Перекачивание жидкостей по трубопроводу с воздушной подушкой

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Е. Г. Фетисова, А. Б. Голованчиков, И. С. Бацокин ПЕРЕКАЧИВАНИЕ ЖИДКОСТЕЙ ПО ТРУБОПРОВОДУ С ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКОЙ Волгоградский государственный технический университет
Рассмотрено уменьшение гидравлического сопротивления при транспортировке жидкостей по трубопроводу путем создания пристенного газового кольцевого слоя. Описан алгоритм расчета параметров трубопровода при перекачивании нефти с воздушным пристенным кольцевым слоем.
Ключевые слова: нефть, трубопровод, гидротранспорт жидкости, гидравлическое сопротивление, пристенный слой, градиент давления.
E. G. Fetisova, A. B. Golovanchikov, I. S. Bacokin LIQUID TRANSIT IN A PIPELINE WITH AIR CUSHION Volgograd State Technical University
The article presents the flow resistor reduction of liquid transit by providing the boundary gas radial layer. The computation algorithm of properties of the pipe with the boundary gas radial layer is described.
Keywords: oil, pipeline, water hydraulic transport, flow resistor, boundary layer, pressure differential.
Одним из перспективных методов уменьшения гидравлического сопротивления при транспортировке жидкостей по трубопроводу является создание пристенного газового кольцевого слоя [1−3]. Гидравлическое сопротивление при этом теоретически может уменьшаться на 2 и более порядков [4].
Существенным недостатком этого метода снижения гидравлического сопротивления является постепенное уменьшение толщины этого газового слоя вплоть до полного растворения газа в жидкости на длине I.
Для нивелирования эффекта полного растворения газа в основном потоке жидкости предлагается расход газа д на входе в трубу подавать такой, чтобы он был заведомо больше расхода дп, соответствующего концентрации насыщения основного потока жидкости газом:
Я/Яп& gt-1.
Рассмотрим, для примера, нефтепровод длиной 20 км и диаметром Б = 0,2 м. Вязкость нефти ц = 10−3 Пас, плотность р = 900 кг/м3. Для экологичности целесообразно создавать воздушный кольцевой пограничный слой. Растворимость воздуха в нефти при 20 °C х = 0,03 м3/м3. При расходе нефти = 3,33−10−2 м3/с, дп = х = = 10−3 м3/с. Если расход воздуха превышает его расход, соответствующей предельной растворимости дп на 30%, то д0 = 1,3 дп = 1,3−10& quot-3 м3/с = = 4,68 м3/ч.
При заданном расходе число Яе = 1982, то есть течение нефти в трубе будет ламинарным, и газовый пристенный слой не будет поглощаться за счет перемешивания основным потоком воды с образованием газовых пузырьков в жидкости. Средняя скорость нефти составит и = 1,127 м/с, то есть соответствует рекомендациям для течения жидкостей в трубопроводах
и = (1 г 2) м/с. Скорость на границе раздела фаз «нефть — воздух» будет иг = 0,563 м/с, а число Рейнольдса для газа Яег = 245, то есть течение газа, тем более ламинарное, и через границу раздела фаз молекулы газа будут переходить за счет массопередачи (рис. 1).
Рис. 1. Схема изменения рабочих и равновесных концентраций воздуха у границы раздела фаз
Концентрация воздуха до самой границы раздела фаз Яг равна единице на всей длине трубопровода, хотя толщина слоя 5 г уменьшается от входа к выходу за счет растворения воздуха в нефти. Концентрация молекул воздуха в нефти меняется от 0 на входе в трубопровод до концентрации насыщения х = 0,03 м3/м3, которую она достигает на длине I (рис. 2). Толщина воздушного пристенного слоя меняется от 50 до 5 на этой длине I, а затем остается постоянной, так как нефть становится насыщенной молекулами воздуха.
