Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,653

К ВОПРОСУ О ПРЕДОТВРАЩЕНИИ ОБРАЗОВАНИЯ И НАКОПЛЕНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В РЕЗЕРВУАРАХ

Шайхутдинова М.Ш. 1, 2 Дудников Ю.В. 3 Ямалетдинова К.Ш. 4 Гоц С.С. 4
1 АО «Транснефть-Урал»
2 ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
3 Управление Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Республике Башкортостан
4 ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет»
Донные отложения, образующиеся в резервуарах, являются производной составной частью нефти, и поэтому их свойства главным образом зависят от состава исходной нефти. Электрофизические свойства АСПО (асфальтосмолопарафиновые отложения) и нефти существенно различаются в зависимости от температуры исследования. При длительной эксплуатации резервуаров с течением времени накапливаются донные отложения, сокращающие полезную ёмкость и затрудняющие их эксплуатацию. Донные отложения распределяются от основания резервуара и выше неравномерно, наибольшая толщина наблюдается в участках, удалённых от приёмо-раздаточных патрубков, что не позволяет точно замерять фактическое количество нефти в резервуаре. Теоретическим аспектом предотвращения образования и накопления донных отложений является обеспечение вихревого течения жидкости. Нами разработана конструкция резервуара, в основе которой используется рассматриваемый аспект. В работе также приводится сравнительный анализ некоторых существующих и применяющихся в настоящее время из большого количества методов и устройств, конструкция которых направлена на предотвращение образования и накопления донных отложений. Существующие средства предотвращения образования и накопления донных отложений, нашедшие наибольшее применение, основаны на механическом методе перемешивания. Предлагаемая конструкция резервуара для предотвращения образования и накопления донных отложений отличается от классической конструкции резервуара расположением приёмо-раздаточных патрубков. Входной и выходной патрубок устанавливаются на диаметрально-противоположной стороне стенки корпуса резервуара и за счёт постоянного движения потока жидкости внутри резервуара, поступления продукта с одной стороны и откачки с диаметрально противоположной, вследствие чего не происходит отстаивания продукта в зонах, отдалённых от приёмо-раздаточных патрубков.
донные отложения
предотвращение образования и накопления
конструкция резервуара
1. К вопросу об исследовании физико-химического состава асфальтосмолопарафиновых отложений / М.Ш. Шайхутдинова [и др.] // Нефтегазовые технологии и новые материалы. Проблемы и решения: сб. науч. тр. – Уфа: ООО «Монография», 2016. – Вып. 5 (10). – С. 363 решения: сб. науч. тр. – Уфа: ООО «Монография», 2016. – Вып. 5 (10). – 366.
2. Шайхутдинова М.Ш. Энергетические характеристики процессов электропроводности асфальтосмолопарафиновых отложений / М.Ш. Шайхутдинова, С.С. Гоц, К.Ш. Ямалетдинова // Наукоемкие технологии в решении проблем нефтегазового комплекса: материалы Межд. молодежной науч. конф. (Уфа, 19–24 дек. 2016г.). – Уфа: РИЦ БашГУ, 2016. – С. 79–80.
3. Шайхутдинова М.Ш. Экспериментальное исследование на низких частотах частотной и температурной зависимостей электропроводности асфальтосмолопарафиновых отложений в резервуарах / М.Ш. Шайхутдинова, С.С. Гоц, К.Ш. Ямалетдинова // Теплофизика высоких температур. – 2018. – Т. 56, № 1. – С. 141–144. URL: http://mi.mathnet.ru/rus/tvt/v56/i1/p141 (дата обращения: 18.02.2018). DOI: 10.7868/S0040364418010167.
4. Гельмгольц Г. Основы вихревой теории / Г. Гельмгольц. – Москва – Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. – 82 с.
5. Козлов В.В. Общая теория вихрей / В.В. Козлов. – Москва – Ижевск: Институт компьютерных технологий, 2013. – 324 с.
6. Коркодинов Я.А. Применение эффекта Ранка – Хильша / Я.А. Коркодинов, О.Г. Хурматуллин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2012. – Т. 14, № 4. – С. 42–54. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-effekta-ranka-hilsha (дата обращения: 18.02.2018).
7. Y. Wu. Effect of geometrical contraction on vortex breakdown of swirling turbulent flow in a model combustor / Y. Wu, C Carlsson, R. Szasz, L. Peng, L. Fuchs, X.S. Bai // Fuel. – 2016. – V. 170. – P. 210–225. URL: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2015.12.035 (дата обращения: 18.02.2018). DOI: 10.1016/j.fuel.2015.12.035.
8. Escudier M.P. Flow produced in a conical container by a rotating endwall / M.P. Escudier, J. O’Leary, R.J. Poole // International Journal of Heat and Fluid Flow. – 2007. – Т. 28. – Р. 1418–1428. URL: https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2007.04.018 (дата обращения: 18.02.2018). DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2007.04.018.
9. Шаубергер В. Энергия воды / В. Шаубергер. – М.: Яуза, 2007. – 320 с.
10. Ширяев А.М. О применении замкнутых вихревых образований для повышения энергоэффективности технологических процессов трубопроводного транспорта / А.М. Ширяев, В.В. Жолобов, С.А. Савинов // Наука и технологии транспорта нефти и нефтепродуктов. – 2015. – № 1(17). – С. 26–35.

