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:
(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:
(2)
Также при математическом описании вихревого движения жидкости используются теоремы Гельмгольца [4]. Вихрем скорости называется вектор, имеющий составляющие в каждой точке [5]:
(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
(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]:
(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.
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.