Способ напорного транспорта высоковязких жидкостей

 

Сущность изобретения: перекачивают поток жидкости под давлением на подслое маловязкой среды с периодической подачей в начало потока сжатого воздуха и его периодическим сбросом на всем пути движения потока. В начало потока периодически вводят маловязкую жидкость с плотностью выше плотности высоковязкой жидкости. Создают расход воздуха в маловязкой жидкости с постоянной и пульсирующей составляющими. Пульсации подачи воздуха и вязкой жидкости осуществляется синхронно с одинаковой частотой. 2 ил.

Изобретение относится к магистральному транспорту высоковязких жидкостей, в частности нефти и нефтепродуктов.

Известен способ трубопроводного транспорта вязких жидкостей, включающий перекачку жидкости под давлением на подслое маловязкой среды (воздуха) или жидкости с периодическим вводом в трубопровод и сбросом по всей его длине порций сжатого воздуха. Введение и сброс сжатого воздуха обеспечивает существование устойчивого подслоя маловязкой среды (воздуха) и, как следствие, увеличивает скорость движения транспортируемой вязкой жидкости.

Устройство для реализации этого способа включает трубопровод с отверстиями для периодического ввода сжатого воздуха и отверстиями для сброса воздуха в атмосферу.

Недостатком способа и устройства является то, что сброс сжатого воздуха в атмосферу осуществляется через отверстия, выполненные в трубопроводе и непосредственно соединяющие его внутреннюю полость с атмосферой, что приводит к очень большому расходу воздуха и соответственно к большим затратам на транспортирование жидкостей.

Целью изобретения является снижение энергозатрат на транспортирование высоковязких жидкостей.

Цель достигается за счет того, что по способу напорного транспорта высоковязких жидкостей, включающему перекачку потока жидкости под давлением на подслое маловязкой среды с периодической подачей в начало потока сжатого воздуха и его периодическим сбросом на всем пути движения потока, в начало потока дополнительно вводят маловязкую жидкость с плотностью выше плотности транспортируемой высоковязкой жидкости, причем расход воздуха и маловязкой жидкости имеет постоянную и пульсирующую составляющие, а пульсации подачи маловязкой жидкости и воздуха осуществляют синхронно с одинаковой частотой.

На фиг. 1 представлено устройство для напорного транспорта, продольный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1.

Устройство включает напорный трубопровод 1 со средством 2 подачи сжатого воздуха и средством 3 подачи маловязкой жидкости в напорный трубопровод. Подача сжатого воздуха осуществляется в верхней части трубопровода 1, а маловязкой жидкости в нижней его части. В верхней части трубопровода 1 расположены предохранительные клапаны 4, установленные по всей длине трубопровода. Настройка клапанов 4 на сброс избыточного сжатого воздуха осуществляется с учетом перепада давления в транспортируемой среде и воздушных пузырях по длине трубопровода и выполнена таким образом, что движущиеся вдоль трубопровода воздушные пузыри сохраняют приблизительно постоянный объем, несмотря на постепенное уменьшение давления вокруг них.

Способ реализуется следующим образом. В трубопровод 1 от насосной станции (не показана) под давлением подается транспортируемая высоковязкая жидкость. В непосредственной близости от насосной станции установлены средство 2 ввода в трубопровод сжатого воздуха (например, компpессоp) и сpедство 3 ввода в тpубопpовод маловязкой жидкости (напpимеp, насос). Средства 2 и 3 работают синхронно и обеспечивают подачу вводимых сред с постоянной и пульсирующей составляющими: Q_в=Q_вo+ Δ V_в ˙ n; Q_мж=Q_мжо+ ΔV_мж ˙n, где Q_в объемный расход воздуха; Q_мж объемный расход маловязкой жидкости; Q_вo постоянная составляющая объемного расхода воздуха; Q_мжо постоянная составляющая объемного расхода маловязкой жидкости; Δ V_в объем единичной порции воздуха пульсирующей части расхода; Δ V_мж объем единичной порции маловязкой жидкости пульсирующей части расхода; n частота ввода воздуха и маловязкой жидкости.

При этом частота ввода порций воздуха и маловязкой жидкости определяется из выражения n · N(Гц), где Q_вж объемный расход высоковязкой жидкости;
N отношение объема находящихся в трубопроводе периодических частей расхода воздуха и расхода маловязкой жидкости к объему высоковязкой жидкости.