При длительной эксплуатации резервуаров с течением времени накапливаются донные отложения, сокращающие полезную ёмкость и затрудняющие их эксплуатацию. Донные отложения распределяются по поверхности дна резервуара неравномерно, наибольшая толщина наблюдается в участках, удалённых от приёмо-раздаточных патрубков, что не позволяет точно замерять фактическое количество нефти в резервуаре. Со временем осадок уплотняется и в отдельных зонах трудно поддаётся размыву, превращается в АСПО. Кроме того, при отстаивании нефти в течение длительного времени может наблюдаться появление воды на дне резервуара, что тоже послужит некорректному подсчету объема нефти в наземном нефтехранилище. Донные отложения, АСПО представляют собой многокомпонентную смесь, состоящую их различных углеводородов, парафинов, асфальтенов, смол, механических примесей и других компонентов [1]. По своей природе донные отложения, нефть занимают промежуточное положение между диэлектриками и полупроводниками [2–3].

Теоретическим аспектом предотвращения образования и накопления донных отложений является обеспечение квазивихревого течения жидкости. Основным уравнением, которое описывает течение жидкости, является уравнение неразрывности или непрерывности (1), которое представлено в следующем виде:

hayh01.wmf (1)

где x, y, z – координаты движущейся частицы жидкости во времени t;

ω, υ, u – составляющие компоненты вектора скорости;

ρ – плотность жидкости.

При постоянном значении плотности ρ = const уравнение неразрывности принимает следующий вид:

hayh02.wmf (2)

Также при математическом описании вихревого движения жидкости используются теоремы Гельмгольца [4]. Вихрем скорости называется вектор, имеющий составляющие в каждой точке [5]:

hayh03.wmf hayh04.wmf

hayh05.wmf (3)

где ξ, η, ζ – компоненты по осям координат x, y, z вращательной или угловой скорости частицы жидкости при вращении вокруг своего центра тяжести.

Вихревой поверхностью называют поверхность, которую образуют вихревые линии, т.е. касательная точка которой проходит через вектор вихря и имеет вид

hayh06.wmf (4)

При описании вихревого движения жидкости выделяют «вынужденные» и «свободные» вихри. Различают вихри Рэнкина, которые занимают промежуточное положение между двумя вышеназванными вихрями. Распределение скорости вихря Рэнкина имеет вид [6]:

hayh07.wmf (5)

где r – расстояние до оси вращения, м;

С и r0 – константы, которые определяют интенсивность вихря и радиальную координату, условно разделяющую свободный и вынужденный вихри.

