РОЗДІЛ 2
РОЗРОБКА МЕТОДІВ РОЗРАХУНКУ ПАРАМЕТРІВ ПОСЛІДОВНОГО
ПЕРЕКАЧУВАННЯ, ЗАЛЕЖНИХ ВІД ІНТЕНСИВНОСТІ
СУМІШОУТВОРЕННЯ РІЗНОСОРТНИХ НАФТ
Метод послідовного перекачування, як спеціальна технологія трубопровідного транспорту нафти і нафтопродуктів, характеризується комплексом специфічних технологічних параметрів. Більшість із них безпосередньо пов'язані з основною особливістю даної технології перекачування - утворенням суміші у зоні контакту різносортних рідин. До параметрів послідовного перекачування, які безпосередньо визначаються інтенсивністю сумішоутворення різносортних рідин, належать об'єм суміші при різних граничних концентраціях, об'єм сторонніх рідин, які як домішки надходять у резервуари з товарними продуктами у процесі розкладання суміші в кінці трубопроводу, кількість циклів послідовного перекачування, мінімальні об'єми партій транспортованих продуктів, необхідний об'єм резервуарної ємності на головній насосній станції та в кінці трубопроводу.
Аналіз результатів теоретичних і експериментальних досліджень закономірностей масопереносу при послідовному перекачуванні різносортних рідин в умовах магістральних нафтопроводів показав, що рівняння поздовжньої турбулентної дифузії може описати з достатньою для практичних потреб точністю процеси сумішоутворення як різносортних світлих нафтопродуктів, так і нафт різних сортів. Необхідною умовою при цьому є підстановка у рівняння адекватного значення ефективного коефіцієнта дифузії , визначеного з врахуванням фізичних властивостей нафти, геометричних характеристик магістральних нафтопроводів і характеристик турбулентного потоку.
Слід зазначити, що ефективний коефіцієнт дифузії є найбільш важливим параметром послідовного перекачування різносортних рідин, він не тільки характеризує інтенсивність сумішоутворення рідин, але і визначає практично всі технологічні параметри даної технології трубопровідного транспорту.
При послідовному перекачуванні світлих нафтопродуктів діапазон зміни кінематичної в'язкості досить вузький і практично вкладається у проміжок від 1 до 10 сСт. Послідовно транспортовані нафти можуть мати значно ширший діапазон значень кінематичної в'язкості від кількох сантистокс до стокса. Послідовне перекачування різносортних нафт може реалізуватись у магістральних нафтопроводах, діаметр яких в умовах України змінюється від Ду=300мм до Ду=1200 мм. Витрата нафти у магістральних нафтопроводах також може мінятись у широкому діапазоні залежно від ступеня їх завантаження. Таким чином, з точки зору гідродинаміки, процеси сумішоутворення при послідовному перекачуванні нафт мають ряд особливостей, порівняно з процесами перемішування світлих нафтопродуктів. Залежно від співвідношення геометричних характеристик нафтопроводу, ступеня його завантаження і фізичних властивостей нафт послідовне перекачування нафти може відбуватись у широкому діапазоні критерію Рейнольда - від , що відповідає зоні гідравлічно гладких труб до , що відповідає зоні змішаного тертя турбулентного режиму. Тому необхідно розробити математичні моделі для ефективного коефіцієнта дифузії, які спроможні врахувати особливості сумішоутворення різносортних нафт у тій чи іншій зоні тертя турбулентного режиму.
Вихідним рівнянням для одержання математичних моделей для ефективного коефіцієнта дифузії використовуємо формальний вираз (1.18), запропонований В.І. Мароном. Як зазначено вище, для одержання розрахункових моделей у базовий вираз (1.18) необхідно підставити відповідні математичні моделі для профілю швидкості і для коефіцієнта турбулентної дифузії.
2.1. Математичні моделі ефективного коефіцієнта дифузії при перекачуванні рідин у зоні гідравлічно гладких труб
Послідовне перекачування нафт середньої та підвищеної в'язкості часто відбувається у зоні гідравлічно гладких труб турбулентного режиму.
Одержимо математичну модель ефективного коефіцієнта змішування для вказаних умов. Як вихідні рівняння використаємо формули для профілю швидкостей і коефіцієнта тертя у гладких трубах, які були запропоновані А.Д. Альтшулем [83,84]
, (2.1)
, (2.2)
де - динамічна швидкість турбулентності;
; (2.3)
- значення числа Рейнольдса у трубопроводі;
- віддаль від стінки труби до шару рідини, що має швидкість ;
- дотичні напруження на внутрішній стінці труби;
- густина транспортованого середовища;
Формула (2.1) після математичних перетворень може бути записана у вигляді
, (2.4)
а після переходу до натуральних логарифмів
, (2.5)
де - віддаль від осі труби до шару рідини, що рухається зі швидкістю .
На основі результатів розрахунків, виконаних за формулами (2.2),(2.3) і (2.5), за допомогою програмного забезпечення Excel побудовані профілі швидкостей для зони гідравлічно гладких труб при послідовному
перекачуванні двох сортів нафти з розрахунковою кінематичною в'язкістю 18 сСт і 50 сСт по нафтопроводу діаметром 0,513 м (рис.2.1).
Рис.2.1. Розподіл швидкостей по перерізу труби при перекачуванні рідини у
зоні гідравлічно гладких труб турбулентного режиму:
1 - профіль швидкості при розрахунковій в'язкості нафти 18 сСт;
2 - профіль швидкості при розрахунковій в'язкості нафти 50 сСт.
Аналіз графіків, наведених на рис.2.1 показує, що у зоні гідравлічно гладких труб в'язкість рідини помітно впливає на розподіл швидкостей по перерізу труби. Це дозволяє прогнозувати суттєву залежність ефективного коефіцієнта дифузії від розрахункової в'язкості послідовно транспортованих рідин.
Використовуючи рівняння (2.5), знаходимо градієнт швидкості у турбулентному потоці рідини, яка рухається у зоні гідравлічно гладких труб
(2