Постоянная составляющая объемного расхода воздуха и маловязкой жидкости определяется из условия, что создаваемая ими кольцевая прослойка полностью отделяет высоковязкую жидкость от контакта со стенкой трубопровода. Соотношение этих величин обеспечивает течение высоковязкой жидкости как показано на фиг. 2. При этом угол α определяется из выражения
-1 , где ρ_вж плотность высоковязкой жидкости;
ρ_мж плотность маловязкой жидкости, а высота слоя высоковязкой жидкости, находящейся в воздухе, определяется из выражения
h г1-cos, где r_вж радиус потока высоковязкой жидкости.

Толщина кольцевой прослойки маловязкой жидкости и воздуха, соответствующая постоянным составляющим расхода, определяется экспериментальным путем.

Наличие постоянных составляющих расходов воздуха и маловязкой жидкости обеспечивает наличие постоянных слоев маловязких сред у стенок трубопровода (воздуха в верхней части, маловязкой жидкости в нижней части потока), что существенно снижает гидравлическое сопротивление потока.

Наличие периодических (пульсирующих) составляющих расходов воздуха и маловязкой жидкости периодически сужает живое сечение трубопровода, благодаря чему возрастает скорость движения и увеличивается несущая способность потока. Все это в целом позволяет уменьшить энергозатраты на транспортирование высоковязких сред.

Давление транспортируемой вязкой среды внутри трубопровода не является величиной постоянной на всем пути движения потока, а падает по линейному закону
Δ Р=Р_о-(Р_о-Р_к) l/L, где Р_о давление подачи транспортируемой среды в начале трубопровода при l=0;
Р_k давление на выходе из трубопровода;
L длина трубопровода;
l расстояние от начала трубопровода до точки изменения давления.

Давление внутри пузырей сжатого воздуха также уменьшается, но по квадратичному закону, вследствие чего объем, занимаемый сжатым воздухом, начинает увеличиваться и, если не производить сброс сжатого воздуха, пузыри могут не только сильно уменьшить сечение трубопровода, но даже привести к тому, что сечение трубопровода в отдельных местах будет полностью перекрыто воздухом, а течение транспортируемой жидкости примет пробочный характер. Чтобы этого не произошло, предусмотрен сброс сжатого воздуха через предохранительные клапаны 4. Расстояние между соседними клапанами 4 выбирается из условия, что объем перемещаемого воздуха сохраняется приблизительно постоянным. При изотермическом течении изменение объема и давления определяется выражением
Р ^. V=const и, следовательно, при уменьшении давления в δ раз объем пузыря воздуха возрастает в δ раз. В этом случае расстояние до первого клапана определяется соотношением
l₁= L· где δ доля уменьшения давления по длине трубы.

Расстояние между (n-1)-м и n-м клапанами определяется по формуле
l_n= l₁(1-δ)^n-1= L· (1-δ)^n-1.
При этом настройка клапана для сброса воздуха выполнена в соответствии с уменьшающимся по линейному закону давлением в трубопроводе:
P_n= P_o-(P_o-P_к)l_i/L
Для заданного объемного расхода высоковязкой жидкости Q_вж и заданного диаметра трубопровода оптимальные значения регулируемых параметров (Q_во, Q_мжо, Q_вп, Q_мжп, Δ V_в, Δ V_мж), а также режимы работы компрессора, подающего воздух, и насоса, подающего маловязкую жидкость, рассчитываются на основании предварительно полученных опытных данных и определяются из условия минимума суммарных удельных энергозатрат (включая энергозатраты на перекачку высоковязкой жидкости, воздуха и маловязкой жидкости) на перемещение транспортируемой среды. Расстояния между предохранительными клапанами рассчитываются исходя из заданных величин.

Формула изобретения

СПОСОБ НАПОРНОГО ТРАНСПОРТА ВЫСОКОВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ, включающий перкачку потока жидкости под давлением на подслое маловязкой среды с периодической подачей в начало потока сжатого воздуха и его периодическим сбросом на всем пути движения потока, отличающийся тем, что в начало потока дополнительно периодически вводят маловязкую жидкость с плотностью выше плотности высоковязкой жидкости, причем создают расход воздуха и маловязкой жидкости с постоянной и пульсирующей составляющей, а пульсации подачи воздуха и вязкой жидкости осуществляют синхронно с одинаковой частотой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2