В реальных условиях течение жидкости, которое похоже на вихри Ренкина, можно увидеть при сливе воды из ванной. Многие экспериментальные исследования были посвящены описанию вихревого течения жидкости, которое образовывалось благодаря вращению диска, каких-либо решёток, предметов, помещённых внутри сосуда [7]. Похожие исследования проведены [8] для жидкости, помещённой в усечённый конус, где также прослеживается образование вихрей в зависимости от значения числа Рейнольдса и угла сечения конуса. Для предотвращения образования донных отложений существует гипотеза искусственного формирования вихревого течения в трубках за счет применения их специальной конструкции, предложенных Шаубергером [9]. С целью повышения энергоэффективности технологических процессов трубопроводного транспорта В.В. Жолобов и другие в работе [10] описывают применение замкнутых вихревых образований при размыве донных отложений в вертикальных резервуарах, очистке стенок трубопровода.

С целью предотвращения образования и накопления донных отложений в настоящее время используется большое количество методов и устройств. Например, физический метод основан на воздействии на нефть, нефтепродукты механического, ультразвукового колебания, электрического, магнитного и электромагнитного полей; в основе механического колебания или воздействия лежит процесс перемешивания сред.

Процесс перемешивания жидких сред широко распространён в ряде производств. Под перемешиванием понимают процесс многократного относительного перемешивания макроскопических элементов объёма жидкой среды относительно друг друга под действием импульса, передаваемого среде механической мешалкой, струёй газа или жидкости. Различают механический, пневматический и циркуляционный методы перемешивания.

Механический метод осуществляется путём механического воздействия рабочего органа (мешалки) на рабочую среду. Для ёмкостей номинальным объёмом от 0,01 до 100 м3 различают лопастные, зубчатые, винтовые, турбинные, шнековые, якорные и т.д. Выбор той или иной мешалки обуславливается физико-химическими свойствами сред, значением вязкости, видом протекающей химической реакции и необходимой частотой вращения.

Пневматический метод основан на пропускании струи газа через слой жидкости и осуществляется подачей воздуха в нижнюю часть сосуда через трубу открытым концом, при этом конец трубы изгибают во избежание ударов струи о днище. Недостатками данного метода являются большой расход энергии на подачу газа (воздуха), воздействие на жидкую среду и при интенсивном перемешивании происходит накопление статического электричества, что может привести к воспламенению среды или взрыву.

Циркуляционный метод осуществляется за счёт применения насосов, которые забирают жидкость с нижней части ёмкости и сильной струёй возвращают обратно, в месте забора, либо в удалённую часть. Применяют центробежные насосы, инжекторные и диафрагмовые смесители. Недостатком является оседание вещества на дне ёмкости из-за наличия расстояния между насосом и дном, также при поломке насосов возможен простой оборудования.

Существующие средства предотвращения образования и накопления донных отложений, нашедшие наибольшее применение, основаны на механическом методе перемешивания.

Предлагаемая конструкция резервуара (рисунок) для предотвращения образования и накопления донных отложений отличается от классической конструкции резервуара расположением приёмо-раздаточных патрубков. Входной и выходной патрубки устанавливаются на диаметрально противоположной стороне стенки корпуса резервуара. Данное расположение патрубков позволяет предотвратить образование и накопление донных отложений за счёт постоянного движения потока жидкости внутри резервуара, поступления продукта с одной стороны и откачки с диаметрально противоположной, вследствие чего не происходит отстаивания продукта в зонах, отдалённых от приёмо-раздаточных патрубков.

hayhut1.tif

Общий вид резервуара: 1 – фундамент; 2 – стенка; 3 – днище; 4 – крыша; 5 – понтон; 6 – входной патрубок; 7 – выходной патрубок

Заключение

В данной работе предлагается конструкция резервуара, в основе которой используются основы вихревого течения жидкости. Отличительной особенностью от классической конструкции резервуара является расположение приёмо-раздаточных патрубков, за счет которого и происходит предотвращение образования и накопления донных отложений в резервуаре.


Библиографическая ссылка

Шайхутдинова М.Ш., Дудников Ю.В., Ямалетдинова К.Ш., Гоц С.С. К ВОПРОСУ О ПРЕДОТВРАЩЕНИИ ОБРАЗОВАНИЯ И НАКОПЛЕНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В РЕЗЕРВУАРАХ // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 4. – С. 172-175;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36744 (дата обращения: 17.07.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252