Патент на изобретение №2334161

(54) СПОСОБ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВЫСОКОВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ ПО ТРУБОПРОВОДУ

(57) Реферат:

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может найти применение в нефтехимической, химической, строительной и других отраслях промышленности при перемещениях высоковязких ньютоновских и неньютоновских жидкостей, суспензий, эмульсий и растворов. Техническим результатом является уменьшение гидравлического сопротивления и энергозатрат на гидротранспорт высоковязких жидкостей, в частности нефтей и нефтепродуктов, за счет создания устойчивого кольцевого пограничного слоя водного раствора с перемещаемой жидкостью при равенстве на этой границе касательных напряжений, скоростей и градиентов скоростей. Это достигается тем, что в способе перемещения высоковязких жидкостей по трубопроводу с пристенным слоем из раствора жидкости в качестве жидкости используют вязкопластичную жидкость и соотношение радиусов пристенного слоя раствора вязкопластичной жидкости и радиуса трубопровода составляет

где r, R – соответственно радиус пристенного слоя раствора вязкопластичной жидкости и радиус трубопровода, м; ₀ – предельное напряжение сдвига раствора вязкопластичной жидкости, Па; – пластическая вязкость раствора вязкопластичной жидкости, Па·с; – вязкость перекачиваемой жидкости, Па·с; р – перепад давления в трубопроводе, Па; l – длина трубопровода, м. 1 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к трубопроводному транспорту и может найти применение в нефтехимической, химической, строительной и других отраслях промышленности при перемещении высоковязких ньютоновских и неньютоновских жидкостей, суспензий, эмульсий и растворов.

Известен способ гидротранспорта нефти и нефтепродуктов, при котором в трубопровод одновременно закачивают воду и вязкий нефтепродукт так, чтобы последний двигался внутри водяного кольца. Для предотвращения всплытия нефти, находящейся в кольце, потоку придают вращение, при этом вращение 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 мешалки, рад/с;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

R – радиус трубопровода, м.

(Патент РФ №2262035, F17Д 1/14, F15Д 1/02, 2005 г.)

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность реализация способа, связанная с установкой внутри трубопровода мешалок, узлов уплотнения, приводов и линии подвода электроэнергии к ним. Кроме того, вода нефть и нефтепродукты являются ньютоновскими жидкостями. Поэтому на кольцевой границе их раздела при равенстве касательных напряжений и скоростей градиенты скорости отличаются так, что их отношение равно отношению вязкости нефти или нефтепродукта и воды. Это приводит к перемешиванию обеих жидкостей, потере устойчивости водного кольцевого пограничного слоя и увеличению энергозатрат и давления при гидротранспорте.

Известен 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 др.).

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. – 368 с. С.243)

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность изготовления винтовой нарезки на внутренней поверхности трубы, особенно на 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. Это объясняется тем, что в отсутствие центробежной силы и вращения обеих жидкостей на кольцевой границе их раздела при равенстве скоростей и касательных напряжений градиенты скоростей отличаются пропорционально отношению вязкостей нефти и воды. Этот «перелом» профиля скорости и приводит к эффекту турбулизации потоков на границе и их перемешиванию.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ перемещения высоковязких жидкостей с пристенным слоем из маловязкой жидкости – растворов полимеров. Рекомендуют использовать полимеры окиси этилена или полимеры и сополимеры винилового спирта, акриламида в сочетании с низшими акрилакрилатами или метакрилатами.

(Химические средства и технологии в трубопроводном транспорте нефти. / Б.Н.Мастобаев, А.М.Шаммазов, Э.М.Мовсумзаде. – М.: Химия, 2002. – 296 с. С.123.)

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неустойчивость кольцевого пограничного слоя перемещаемой высоковязкой жидкости, в частности нефти или нефтепродукта, и маловязкого водного раствора полимера. Это связано с тем, что даже при равенстве скоростей и касательных напряжений на этой кольцевой границе в обеих жидкостях градиенты скоростей значительно отличаются, так как их отношение пропорционально отношению вязкостей нефти и раствора. Эта разница градиентов скоростей способствует перемешиванию обеих жидкостей, потере устойчивости кольцевого пограничного слоя, созданию обычной эмульсии раствора в нефти и возрастанию гидравлического сопротивления и энергозатрат.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является уменьшение гидравлического сопротивления и энергозатрат на гидротранспорт высоковязких жидкостей, в частности нефтей и нефтепродуктов, за счет создания устойчивого кольцевого пограничного слоя раствора с перемещаемой жидкостью при равенстве на этой границе касательных напряжений, скоростей и градиентов скоростей.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе перемещения высоковязких жидкостей по трубопроводу с пристенным слоем из раствора жидкости в качестве жидкости используют вязкопластичную жидкость и соотношение радиусов пристенного слоя раствора вязкопластичной жидкости и радиуса трубопровода составляет

где r, R – соответственно радиус пристенного слоя раствора вязкопластичной жидкости и радиус трубопровода, м;

₀ – предельное напряжение сдвига раствора вязкопластичной жидкости, Па;

– пластическая вязкость раствора вязкопластичной жидкости, Па·с;

– – вязкость перекачиваемой жидкости, Па·с;

р – перепад давления в трубопроводе, Па;

l – длина трубопровода, м.

