Коршак А.А., Коробков Г.Е., Муфтахов Е.М. Нефтебазы и АЗС

Подождите немного. Документ загружается.

241

Кроме того, подогрев нефтепродуктов необходим:

— для их обезвоживания и очистки от мехпримесей методом

отстаивания;

— при подготовке к сжиганию;

— при регенерации отработанных масел;

— при зачистке емкостей от отложений и т. д.

6.2. Вероятная температура нефтепродукта

в емкостях и трубопроводах

Для тепловых расчетов при хранении и отпуске высоковязких

и высокозастывающих нефтепродуктов необходимо знать началь-

ную (перед подогревом) температуру, которая зависит от времени

хранения, температуры окружающей среды, конструкции, габарит-

ных размеров емкости и т. д.Так как учесть все факторы, от которых

зависит температура нефтепродукта в емкости, практически невоз-

можно, ее определяют с некоторой степенью вероятности. Поэтому

такая расчетная температура Т

называется вероятной.

Составим уравнение теплового баланса:

–G · C

· dT = К

· F · (T – T

) · dτ (6.1)

где G, С

— соответственно масса и удельная теплоемкость нефте-

продукта в eмкости; Т — текущее значение температуры нефтепро-

дукта; dT — изменение температуры нефтепродукта за время dτ;

— коэффициент теплопередачи от нефтепродукта в окружаю-

щую среду; F — площадь поверхности eмкости; Т

— температура

окружающей среды.

Левая часть (6.1) есть количество тепла теряемого нефтепродук-

том за время dτ, а правая — количество тепла, отдаваемого в окру-

жающую среду за этот же период.

Разделяя переменные в уравнении (6.1) и интегрируя получен-

ное выражение

зал

TT GC

⋅

−=

−⋅

∫∫

получаем

()

В o зал o

К F

ТТ Т Т

exp ,

⎛

⋅⋅

⎞

=+ − ⋅ −

⎜⎟

⋅

⎝⎠

(6.2)

242

где Т

зал

— температура, с которой нефтепродукт был залит в ем-

кость.

Температуру окружающей среды определяют следующим обра-

зом:

— для железнодорожных цистерн: Т

= Т

возд

(где Т

возд

— температура

воздуха);

— для емкостей, находящихся в двух средах,

CC CC

FT FT

11 22

⋅+ ⋅

(6.3)

где F

, F

— поверхности емкостей, соприкасающиеся с разными

средами; Т

С1

, Т

С2

— средние температуры этих сред.

Например, стенки надземных резервуаров вступают в контакт

с грунтом (среда 1) и воздухом (среда 2), стенки танкеров — с водой

(среда 1) и воздухом (среда 2).

Для подземных емкостей Т

определяется как средняя температу-

ра грунта, соответствующая средней части заглубленной емкости.

Коэффициент теплопередачи от нефтепродукта в емкости (ре-

зервуаре) в окружающую среду определяют по выражению

д д cт. г ст. г ст. ж ст. ж к к

К F К F К F К F

·+ · + · + ·

(6.4)

где К

, К

ст. г

, К

ст. ж

, К

— коэффициенты теплопередачи соответствен-

но через днище, стенку (в области газового пространства и жидко-

сти) и крышу резервуара; F

, F

ст. г

, F

ст. ж

, F

— поверхности вышепе-

речисленных элементов резервуара.

Коэффициент теплопередачи через стенку емкости

ст ст i ст cт

Кα λαα

123

11 1

=+ +

∑

(6.5)

где α

1ст

, α

2ст

, α

3ст

— коэффициенты теплоотдачи соответственно

от нефтепродукта к стенке емкости, от наружной поверхности стен-

ки в окружающую среду, от стенки емкости радиацией; δ

— толщи-

на стенки емкости, изоляции и т. д.; λ

— коэффициент теплопровод-

ности материала стенки, изоляции и т. д.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией от нефтепродукта к вер-

тикальной стенке емкости определяют по следующим формулам:

243

— при (Gr

· Pr)

