способ перемещения вязких нефтей и нефтепродуктов

Формула изобретения

Способ перемещения вязких нефтей и нефтепродуктов, заключающийся в формировании коаксиального концентрического слоя воды у внутренней поверхности трубы путем добавления в нефть воды и придания потокам нефти и воды вращательного движения, отличающийся тем, что вращательное движение осуществляют лопастными мешалками, установленными за участками, где происходит изменение скоростей потоков по величине или направлению, с угловой скоростью, определяемой по формуле

где - угловая скорость вращения лопастной мешалки;

g - ускорение свободного падения;

R - радиус трубопровода.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое техническое решение относится к способам, снижающим гидравлическое сопротивление при транспортировке высоковязких ньютоновских и неньютоновских жидкостей по трубопроводам, и может найти применение при гидротранспорте нефтей, масел и жидких продуктов нефтепереработки в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности на магистральных, отраслевых, межзаводских и внутризаводских трубопроводах.

Известен способ напорного гидротранспорта грузов по трубопроводу, когда в поток транспортирующей жидкости вводят сжатый воздух (Авт. св. СССР № 224378, B 65 G 51/00, 1975).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неустойчивость воздушного пограничного к стенке трубы слоя, приводящая к перемешиванию воздушной прослойки с основным потоком транспортируемой жидкости и созданию гетерофазной системы жидкость-воздух, гидравлическое сопротивление которой возрастает из-за разрушения воздушного маловязкого пограничного слоя особенно за местными гидравлическими сопротивлениями (поворотами, компенсаторами, кранами, задвижками и т.д.).

Известен способ извлечения и перемещения высоковязких нефтепродуктов путем образования водных дисперсий в присутствии соленой воды с добавлением сульфированных диспергаторов (Патент РФ № 2190151, F 17 D 1/17, F 15 D 1/02, 1998).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится наряду с образованием маловязких эмульсий нефть-вода, когда капельки нефти окружены пленкой воды, образование высоковязких эмульсий вода-нефть, когда капельки воды окружены пленкой нефти. Такая инверсия фаз наиболее часто происходит за местными сопротивлениями (поворотами, температурными компенсаторами, вентилями, задвижками, кранами и т.д.). Эта неустойчивость маловязкой водонефтяной эмульсии приводит к увеличению гидравлического сопротивления во всем объеме перекачиваемой жидкости, а не только в пограничном с трубой слое, что требует дополнительных затрат энергии.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу перемещения вязких нефтей и нефтепродуктов является способ гидротранспорта высокозастывающих и вязких нефтей и нефтепродуктов, заключающийся в формировании коаксиального концентрического слоя воды у внутренней поверхности трубы путем добавления в нефть воды и придания потокам нефти и воды вращательного движения за счет винтовой нарезки на внутренней поверхности трубы за участками, где происходит изменение скоростей потоков по величине или направлению (так называемыми местными сопротивлениями: поворотами, коленами, компенсаторами, кранами, вентилями, заслонками и т.д.), что приводит к перемешиванию воды и нефти или нефтепродуктов и увеличению гидравлического сопротивления и энергозатрат на гидротранспорт (Трубопроводный транспорт нефти и газа: Учеб. для вузов / Р.А.Алиев, В.Д.Белоусов, А.Г. Немудров и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1988. - 368с. С.243).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность изготовления винтовой нарезки на внутренней поверхности трубы, особенно на уже действующих трубопроводах, заполнению со временем нефтью или нефтепродуктами винтовой нарезки, что приводит к прекращению вращательного движения потоков, перемешиванию нефти и воды и увеличению гидравлического сопротивления и энергозатрат.

Задачей предлагаемого технического решения является создание устойчивого коаксиального концентрического слоя воды у внутренней поверхности трубы за участками, где происходит изменение скоростей потоков по величине или направлению.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является уменьшение гидравлического сопротивления и энергозатрат при перемещении вязких нефтей и нефтепродуктов по трубопроводу за счет создания вращательного движения потоков за участками, где происходит изменение их скоростей по величине или направлению.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе перемещения вязких нефтей и нефтепродуктов формирование коаксиального концентрического слоя воды у внутренней поверхности трубы происходит путем добавления в нефть воды и придания потокам нефти и воды вращательного движения, при этом вращательное движение осуществляют лопастными мешалками, установленными за участками, где происходит изменение скоростей потоков по величине или направлению с угловой скоростью, определяемой по формуле

где - угловая скорость вращения лопастной мешалки;

g - ускорение свободного падения;

R - радиус трубопровода.