Применение в качестве пристенного слоя раствора вязкопластичной жидкости в соотношении технологических и физических параметров обеих жидкостей, подчиняющихся формуле (1), позволяет обеспечить на кольцевой границе этих жидкостей не только равенство касательных напряжений и скоростей, но и равенство градиентов скоростей.

Течение перемещаемых по трубопроводу высоковязких жидкостей обычно описывается уравнением Ньютона

где – касательные напряжения, Па;

– вязкость перекачиваемой жидкости, Па·с;

– градиент скорости, с^-1.

Течение маловязкой жидкости в аналогах или раствора полимера в прототипе, подаваемых в пограничный слой, также описывается уравнением (2), но с вязкостью ₁<<, или так называемым степенным уравнением

где k и n – соответственно константа консистентности и индекс течения.

На чертеже показана зависимость касательных напряжений от градиента скорости: 1 – для перемещаемой высоковязкой жидкости, 2 – для раствора полимера, описываемого степенным уравнением (3), 3 – для вязкопластичной жидкости, подаваемой в пограничный слой (tg=; tg=).

Как видно из графиков 1 и 2 на чертеже, они не пересекаются, поэтому ни в одной точке не имеют при одинаковых касательных напряжениях одинаковых градиентов скорости. Таким образом, в известном способе перемещения, когда в качестве кольцевого пограничного слоя используется маловязкая жидкость или раствор полимера, описываемый степенным уравнением (3), на границе обеих жидкостей можно уравнять касательные напряжения и скорости, но нельзя уравнять градиенты скорости . Неравенство градиентов скорости обеих жидкостей на их границе вызывает неустойчивость течения и взаимное перемешивание пограничной жидкости с высоковязкой перемещаемой жидкостью, что приводит к возрастанию гидравлического сопротивления и затрат энергии на перекачивание обеих жидкостей.

Течение вязкопластичных жидкостей, которые используют в предлагаемом способе транспорта высоковязких жидкостей по трубопроводу, описывается уравнением

где ₀ – предельное напряжение сдвига, Па;

– пластическая вязкость, Па·с;

График зависимости (4) представлен на чертеже. Как видно из графиков уравнений (2) и (4) (кривые 1 и 3 на чертеже), они имеют общую точку пересечения А, в которой касательные напряжения ^* и градиенты скорости для обеих жидкостей одинаковые. Если на кольцевой границе обеих жидкостей (перекачиваемой высоковязкой и пограничной со стенкой трубы вязкопластичной) обеспечить касательное напряжение _*, то ему будут соответствовать одинаковые градиенты скорости и скорости v*. В этом случае соотношение технологических параметров: перепад давления р на длине трубопровода l при радиусе R и физических параметрах жидкостей должно описываться уравнением (1).

Пример. Проводят перекачивание высоковязкой нефти =1 Пас по трубопроводу радиуса R=0,15 м с кольцевым пограничным слоем вязкопластичной жидкости – глинистого раствора, содержащего 14,3 г/л феррохромлигносульфоната (₀=2,93 Па и =0,013 Пас, Роджерс В.Ф. Состав и свойства промывочных жидкостей. Изд. 3-е. – М.: Недра, 1967. С.322) и 1% раствора полиакриламида в воде (выбранного за прототип). Перепад давления на мерной длине 1=10 м контролируют U-образным дифманометром, а расходы нефти, вязкопластичной жидкости и 1% раствора полиакриламида в воде контролируют ротаметрами. Течение 1% водного раствора полиакриламида описывается степенным уравнением (3) при К=0,35, n=0,918, то есть

(Реология в процессах и аппаратах химических производств. Труды Волгоградского политехнического института. – Волгоград: «Волгоградская правда». С.24).