= 10

…10

(ламинарный режим)

()

НП

ст

λ Pr

α ,Gr

hPr

0,25

025

076 P

⎛⎞

=⋅⋅⋅ ⋅

⎜⎟

⎝⎠

, (6.6)

— при (Gr

· Pr)

> 10

(турбулентный режим)

()

НП

ст h

ст

λ Pr

α ,Gr

hPr

0,25

033

015 Pr ;

⎛⎞

=⋅⋅⋅ ⋅

⎜⎟

⎝⎠

(6.7)

— для горизонтальных цилиндрических емкостей и труб при

(Gr

· Pr)

= 10

… 10

()

НП

ст d

ст

d Pr

0,25

0, 5 Pr ,

⎛⎞

=⋅⋅ ⋅ ⋅

⎜⎟

⎝⎠

(6.8)

где h — высота взлива нефтепродукта в вертикальных емкостях;

d — диаметр горизонтальной емкости или трубы.

Если отношение

зал

ТТ

−

≤

−

среднюю температуру определя-

ют как среднеарифметическую величину от начальной Т

и конеч-

ной Т

температур нефтепродукта, т. е.

= 0,5(Т

зал

+ Т

). (6.9)

Если отношение

зал

ТТ

−

среднюю температуру определяют

как среднелогарифмическую величину по формуле

зал в

зал

ТТ

−

(6.10)

Так как в выражения (6.9), (6.10) входит искомая величина Т

, то

при определении средней температуры нефтепродукта можно при-

нять, что

= 0,5(Т

зал

+ Т

возд

), (6.11)

Среднюю температуру стенки емкости определяют методом по-

следовательных приближений по формуле

()

ст

ст П П

ст

ТТ ТТ

=− ⋅ −

(6.12)

Коэффициент теплоотдачи α

при вынужденной конвекции

(обдувание емкости или надземного трубопровода ветром) опреде-

ляют по формуле

244

возд

ст возд

из

С Re

=⋅ ⋅

(6.13)

где С, n — коэффициенты, величина которых зависит от Re

возд

Таблица 6.2 — Зависимость коэффициентов С и n от Rе

возд

(для воздуха)

возд

Сn

5…80 0,810 0,40

80…5·10

0,625 0,46

5·10

…5·10

0,970 0,60

Более 5·10

0,023 0,80

При отсутствии ветра коэффициент теплоотдачи α

определяют

по формулам, справедливым при свободной конвекции, т. е. по фор-

мулам (6.6)…(6.8). В этом случае параметры Gr и Рr определяют

по физическим характеристикам сухого воздуха при Р = 0,0981 МПа,

взятым при средней его температуре.

Коэффициент теплоотдачи радиацией от стенки горизонтальной

емкости или трубопровода α

3ст

определяют по формуле

()( )

ст возд

3ст ст SS

ст возд

Т / Т /

αεС

ТТ

100 100

−

=⋅⋅

−

(6.14)

где С

= 5,768 Вт/(м

· К

) — постоянная Планка; ε

ст

— степень чер-

ноты поверхности стенки.

Зависимость ε

cт

от материала и вида поверхности

Алюминий шероховатый ......................................................................0,055

Железо шероховатое ..............................................................................0,242

Железо литое необработанное .................................................. 0,87…0,96

Сталь окисленная шероховатая ................................................. 0,94…0,97

Чугун обточенный ............................................................................ 0,6…0,7

Чугун шероховатый, сильно окисленный ...........................................0,95

Асбестовый картон ...................................................................................0,96

Кирпич красный шероховатый .............................................................0,93

Известковая штукатурка шероховатая ...............................................0,91

Сажа ламповая ...........................................................................................0,95

245

Для вертикальных цилиндрических резервуаров, заглубленных

в грунт, коэффициент теплопередачи через стенку

ст.возд возд гр гр

ст

F К F

⋅+⋅

(6.15)

где К

ст.возд

, К

ст.гр

— коэффициенты теплопередачи через стенку соот-

ветственно в воздух и грунт; F

возд

, F

гр

— части поверхности стенки

резервуара, соприкасающиеся с воздухом и грунтом.

