б) координационные полимеры в) высокомолекулярные нефтяные остатки. На величину снижения гидравлического сопротивления турбулентного потока, деструкцию присадки и её технико-экономические показатели влияют следующие факторы 1. Химическая природа присадки. 2. Молекулярные характеристики полимера (структура, молекулярная масса, молекулярно-массовое распределение (ММР)). 3. Эксплуатационные характеристики присадки (концентрация, устойчивость к деструкции, растворимость, невосприимчивость к воздействию внешних факторов, те. температуре, давлению, свету. 4. Гидродинамические параметры потока (режим течения, диаметр трубопровода, вязкость жидкости, температура. 5. Конструкция трубопровода (наличие лупингов, вставок, местных сопротивлений. Рассмотрим подробней механизм влияния некоторых названных факторов на эффективность противотурбулентных присадок. Имеющийся опыт применения высокомолекулярных соединений для снижения гидравлического сопротивления показывает, что используемые в промышленности присадки изготавливаются на базе карбоцепных полимеров, основная цепь которых состоит только из атомов углерода. Они образуются при гомо- или сополимеризации олефинов и имеют общую структуру R ⎜ (-СН 2 - С -)n, ⎜ где n – число звеньев вцепи (степень полимеризации). В зависимости от природы заместителей R и R 1 полиолефины разделяются натри группы 1. R = R 1 = H или R = H, где R 1 – алкил линейного строения. Это полиэтилен, полипропилен, полибутен и полиизобутилен. 2. R = H, где R 1 – алкил разветвленного строения. Это поли-4- метилен, поли-3-метилбутен. 3. R = H, R 1 – циклический углеводородный радикал. Наибольшей эффективностью и стойкостью к деструкции обладают высшие олефины, содержащие разветвленные или циклические заместители. ММР оказывает влияние на устойчивость полимера к деструкции. Эффективность полимера определяется в основном наиболее высокомолекулярной фракцией. Поэтому в случае использования полимера с широким ММР содержание самых больших макромолекул невелико, они быстро деструктируют и образец теряет эффективность. При одинаковой скорости деструкции в случае узкого ММР продолжительность действия образца значительно дольше. Следовательно, для достижения наибольшей эффективности присадок (минимальная деструкция, максимальное снижение сопротивления) необходимо применять образцы полимеров с высокой молекулярной массой и узким ММР. Присадки эффективны только в турбулентном потоке, то есть при числах Рейнольдса, которые больше критического. Влияние вязкости нефтяной системы вызвано тем, что от нее зависит режим течения. С увеличением вязкости система просто не переходит из ламинарного в турбулентный режим. Присадки, снижающие сопротивление, можно применять для углеводородных жидкостей, имеющих вязкость небо- лее (15 – 20) ⋅10 -6 мс. Температура перекачиваемой жидкости оказывает сложное воздействие не эффект снижения сопротивления. С увеличением температуры уменьшается вязкость жидкости и увеличивается эффективность присадок. Кроме того, повышение температуры улучшает растворимость присадок в потоке жидкости, что также является положительным фактом. При температуре же выше 60 – 70 С иногда наблюдается снижение эффективности присадок из-за ухудшения качества жидкости как растворителя, что приводит к уменьшению размеров полимерных клубков. На показатели эффективности противотурбулентных присадок оказывает влияние их товарная форма. Учитывая, что процесс растворения высокомолекулярных соединений длителен, а при его интенсификации возможна деструкция полимера, необходимо сначала приготовить концентрат присадки. Обычно это гель с содержанием полимера от 5 до 25 %, который при введении в перекачиваемую жидкость довольно быстро и полностью растворяется. Очень важным является выбор растворителя для приготовления концентрата присадки сточки зрения физической химии полимеров, так как специальный растворитель позволяет получить наиболее концентрированный гель с минимальными временными и энергетическими затратами. При оценке эксплуатационных качеств, кроме механической деструкции, необходимо учитывать тот факт, что в некоторых полимерных растворах разрушение макромолекул происходит и при отсутствии сдвиговых напряжений, например, при длительном хранении раствора, действий бактерий, света и т. д. 2.2. Расчет оптимальных концентраций антитурбулентных присадок для увеличения объема перекачки по трубопроводам За счет гашения пристеночной турбулентности происходит снижение гидравлического сопротивления потоку жидкости в трубопроводе и, как следствие, либо увеличение производительности перекачки (при сохранении перепада давлений, либо