Приведение потоков воды и нефти или нефтепродуктов во вращательное движение лопастными мешалками за участками, где происходит изменение скоростей потоков по величине или направлению (за так называемыми местными сопротивлениями) позволяет восстановить коаксиальный концентрический слой воды у внутренней поверхности трубы, который разрушается на поворотах, в компенсаторах, вентилях, кранах, задвижках и других местных сопротивлениях. В центробежном поле при вращении потока тяжелые капли и слои воды, оказавшиеся за местными сопротивлениями внутри потока, отбрасываются к внутренней поверхности трубы, создавая устойчивый коаксиальный концентрический слой воды. Легкие капли и слои нефти или нефтепродуктов, оказавшиеся за местными сопротивлениями у внутренней поверхности трубы, центробежными силами отбрасываются во внутренние слои потока.

Уменьшение угловой скорости вращения лопастной мешалки так, что она становится меньше указанного нижнего предела, рассчитываемого по формуле (1), не позволяет развить центробежную силу, достаточную для разделения тяжелых капель и слоев воды от легких капель и слоев нефти, и создать устойчивый коаксиальный концентрический слой воды у внутренней поверхности трубы.

Увеличение угловой скорости вращения лопастной мешалки так, что она становится больше указанного верхнего предела, рассчитываемого по формуле (1), приводит к турбулизации потока, возникновению в нем вихрей, разбивающих коаксиальный концентрический слой воды на капли, что приводит к образованию эмульсии капелек воды в нефти, возрастанию гидравлического сопротивления и затрат энергии на перекачивание нефти или нефтепродуктов.

Применение лопастных мешалок позволяет помимо создания вращательного движения потока сообщать ему дополнительное давление для осевого движения по трубопроводу.

Способ осуществляют следующим образом.

Были проведены экспериментальные исследования по перемещению нефти в трубопроводе с внутренним диаметром 100 мм на участке длиной l=10 м с коленом на входе под углом 90°, в котором была установлена лопастная мешалка с двумя лопатками диаметром 80 мм и шириной лопастей 14 мм. Вал лопастной мешалки был соединен с приводом, позволяющим варьировать число оборотов мешалки. Мощность привода измерялась ваттметром.

Основная жидкость - нефть подавалась из емкости нефти центробежным насосом в напорный патрубок диаметром 80 мм, меньшим диаметра основного трубопровода. Вода в кольцевой зазор между основным трубопроводом и напорным патрубком центробежного насоса подавалась из емкости воды центробежным насосом. Расходы нефти и воды регулировались вентилями и контролировались ротаметрами. Перепад давления на мерной длине l=10 м определялся U-образным дифманометром. Поток нефти и воды на выходе из трубопровода поступал в бак-отстойник, где нижняя фракция - вода после отстаивания сливалась в емкость воды, а верхняя фракция - нефть в емкость нефти. Вязкости нефти и воды были соответственно 72 и 1 сПз, а плотности 900 и 980 кг/м³.

На чертеже представлена схема установки по предлагаемому способу перемещения вязких нефтей и нефтепродуктов.

Установка включает в себя линейную часть трубопровода 1 с внутренним диаметром 100 м и U-образным дифманометром 2 для измерения перепада давления на мерной длине l=10 м линейной части трубопровода 1, колено 3 с установленной в нем лопастной мешалкой 4 с валом 5, соединенным с приводом 6, меняющим число оборотов в зависимости от подаваемого напряжения. Число оборотов вала 5 с лопастной мешалкой 4 измеряется строботахометром 7, а мощность привода 6 ваттметром 8.

Установка содержит емкость для нефти 9, в которую опущен всасывающий патрубок центробежного насоса 10, а нагнетательный патрубок 11, имеющий диаметр 80 мм (меньший внутреннего диаметра трубопровода 1) установлен осесимметрично с линейной частью трубопровода 1, присоединенного к колену 3. Для измерения расхода нефти установлен ротаметр 12. Расход нефти регулируется вентилем 13.