Коэффициент теплопередачи через стенку в воздух определяют

по формуле (6.5), а в грунт — по выражению

=+ ++

∑

гр

ст.гр ст i гр

Кα λλα

11 1

(6.16)

где Н

гр

— расстояние от поверхности грунта до днища резервуара

(заглубление резервуара в грунт); λ

гр

— коэффициент теплопровод-

ности грунта, окружающего резервуар; α

≈ 11,63 Вт/(м

· К) — коэф-

фициент теплоотдачи от поверхности грунта в воздух.

Для подземных горизонтальных цилиндрических резервуа-

ров коэффициент теплопередачи К

принимают приближенно рав-

ным коэффициенту теплопередачи через стенку (см. формулу (6.5)),

в этом случае α

3ст

= 0. Коэффициент теплоотдачи α

2ст

определяют

по формуле:

(

)

⎛⎞

⋅

⎟

⎜

⎟

⎜

⎟

⎜

⎟

⎜

⎟

⎜

⎟

⎜

⎟

⎜

⎟

⋅+

⎝⎠

⎜

⎝⎠

гр

ст

гр гр гр

гр

HHλ

α RH

ln 4 1

(6.17)

где R — радиус резервуара; Н

гр

— глубина заложения резервуара

до оси.

Для железнодорожных цистерн при движении поезда коэффи-

циент теплопередачи К

принимают равным коэффициенту тепло-

передачи через стенку (см. формулу (6.5)), коэффициент теплоот-

дачи α

1ст

вычисляют по формуле (6.8), а коэффициент теплоотдачи

2ст

— по формуле

возд

ст возд

α ,Re

0 032 ,=⋅⋅

(6.18)

где Re

возд

— число Рейнольдса при обдувании цистерны ветром

ц ц

возд

υ D

⋅

; υ

— сумма скоростей ветра и поезда, υ

= υ

вет

+ υ

поезда

246

, L

— соответственно наружный диаметр и длина котла цистер-

ны.

Коэффициент теплопередачи через днище емкости, установлен-

ной на грунте, находят по следующей зависимости:

д д i гр

Кλ

αλ

⋅

=+ +

∑

(6.19)

где α

1д

— коэффициент теплоотдачи через днище емкости, опреде-

ляемый по формуле (6.8); δ

— толщина гидрофобного слоя, днища

емкости, отложений, воды и т. д.; λ

— коэффициенты теплопрово-

дности указанных слоев; D

— диаметр резервуара.

Коэффициент теплопередачи через крышу резервуара

г i

к к Э i к к

H δ

Кα λ λαα

123

11 1

=++ +

∑

(6.20)

где α

1к

— коэффициент теплоотдачи от зеркала нефтепродукта в га-

зовое пространство резервуара:

— при (Gr

× Pr)

= 5·10

… 2·10

к З г

αТТ

5, 466 ;≈⋅−

(6.21)

— при (Gr

× Pr)

> 2·10

к З г

αТТ

1, 1 4 ;≈⋅−

(6.22)

где Т

— температура зеркала нефтепродукта; Т

г.

— температура га-

зового пространства резервуара; ориентировочно принимают

= 146,5 + 0,5 · Т

, (6.23)

— высота газового пространства резервуара; λ

— эквивалент-

ный коэффициент теплопроводности газовоздушной смеси

= ε

· λ

; (6.24)

— коэффициент конвекции,

( )

,Gr

025

018 Pr

⎧

⎪

⎨

⋅⋅

⎪

⎩

при

(Gr

· Pr)

≤ 10

; (6.25)

при

(Gr

· Pr)

> 10

— коэффициент теплопроводности газовоздушной смеси

247

= λ

возд

· (1 – С

) + λ

п.н

· С

; (6.26)

возд

— коэффициент теплопроводности воздуха; λ

п.н

— коэффи циент

теплопроводности паров нефтепродукта; C

— содержание паров

нефтепродукта в газовом пространстве резервуара.