Результаты представлены в таблице

Таблица
Сравнение параметров течения нефти высокой вязкости =1 Пас в трубопроводе радиуса R=0,15 с кольцевым пограничным слоем вязкопластичного глинистого раствора, содержащего 14,3 г/л феррохромлигносульфоната (0=2,93 Па и =0,013 Пас), и с жидкостью – раствором полимера, описываемого степенным уравнением (3), (К=0,35, n=0,918 – прототип)
Соотношение радиусов пристенного слоя раствора вязкопластичной жидкости к радиусу трубопровода, r/R	0,6	0,7	0,8	0,9
Расход нефти по предлагаемому способу и способу, принятому за прототип, м3/час	326	225,7	130,3	58,4
Перепад давления на 1 м длины трубопровода (градиент давления) (р/1), Па/м:
а) по предлагаемому способу	66,3	56,8	49,7	44,3
б) по способу, принятому за прототип	232	147	86	47,1
Удельные затраты энергии на перекачивания Вт-час/м3 км:
а) по предлагаемому способу	38	26	18	13
б) по способу, принятому за прототип	119	60	29	14
Касательные напряжения на границе пристенного слоя и нефти, Па:
а) по предлагаемому способу	2,98	2,98	2,98	2,98
б) по способу, принятому за прототип	10,4	7,72	5,16	3,18
Скорость жидкостей на кольцевой границе r, м/с:
а) по предлагаемому способу	3,49	1,73	0,71	0,18
б) по способу, принятому за прототип	3,38	1,64	0,65	0,179
Градиент скорости на границе слоев, с-1:
а) по предлагаемому способу:
для вязкопластичной жидкости	2,98	2,98	2,98	2,98
для нефти	2,98	2,98	2,98	2,98
б) по способу, принятому за прототип:
для жидкости, описываемой уравнением (3)	40,8	29,2	18,2	9,95
для нефти	10,4	7,72	5,16	3,18

Чем больше соотношение радиусов r/R, тем меньше должен быть перепад давления на единицу длины трубопровода. Это обеспечивает равенство на границе слоев не только скоростей и касательных напряжений, как в прототипе, но и градиентов скоростей, что предотвращает смешение обеих жидкостей на границе слоев и приводит к уменьшению гидравлического сопротивления и энергозатрат.

Как видно из данных этой таблицы, при одинаковых расходах высоковязкой нефти и соотношения радиусов пристенного слоя раствора вязкопластичной жидкости (предлагаемый способ) или пристенного слоя полимера, описываемого степенным уравнением (3) (способ выбранный за прототип), и радиуса трубопровода гидравлическое сопротивление, характеризуемое перепадом давления на 1 метре трубы (градиентом давления), по предлагаемому способу в 1,07-3,5 раза меньше, чем по способу, выбранному за прототип, а соответственно удельные затраты энергии на перекачивание 1 м³ высоковязкой нефти на 1 км длины трубопровода в 1,06-3,12 раза меньше. Особенно преимущество предлагаемого способа перекачивания высоковязкой нефти возрастает с уменьшением соотношения радиусов пристенного слоя вязкопластичной жидкости к радиусу трубопровода. Кроме того, как видно из данных таблицы, при одинаковых касательных напряжениях и скоростях жидкостей на границе пристенного слоя вязкопластичной жидкости и нефти градиенты скорости жидкостей одинаковые, что обусловлено соотношением физических свойств, геометрических и технологических параметров по уравнению (1), когда при одинаковых касательных напряжениях ^* на границе слоев возможно равенство градиентов скорости (см. чертеж). Для способа, выбранного за прототип, когда в качестве пристенного слоя используют жидкость – раствор полимера, описываемый степенным уравнением (3), при одинаковых касательных напряжениях на границе слоев градиенты скорости и (см. чертеж) не равны и отличаются в 3-4 раза. Такое неравенство градиентов скоростей на границе раствора полимера, описываемого степенным уравнением (3) по прототипу, приводит к перемешиванию обеих жидкостей и дополнительному увеличению гидравлического сопротивления и энергозатрат.

В качестве вязкопластичных жидкостей, подаваемых в кольцевой пограничный слой, можно использовать известные глинистые растворы, применяемые при бурении скважин, при этом получать устойчивый пограничный слой с равенством на нем касательных напряжений, скоростей и их градиентов. Применение именно вязкопластичных жидкостей в кольцевом пограничном слое позволяет одновременно обеспечить на ее кольцевой границе с перекачиваемой высоковязкой жидкостью равенство не только касательных напряжений и скоростей, как в известных способах, когда в пограничный слой подается маловязкая жидкость или газ, или жидкость, описываемая степенным уравнением (3) но и равенство градиентов скоростей.

Формула изобретения

Способ перемещения высоковязких жидкостей по трубопроводу с пристенным слоем из раствора жидкости, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют вязкопластичную жидкость, при этом соотношение радиусов пристенного слоя раствора вязкопластичной жидкости и радиуса трубопровода составляет

где r, R – соответственно радиус пристенного слоя раствора вязкопластичной жидкости и радиус трубопровода, м;

₀ – предельное напряжение сдвига раствора вязкопластичной жидкости, Па;

– пластическая вязкость раствора вязкопластичной жидкости, Па·с;

– вязкость перекачиваемой высоковязкой жидкости. Па·с;

р – перепад давления в трубопроводе, Па;

l – длина трубопровода, м.

РИСУНКИ