Установка содержит также емкость для воды 14, в которую опущен всасывающий патрубок центробежного насоса 15, а нагнетательный патрубок 16 присоединен к нижней части ветви 11 трубопровода. Для измерения расхода воды установлен ротаметр 17. Расход воды регулируется вентилем 18. Для приема нефтеводяного потока из трубопровода 1 установлена емкость-отстойник 19 с трубопроводом 20 и вентилем 21 для отбора нефти и слива ее в емкость 8 и трубопроводом 22 с вентилем 23 для отбора воды и слива ее в емкость 14.

Установка работает следующим образом. Включают насос нефти 10 и с помощью вентиля 13 устанавливают расход нефти по ротаметру 12. Затем включают насос воды 15 и с помощью вентиля 18 устанавливают расход воды по ротаметру 17. Регулируя напряжение на приводе 6 строботахометром 7 устанавливают необходимое число оборотов вала 5 с лопастной мешалкой 4. После стабилизации потоков нефти и воды в трубопроводе 1 измеряют перепад давления на мерной длине l U-образным дифманометром. Отработанный нефтеводяной поток сливают в емкость-отстойник 19.

После завершения опытов и расслаивания нефти и воды в емкости-отстойнике 19 открывают вентили 21 и 23 и по трубопроводам 20 и 22 соответственно нефть и вода из емкости-отстойника 19 переливают в емкость нефти 8 и емкость воды 14.

Расход нефти во всех опытах был 4 л/с, расход воды 1,1 л/с.

Таблица Результаты экспериментальных исследований по перемещению нефти в трубопроводе
		Гидравлическое	Энергозатраты, Вт
№опы та	Способ перемещения	сопротивление, Н/м2	линейные	на вращение мешалки	общие
	Предлагаемый при числе оборотов лопастной мешалки, рад/с
1	=15,3 (меньше нижнего предела, рассчитываемого по формуле 1)	1024	5,24	0,13	5,37
2	=16,6 (равна нижнему пределу, рассчитываемому по формуле 1)	656	3,44	0,15	3,59
3	=19,8 (среднее значение между верхним и нижним значениями угловой скорости, рассчитываемых по формуле 1)	504	2,56	0,22	2,78
4	=22,6 (равна верхнему пределу, рассчитываемому по формуле 1)	608	3,1	0,28	3,38
5	=23,4 (выше верхнего предела, рассчитываемого по формуле 1)	988	5,04	0,31	5,35
6	Промышленный (нефть заполняет весь трубопровод	1174	6,0	-	6,0
7	По прототипу (с винтовой нарезкой внутренней стенки трубы)	828	4,22	-	4,22

Как видно из таблицы, предлагаемый способ перемещения нефти в трубе позволяет по сравнению с прототипом уменьшать гидравлическое сопротивление в 1,26-1,64 раза, а по сравнению с промышленным способом (когда нефть заполняет весь трубопровод и не вращается) в 1,78-2,33 раза. Уменьшение угловой скорости вращения лопастной мешалки по сравнению с нижним пределом, рассчитываемым по формуле 1, как и ее увеличение выше верхнего предела (опыты 1 и 5 соответственно не дают преимуществ по сравнению с прототипом (опыт 7) как по гидравлическому сопротивлению, так и по энергозатратам.

Как видно из таблицы (опыты 1-5) энергозатраты на вращение мешалки составляют не более 10% от энергозатрат на перемещение жидкости по трубопроводу. Общие энергозатраты по сравнению с прототипом снижаются в 1,15-1,34 раза, а по сравнению с промышленным способом в 1,4-1,53 раза.

Применение лопастных мешалок позволяет создавать вращательное движение потока, в отличие от пропеллерных и турбинных мешалок, которые создают соответственно осевое и радиальное течение потока и способствуют перемешиванию воды и нефти.

Таким образом, предлагаемый способ перемещения вязких жидкостей и нефтей позволяет за счет создания центробежной силы при вращении потоков нефти и воды лопастными мешалками за участками, где происходит изменение скоростей потоков по величине или направлению, восстановить разрушенное коаксиальное концентрическое кольцо воды у внутренней поверхности трубы, снизить гидравлическое сопротивление трубопровода и уменьшить энергозатраты.