При отсутствии данных о величине С

допускается принимать

≈ λ

возд

Если при расчете по формуле (6.25) получается, что ε

< 1, то

принимается равным единице. В качестве линейного размера

при вычислении параметра Gr в данном случае берут высоту газо-

вого пространства резервуара H

. Физические константы газовоз-

душной смеси берут при ее средней температуре. При отсутствии

ветра коэффициент теплоотдачи от крыши в воздух α

2к

определя-

ют по формулам (6.21) или (6.22) с учетом разности температур

– Т

возд

. При наличии ветра коэффициент α

2к

можно определить по

формулам вынужденной конвекции или принять его равным α

Для резервуаров типа РВС при расчете внешней теплоотдачи Р.

Ш. Латыповым рекомендовано пользоваться интегральным коэф-

фициентом теплоотдачи α

, одновременно учитывающим теплопе-

ренос как конвекцией, так и излучением. В результате обработки

данных промышленных экспериментов получены следующие фор-

мулы для вычисления α

днем

— область жидкости

возд

Ιдн

взл возд

α , Ι

НΤ

0961

0193

77 45 ;

−

⎛⎞

=⋅⋅⋅

⎜⎟

⎝⎠

(6.27)

— область газового пространства

возд вет г

Ιдн

г возд Р

λυΗ

αΙ

НνД

0668

0843

95 ;

⎛⎞

⋅

=⋅ ⋅ ⋅

⎜⎟

⋅

⎝⎠

(6.28)

— крыша

возд

Ιдн

Рвозд

α , Ι

ДΤ

332

176

0 00022 ,

−

⎛⎞

=⋅⋅⋅

⎜⎟

⎝⎠

(6.29)

где λ

, λ

возд

— коэффициенты теплопроводности соответственно

нефти (нефтепродукта) и воздуха; H

взл

, H

— высота взлива жидкос-

ти в резервуаре и высота газового пространства; I

— критерий, ха-

рактеризующий отношение теплового потока, получаемого стен-

248

кой за счет солнечной радиации, к конвективному потоку теплоты;

возд

— кинематическая вязкость воздуха; ∆Т — разность темпера-

тур стенки (крыши) и воздуха, ∆Т = Т

– Т

возд

; Т

возд

— температура

воздуха днем.

Величина I

вычисляется по формуле

возд

вет

ρС

υΤ

⋅

⋅⋅Δ

(6.30)

где i

— интенсивность солнечной радиации в полдень с учетом об-

лачности; Ρ

возд

Р возд

— плотность и удельная теплоемкость воздуха;

— температура стенки (кровли).

Расчеты интегрального коэффициента теплоотдачи в ночное

время выполняются по следующим зависимостям:

— область жидкости

вет взл

Ιн

Р возд возд

υΗ

α ,

ДΤ ν

0 381 0 199

135 5

−

⎛⎞⎛ ⎞

⋅

=⋅⋅ ⋅

⎜⎟⎜ ⎟

⎝⎠⎝ ⎠

; (6.31)

— область газового пространства (стенка и кровля)

возд

Ιн возд возд

α ,

rRe.

0333 08

0 035=⋅⋅⋅

(6.32)

Усредненная (за сутки) величина интегрального коэффициента

теплоотдачи находится по формуле

()

Ιдн дн Iн дн

ατ α τ

⋅+⋅−

(6.33)

после чего находится полный коэффициент теплоотдачи через со-

ответствующую поверхность (стенку, кровлю, днище) по формуле

(6.5), в которой вместо α

2 ст

+ α

3 ст

подставляется α

Ι.

При проведении ориентировочных расчетов для железнодорож-

ных цистерн К

≈ 7…9,3 Вт / (м

·К), а для резервуаров К

≈ 1,5…6

Вт / (м

·К). Величину средней температуры нефтепродукта за пери-

од его остывания найдем интегрируя формулу (6.1)

()

cp в o зал o

TTd TTT d

ТТ GC

exp

ττ

⎡⎤

⋅⋅

⎛⎞

=⋅ ⋅ =⋅ + − ⋅ − ⋅ =

⎢⎥

⎜⎟

⋅

⎝⎠

⎣⎦

∫∫

()

o зал o

TTT .