Так как лимитирующей стадией в массо-передаче согласно рис. 1 будет массоотдача молекул воздуха от границы раздела фаз к потоку
///////////////////////////////////// ////// //////////. '-//////////
и_ п_ а,->
0 & lt- Х& lt- X Ч& quot- сК. Ч: + ^ сЦ, а С & lt-

?0 0 С* * х=х
Х= 0 Кг к*

Ччччччччччччччччччч 5 г ЧЧЧЧЧ чЧЧЧЧЧЧЧЧЧ'-- I лччччччччч
Рис. 2. Схема изменения толщины и расхода воздушного пристенного слоя по длине трубопровода
нефти КР"рг, то для элементарного материального баланса по воздуху для сечений I и II (рис. 2) получаем уравнение:
& lt-1яг = -Рг (2лЯг& lt-М)[х*-(д0-дг)%], (1)
где в правой части второй сомножитель характеризует площадь массопередачи (массотдачи) между сечениями I и II, а третий — локальную движущую силу выбранном элементарном объеме, так как разность расходов воздушного слоя на входе я0 и в выбранном сечении яг равна расходу молекул газа, растворенных в нефти. Тогда вычитаемое (я0-дг)/ду=х характеризует рабочую концентрацию в выбранном сечении (рис. 2). Коэффициент массоотдачи в этом случае рассчитывается по уравнению [5]:
= 0,89Яе0,458с°, 5(1п/5п)0,5, (2)
где 5п=[(ц/р)2^]1/3 — приведенная толщина кольцевого пограничного слоя жидкости, м- 1п=2лЯг -приведенная длина этого слоя, м.
Ниже описан алгоритм расчета параметров трубопровода при перекачивании нефти с воздушным пристенным кольцевым слоем:
1. Для заданного расхода нефти, ее физических свойств, радиуса трубопровода, выбранного расхода воздуха, например, (на 30% превышающего его расход для предельного растворения воздуха в нефти) методом половинного деления определяется толщина воздушного слоя на входе в трубопровод: сначала задается толщина 50, по формуле
Яг = Я" - 50 (3)
находится радиус границы раздела фаз на входе, а по формуле (4) определяется градиент давления:
Ар/1 = (яУ/п)/[(Я2″ - Я2г) Я2г/4цг + Я4г/8ц] (4)
И по формуле (5):
д0 = (л/8)(Ар/1)(Я2″ - Я2г)2/цг (5)
воздуха 5, соответствующая расходу воздуха на длине I и равному я0 — яп, где яп — расход воздуха, поглощаемый нефтью за счет массопе-редачи до равновесной концентрации х = Яп/яу.
3. Разница толщин пристенного воздушного слоя 50 — 5 разбивается на 100 равных зон:
5=(50 — 5*)/100
4. Для каждой зоны с толщиной воздушного слоя
5 г (1) = 50 — 1-А5, 1& lt-1<-100
по формулам (3−5) определяется радиус границы раздела фаз Яг (1) градиент давления (Ар/1)(1) и расход воздуха яг (1), а по формуле (1), приведенной к конечным разностям длину трубопровода, на которой происходит изменение расхода воздуха от яг (1+1) до яг (1).
Чг 0'-) — Чг (1 +1)
м. =-
Рг [2^ ()]
х —
Ч0 — Чг ()
Чг
5. Длина трубопровода I, на которой происходит уменьшение толщины воздушного слоя с 50 до 5 определяется следующим образом:
I =
100
()
а потери давления на этой длине:
Лр = Х (т7|'-('-)'-Л? ()
определяется расход воздуха я0, соответствующий выбранной толщине 50 на входе в трубопровод.
2. Аналогично методом половинного деления определяется толщина пристенного слоя
Л?
6. Если длина трубопровода Ь& gt-1*, то общий перепад давления описывается уравнением:
Лр=лр'-- г)-(5) •
так как градиент давления на всей оставшейся длине (Ь-1) постоянен и равен градиенту давления для последней расчетной точки 1 = 100.
В таблице приведены исходные и справочные данные и результаты расчетов по описанному выше алгоритму.