снижение давления на перекачивающих станциях (при сохранении производительности перекачки. Эффект снижения гидравлического сопротивления, а, следовательно, и расхода электроэнергии может составлять от 20 до 60 %. Наиболее известными из зарубежных антитурбулентных присадок к нефтепродуктам являются присадки “CDR” американской фирмы Dupon- Conoco и “NECCAD-547” финской фирмы Neste. Обе присадки, созданные на углеводородной основе, прошли промышленные испытания на отечественных трубопроводах. Для дизельных топлив, главным образом, рекомендуется присадка “NECCAD-547”. Все антитурбулентные присадки снижают значение коэффициента гидравлического сопротивления, λ. Применение присадок особенно эффективно в тех случаях, когда перекачка ведется в области гидравлически гладких труб, то есть при таких режимах, в которых шероховатость внутренней полости трубопровода практически не сказывается назначениях коэффициента λ . Расчет эффективности присадки предварительно производится с уч- том зависимости, полученной в результате перекачек при поддержании давлений. Эффективность присадки ϕ можно найти по формуле ( о = − λ λ ⋅100 % = (1 – (Q 0 2 / Q 1 2 )) ⋅ 100 % (7.1) где Q 1 , Q 0 – расходы при перекачке с присадкой и без нее соответственном 3ч. Результаты расчетов, выполненные по вышеприведенной формуле, заносим в табл. 7.1. Таблица 7.1 Увеличение расхода, % Эффективность присадки ϕ , % 15 20 23 25 29 48 2.3. Определение параметров перекачки при применении противотурбулентной присадки Определяем параметры перекачки при применении противотурбу- лентной присадки “NECCAD-547” с эффективностью ϕ эквивалентной увеличению расхода на 48 % (в случае поддержания давлений). Скорость перекачки определяется по формуле (7.2) 1 1 2 4 Q D ⋅ ω = π ⋅ (7.2) где Q 1 – расход при перекачке с применением присадки, м 3 /ч; π = 3,14 = const; Коэффициент гидравлического сопротивления при перекачке с присадкой найдем из формулы (7.1) по известной величине ее эффективности ϕ , которая обеспечивает увеличение расхода на 48 % λ 1 = (1 – ( ϕ /100)) ⋅ о , (7.3) где ϕ – эффективность применения присадки o λ – коэффициент гидравлического сопротивления при определенном расходе Q 0 , м 3 /ч, до ввода присадки. Гидравлический уклон трубопровода с использованием присадки рассчитывается по формуле (7.4) 2 1 1 1 2 i D g λ ⋅ ω = ⋅ ⋅ , (7.4) где λ 1 – коэффициент гидравлического сопротивления при расходе Q 1 , мчи с применением присадки эффективностью ϕ ; g = 9,81 мс – ускорение свободного падения ω 1 – скорость движения жидкости по МНП, при расходе Q 1 , м 3 /ч; D – внутренний диаметр трубопроводам. Общие потери напора Н ст1 рассчитываются по формуле (7.5) Н ст1 = 1 1,02 S i L Z H ⋅ ⋅ ± ∆ + (7.5) где 1,02 – коэффициент, учитывающий местные сопротивления i 1 – гидравлический уклон L – протяжённость продуктопровода, км Z – разность геодезических отметок конца и начала трубопроводам Н – передаваемый напор наконечный пункт, м. Характеристику сети трубопровода при вводе присадки строим поданным таблицы. Q, м 3 /ч Нм Совмещенную характеристику режима работы насосных станций и трубопровода при вводе присадки изображаем графически. 2.4. Определение необходимой концентрации присадки Гидравлическая эффективность присадки рассчитывается по формуле 0,2 1 ( 1) A − ϕ = − + (7.6) В данной формуле выражена зависимость безразмерного комплекса А от гидравлической эффективности присадки. Коэффициент А, входящий в формулу, отражает условия взаимодействия турбулентного потока со стенкой трубы Эта зависимость определена экспериментальным путём. Она показывает, что коэффициент 1 λ зависит не только от концентрации присадки С, но и от относительной шероховатости труб ε . По графику для расчётной эффективности присадки ϕ определяем безразмерный комплекс А. Численно безразмерный комплекс А рассчитывается по формуле 1,13 0,74 4340 A C − = ⋅ ⋅ ε , (7.7) где ε – среднее значение относительной шероховатости для эксплуатируемых длительное время трубопроводов. Рис. Зависимость гидравлической эффективности присадки ϕ от безразмерно комплекса А Следовательно, необходимая концентрация присадки, г/т определяется из формулы (7.7) следующим образом 1,13 0,74 4340 A C − = × ε (7.8) Например, для работы продуктопровода с пропускной способностью 8 млн т/год необходимо специальным оборудованием ввести в трубопровод 1960 т противотурбулентной присадки. Для решения оптимизационной задачи используется метод прямого перебора всех возможных вариантов. В качестве переменных величин могут быть использованы концентрация присадки расстояние между станциями режим перекачки число ПНС; схемы перекачки, и т. д. |