FGC

1exp

⎡⎤

⋅⋅

⎛⎞

⋅

=+ ⋅ − ⋅− −

⎢⎥

⎜⎟

⋅⋅ ⋅

⎝⎠

⎣⎦

(6.34)

249

6.3. Методы и средства подогрева нефтепродуктов

В подогревательных устройствах нефтебаз для получения тепло-

ты используются: насыщенный водяной пар, электроэнергия, горя-

чая вода и горячие нефтепродукты.

Насыщенный водяной пар — наиболее распространенный и до-

ступный вид теплоносителя, который, как правило, имеется на всех

нефтебазах. Он обладает сравнительно большим теплосодержани-

ем, высоким коэффициентом теплоотдачи, легко транспортируется

и безопасен в пожарном отношении.

Широкое использование электроэнергии для подогрева нефте-

продуктов обусловлено еe доступностью, простотой применения

и относительно невысокой стоимостью.

Горячая вода имеет теплосодержание в 4…5 раз меньше, чем на-

сыщенный водяной пар, и поэтому используется для подогрева неф-

тепродуктов на нефтебазах очень редко. Кроме того, еe использова-

ние может привести к обводнению нефтепродуктов.

Горячие нефтепродукты имеют теплосодержание примерно

в 2 ра за меньше, чем вода, что делает их ещe менее эффективным те-

плоносителем. Но при их использовании обводнение нагреваемой

жидкости исключается.

Выбор типа теплоносителя и способа его использования опреде-

ляется физико-химическими свойствами нефтепродуктов, допусти-

мостью их обводнения, а также технико-экономическими показате-

лями различных способов подогрева.

Путевой подогрев нефтепродуктов в трубопроводах

Для путевого подогрева нефтепродуктов в технологических

трубопроводах нефтебаз используются трубопроводы-спутники

и электроподогрев.

Возможные схемы прокладки трубопроводов-спутников, по ко-

торым прокачивается теплоноситель, приведены на рис. 6.1. Трубо-

провод-спутник может прокладываться параллельно нефтепродук-

топроводу снаружи (рис. 6.1а). В этом случае повреждение трубопро-

вода-спутника не грозит обводнением нефтепродукта, однако значи-

тельная часть тепла рассеивается в окружающую среду. Чтобы этого

не происходило, оба трубопровода заключают в общий теплоизоли-

рующий кожух, что приводит к увеличению капиталовложений.

250

Рис. 6.1. Схема путевого подогрева трубопроводов нефтебаз

На рис. 6.1б показана схема, согласно которой трубопровод-спут-

ник прокладывается внутри нефтепродуктопровода. В этом случае

затраты на тепловую изоляцию меньше, но есть опасность обводне-

ния нефтепродукта.

На рис. 6.1в приведена схема коаксиальной прокладки трубо-

проводов, согласно кото-

рой теплоноситель прока-

чивается по кольцевому

пространству. В этом слу-

чае разогрев нефтепродук-

та осуществляется по всей

поверхнос ти его контакта

со стенкой, что облегчает

возобновление перекач-

ки после остановок. Одна-

ко такая схема прокладки

требует бóльших металло-

затрат и не исключает об-

воднения нефтепродукта.

Электроподогрев тех-

нологических трубопро-

водов нефтебаз осущест-

вляется с помощью гибких

электронагревательных

лент и кабелей. Устройст-

во электронагревателей

Рис. 6.2. Гибкая электронагревательная лента

ЭНГЛ-180:

1 — штепсельный разъем; 2 — конце-

вая заделка; 3 — герметизирующая

оболочка из кремнийорганической

резины; 4 — стекло волоконная осно-

ва; 5 — нагревательные нихромовые

жилы; 6 — токоведущие провода