Исходные и справочные данные и результаты расчетов трубопровода для перекачивания нефти с воздушным кольцевым пристенным слоем
I=1
Наименование параметра Размерность Обозначение Величина
Исходные данные
Производительность по перекачиваемой нефти м3/с 3,33−10'-2
Радиус трубопровода м я", 0,1
Рабочая температура °С 1 20
Длина трубопровода м Ь 20 000
Окончание таблицы
Наименование параметра Размерность Обозначение Величина
Справочные данные
Динамическая вязкость нефти Па-с ц 0,1
Плотность нефти кг/м3 Р 900
Коэффициент диффузии молекул воздуха в нефти кг/м3 Б 1,05−10−9
Растворимость воздуха в нефти [6] (равновесная концентрация при рабочей температуре и давлении) м3/ м3×0,03
Динамическая вязкость воздуха Па-с Цг 1,85−10−5
Основные расчетные параметры
Плотность воздуха при заданных температуре и давлении кг/м3 Рг 1,2
Расход воздуха на входе в трубопровод м3/ с Я0 1,3−10'-3
Толщина воздушного пристенного слоя на входе мм 50 3,69
Расход воздуха, соответствующий предельной его растворимости в нефти м3/ с дп 10'-3
Расход воздуха на длине 1* м3/ с я* 0,3−10'-3
Толщина воздушного пристенного слоя на длине 1* мм 5* 0,89
Длина трубопровода, на которой происходит насыщение нефти молекулами воздуха за счет массопе-редачи м 1* 14 718
Гидравлическое сопротивление на длине 1* ат * Ар 0,04
Общее гидравлическое сопротивление с воздушным пристенным слоем ат Арг 0,067
Гидравлическое сопротивление без воздушного слоя (обычный гидротранспорт нефти) ат Ар 17,3
Дополнительные расчетные параметры
Число Рейнольдса для нефти — Яе 1968
Число Рейнольдса для воздуха — Яег 245
Средняя скорость нефти м/ с и 1,127
Средняя скорость воздуха м/ с иг 0,563
Приведенная толщина кольцевого пограничного слоя жидкости м 5п 1,087−10'-3
Приведенная длина кольцевого пограничного слоя жидкости м «п 6,048−10−1
Число Шмидта — Бс 1,6 105
Число Шервуда — БИ 36,38
Коэффициент массоотдачи для молекул воздуха от границы раздела фаз в поток нефти м/с в 3,51−10−5
Отношение расхода воздуха на входе к расходу нефти — Ч. ОТ 3,9−10−2
Градиент давления на входе Па/м Ар/1 0,125
Градиент давления при ?& gt-?* Па/м (Ар/1)* 0,447
Отношение потерь давления при обычном гидротранспорте нефти и с воздушной смазкой — Н О 258
Как видно из расчетов, представленных в пристенного кольцевого слоя с 50 ~ 3,7 мм до
таблице, на длине I ~ 15 км гидротранспорт 5 ~ 0,9 мм и снижением расхода воздуха в этом
нефти происходит с уменьшением толщины слое с д0 = 1,3 л/с до д = 0,3 л/с. При этом, ос-
новной поток нефти в трубопроводе увеличивает концентрацию воздуха в нефти, за счет мас-соотдачи, с х = 0 до х = х = 30 л/м3. На остальных 5 км длины расход воздуха и толщина воздушного слоя не меняются, так как массопе-редача молекул воздуха через границу раздела фаз стремится к нулю.
Описанный способ гидротранспорта нефти по трубопроводу с воздушной смазкой, когда ее расход на входе превышает предельную растворимость воздуха в нефти, не позволяет всему воздуху «раствориться» в нефти за счет мас-сопередачи его молекул через границу раздела фаз, при этом гидравлическое сопротивление снижается в 250 раз, а сам расход воздуха не превышает 4% от расхода перекачиваемой нефти.
БИБЛИОГРАФИЧЕКИЙ СПИСОК
1. Голованчиков, А. Б. Транспортировка нефти и нефтепродуктов с газовым пограничным слоем / А. Б. Голо-ванчиков, А. В. Ильин, Л. А. Ильина [и др.]. // Технология нефти и газа. — 2006. — № 4. — С. 9−12.
2. Полезная модель РФ 84 924 МПК 15Б1/06, Е17Б1/20 Устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе / А. Б. Голованчиков, Е. Н. Конопальцева, А. В. Ильин: заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. — 2009.
3. Полезная модель РФ 84 925 ППК 15Б1/06, Е17Б1/20 Устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе / А. Б. Голованчиков, Е. Н. Конопальцева, А. В. Ильин: заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. — 2009.
4. Голованчиков, А. Б. Теоретические основы течения жидкостей в трубопроводе с маловязким пограничным слоем: монография / А. Б. Голованчиков, А. В. Ильин, Л. А. Ильина / ВолгГТУ — Волгоград, 2008. — 92 с.
5. Рамм, В. М. Абсорбция газов / В. М. Рамм // 2-е изд. — М.: Химия, 1976. — 655 с.
6. Справочник по разделению газовых смесей / И. И. Гель-перин, Г. М. Зеликсон, Л. Л. Рапопорт. — 2-е изд., перераб. -М.: Гостехниздат химической литературы, 1963.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой