ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Трубопроводный транспорт высоковязких жидкостей».

Рекомендуемая область пременения

Трубопроводный транспорт по магистральным, межзаводским и внутризаводским трубопроводам для перекачивания жидкостей (нефтей, масел, растворов, эмульсий, суспензий, воды, расплавов полимеров, других жидких сред) в химической, нефтехимической, гидромелиоративной, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологии при транспортировке хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод и провесах, связанных с гидротранспортом ньютоновских и неньютоновских жидкостей, суспензий, эмульсий и растворов.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта – уменьшение энергозатрат при перекачивании высоковязких жидкостей, в том числе нефтей и высоковязких нефтепродуктов, путем снижения гидравлического сопротивления трубопровода, а также расширение возможностей применения устройства для уменьшения гидравлического сопротивления трубопровода за счет подачи в пограничный слой маловязкой жидкости, газа, пара, эмульсий, химических реагентов, полимерных растворов и т.п.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

В настоящее время существуют следующие способы и устройства снижения гидравлического сопротивления и, соответственно, энергетических затрат при транспортировании по трубопроводу высоковязких жидкостей:

- способ перекачивания высоковязких жидкостей по трубам, при котором перекачиваемая жидкость движется поступательно, заполняя все поперечное сечение трубы; ввиду того, что вязкость перемещаемой жидкости у стенки трубы высока, гидравлическое сопротивление и энергозатраты на перекачивание значительны;

- способ транспорта высоковязких продуктов путем снижения вязкости за счет предварительного подогрева и смещения с инертным газом с выравниванием давления на линиях продукта и инертного газа, при этом смешение продукта и инертного газа до образования газожидкостной смеси осуществляют при температуре выше температуры застывания продукта, а количество инертного газа выбирают пропорционально снижению температуры застывания и сокращения времени слива продукта, составляющим 15-30% от объма продукта (Патент РФ № 2138727, F17D 1/16, 1999 г.);

-Устройство для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе (Авт св. СССр № 566978, F 15 D 1/06, F 17 D 1/20, бюл. № 28, 1977 г.), предназначенное для транспортировки электропроводной жидкости, содержащее средство для создания пристенного слоя и рабочей среды с уменьшенным коэффициентом трения, при этом внутренние стенки трубопровода выполнены из электропроводного материала, к трубопроводу присоединен гидравлический затвор, причем устройство снабжено источником постоянного тока с двумя электродами, один из которых размещен в полости гидравлического затвора, а второй выполнен в виде внутренней стенки трубопровода;

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Предлагаются описания следующих способов и устройств для снижения гидравлического сопротивления и энергетических затрат при транспортировании по трубопроводу высоковязких жидкостей:

- добавление воды или газа и придание потоку жидкости вращательного движения приводит к формированию концентрического маловязкого слоя воды (газа) у внутренней поверхности трубы и к уменьшению гидравлического сопротивления и снижению энергозатрат;

- предварительное смешение с инертным газом и подогрев смеси, при этом жидкость смешивают с инертным газом до ее насыщения,  соответствующего температуре и давлению жидкости на входе в трубопровод, а подогрев смеси осуществляется на участках трубопровода, расположенных за местными сопротивлениями, до температуры на 10-40 градусов выше температуры жидкости на каждом из этих участков трубопровода, обеспечивающей выделение инертного газа из жидкости с образованием газового пограничного слоя у стенки трубопровода;

- в устройстве для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе выполнять цилиндрическую пружину, установленную внутри трубопровода с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы и шагом витка, определяемымы по формуле

где ? – шаг витка, м V -  скорость движения жидкости, м/с; D-  внутренний диаметр трубопровода, м; g = 9,81 – ускорение свободного падения, м/с², при этом цилиндрическая пружина выполнена из трубки, на боковой поверхности которой на расстоянии, равном ?  шага витка выполнены отверстия таким образом, что их ось совпадает с направлением потока жидкости в трубопроводе.

Цилиндрическая пружина из трубки, на боковой поверхности котрой выполнены отверстия, позволяет подавать в пограничный слой маловязкую жидкость, газ, пар, эмульсию, химические реагенты, полимерные растворы и т.д., которые уменьшают гидравлическое сопротивление, а также предотвращают образование отложений на стенках трубы, снижают вязкость перекачиваемой жидкости в пристенном слое за счет нагревания, эмульгирования, пенообразования, предотвращая турбулизации, снижают энергозатраты и стоимость  гидротранспорта жидкости по трубопроводу.

Выполнение на боковой поверхности трубки отверстий на расстоянии друг от друга, равной ? шага витка, позволяет на каждом витке сделать 4 отверстия: про одному в верхнем и нижнем секторах трубопровода и два в боковых секторах. Увеличение расстояния между отверстиями уменьшает их число на одном витке трубки, что снижает возможности создания равномерного кольцевого пограничного слоя маловязкой жидкости, газа, пены, химических реагентов, поверхностно-активных веществ эмульсий и т.д. по всей внутренней поверхности трубки и снижает эффективность предлагаемого устройства по уменьшению гидравлических потерь в трубопроводе. уменьшение расстояния между отверстиями увеличивает их число на каждом витке трубки, что приводит к повышению расхода кольцевого пограничного слоя маловязкой жидкости, газа, пены, химических реагентов, эмульсий, полимерных растворов или поверхностно-активных веществ, турбулизации этого пограничного слоя, потере им устойчивости и перемешиванию с перекачиваемой жидкостью, что также увеличивает гидравлическое сопротивление и снижает эффективность работы предлагаемого устройства.

Выполнение отверстий на боковой поверхности трубки таким образом, что их ось совпадает с направлением потока перекачиваемой жидкости, способствует подаче маловязкой жидкости или газа, иди других выше перечисленных компонентов из трубки в направлении перекачивания жидкости по трубопроводу, уменьшает затраты энергии на продавливание этих компонентов из трубки в отверстия, предотвращает попадание перекачиваемой жидкости в трубку по этим отверстиям, снижает возможность перемешивания компонентов, подаваемых по трубке с перекачиваемой жидкостью, что способствует образованию устойчивого кольцевого пограничного слоя, снижающего гидравлическое сопротивление трубопровода.

- в устройстве для уменьшения гидравлических потерь в трубопроводе при транспортировке электропроводных жидкостей, снабженном источником постоянного тока с двумя электродами, один из которых выполнен в виде внутренней стенки трубопровода из электропроводного материала, и содержащее средство для создания пристенного слоя из рабочей среды с уменьшенным коэффициентом трения, причем средство для создания пристенного слоя выполнено в виде трубки из диэлектрического материала, установленной коаксиально с трубопроводом с внешним диаметром трубки составляющим  93-98% от внутреннего диаметра трубопровода, при этом на внешней поверхности трубки выполнена канавка в виде спирали, в которой закреплен второй электрод из проволоки; выполнение средства для создания пристенного слоя в виде трубки из диэлектрического материала и ее установка коаксиально с трубопроводом позволяет отделить основной поток электропроводной жидкости от пристенного потока, предотвратить их перемешивание и стабилизировать течение основного потока; выполнение канавки в виде спирали на внешней поверхности трубки, в которой закреплен второй электрод из проволоки. позволяет предотвратить короткое замыкание витков проволоки второго электрода, уменьшить расход электроэнергии, стабилизировать процесс электролиза с равномерным образованием по длине трубки сначала пузырьков электрических газов, а затем и устойчивого газового слоя на выходе трубки, уменьшить расход электроэнергии, снизить токовые параметры: силу тока и напряжение, а в целом упростить конструкцию устройства; увеличение внешнего диаметра трубки выше заявляемой величины 98% от внутреннего диаметра трубопровода может привести с учетом толщины проволоки второго электрода, закрепленной в канавке, к короткому замыканию, особенно если транспортируемая жидкость является суспензией или эмульсией и частицы или капли дисперсной фазы имеют размеры, соизмеримые с размерами кольцевого зазора между трубкой и трубопроводом; уменьшение внешнего диаметра трубки ниже заявленной величины 93% от внутреннего диаметра трубопровода приводит к возрастанию электрического сопротивления и соответственно затратам электроэнергии, идущей на электролиз электропроводной жидкости, чрезмерному накоплению газов электролиза в кольцевом зазоре между трубкой и трубопроводом и турбулизации пристенного газового слоя на выходе из трубки.

- в транспортном обогреваемом трубопроводе, содержащим секции, запорную арматуру, наружный изоляционный слой и нагревательный элемент, составленный из отдельных участков и подключаемый концами к электросети, при этом на входе каждой секции установлен нагревательный элемент, выполненный в виде теплоэлектронагревателя (ТЭНа), образующего змеевик с витками, плотно примыкающими друг к другу и к наружной поверхности трубопровода, и обеспечивающий температуру на 8-15 градусов больше критической температуры пленочного кипения жидкости в трубопроводе для образования пленки пара на внутренней поверхности трубопровода; установка участка нагревательного элемента на входе каждой секции позволяет восстанавливать устойчивый пограничный паровой слой, который исчезает на поворотах, запорной арматуре, температурных компенсаторах, расширениях или сужениях сечения или других местных сопротивлений из-за перемешивания парового слоя  и жидкостного потока и конденсации в последнем пара; выполнение нагревательного элемента в виде теплоэлектронагревателя (ТЭНа), превращающего электрический ток в тепловую энергию за счет высокого омического сопротивления, и установка его в виде змеевика на наружной поверхности трубопровода позволяет равномерно и быстро передавать тепловую энергию ТЭНа через стенку трубопровода пограничному слою перекачиваемой жидкости; установка витков змеевика плотно примыкающих друг к другу и к наружной поверхности трубопровода позволяет интенсифицировать передачу тепловой мощности на небольшом отрезке трубопровода и без потерь передавать ее непосредственно от наружной поверхности трубопровода к внутренней его поверхности и самой жидкости; создание в нагревательном элементе температуры на 8-15 градусов больше критической температуры пленочного кипения жидкости в трубопроводе позволяет вести режим устойчивого пленочного кипения жидкости вблизи внутренней стенки трубопровода с образованием устойчивого парового маловязкого пограничного слоя, перевести режим течения из однослойного в двухслойное, когда вблизи стенки образуется кольцевой пограничный слой пара, обладающий пониженным гидравлическим сопротивлением и снижающий общее давление, его потери и необходимую толщину стенки трубопровода; уменьшение нижнего предела заявляемого температурного диапазона менее 8 градусов по сравнению с критической температурой пленочного кипения перекачиваемой жидкости при заданном давлении в каждой секции трубопровода может привести к пузырьковому кипению, срыву устойчивого парового пограничного слоя, его перемешиванию с основным потоком жидкости и возрастанию гидравлического сопротивления; увеличение верхнего предела заявляемого температурного диапазона более 15 градусов по сравнению с критической температурой пленочного кипения перекачиваемой жидкости при заданном давлении в каждой секции трубопровода приводи к повышенным затратам энергии, образованию слишком большого объема пара, увеличению толщины его пограничного слоя и, соответственно, уменьшению сечения, в котором течет основной поток жидкости и возрастанию гидравлического сопротивления.

- в способе транспорта жидкостей по трубопроводу, включающем предварительное смешение с инертным газом и подогрев смеси, жидкость смешивают с инертным газом до ее насыщения, соответствующего температуре и давлению жидкости на входе в трубопровод, а подогрев смеси осуществляют на участках трубопровода, расположенных за местными сопротивлениями, до температуры на 10-40 градусов выше температуры жидкости на каждом из этих участков трубопровода, обеспечивающей выделение инертного газа из жидкости с образованием газового пограничного слоя у стенки трубопровода; предварительное смешение жидкости с инертным газом до ее насыщения, соответствующего растворимости газа в жидкости при ее температуре и давлении на входе в трубопровод, позволяет уменьшать необходимый расход газа, идущий на смешение с жидкостью; подогрев такой насыщенной инертным газом жидкости на участках трубопровода, расположенных за местными сопротивлениями на 10-40 градусов выше температуры жидкости на каждом участке трубопровода обеспечивает выделение газа из жидкости с образованием газового пограничного слоя у стенки трубопровода, за счет уменьшения растворимости газа в жидкости с ростом температуры, что приводит к уменьшению гидравлического сопротивления и энергозатрат на транспорт жидкости; нагревание жидкости до температуры ниже заявляемого предела в 10 градусов, как и растворение газа в жидкости до концентраций ниже концентрации насыщения при температуре и давлении на входе в трубопровод, не позволяет создать устойчивый газовый пограничный слой, покрывающий всю стенку трубопровода из-за малого количества выделяющегося газа при нагревании; нагревание жидкости до температуры выше заявляемого передела в 40 градусов, как и увеличение концентрации газа в жидкости выше концентрации ее насыщения при температуре и давлении жидкости на выходе в трубопровод, увеличивает энергозатраты и гидравлическое сопротивление, так как из-за чрезмерного выделения газа из жидкости они интенсивно перемешиваются и турбулизация такой смеси не позволяет удерживать маловязкий газовый пограничный слой у стенки трубопровода; по той же причине нагревание жидкости на 10-40 градусов выше температуры жидкости целесообразной осуществлять на участках трубопровода, расположенными за местными сопротивлениями (поворотами, сужениями, расширениями, кранами, вентилями и т.д.), где происходит изменение скорости по величине и направлению; в этом случае перемешивание газового пограничного слоя в самом местном сопротивлении требует восстановления этого газового пограничного слоя за ним, что и обеспечивается нагреванием жидкости на 10-40 градусов на участках за местными сопротивлениями.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Приведем некоторые примеры с расчетом преимущества предлагаемых способов перекачивания нефти и нефтепродуктов с газовым пограничным слоем.

Так, при перекачивании нефти плотностью 900 кг/м³ и вязкостью 0,05 Пас на 10 км. по трубопроводу диаметром 0,1 м и расходом 31 м³/ч по известному способу предлагается ее предварительно нагревать до 60^о С и создать в ней газожидкостную смесь «диоксид углерода - нефть» с объемом долей газа 15-30%, что уменьшает вязкость по сравнению с перекачиванием только нефти (Патент РФ № 2138727 F 17 D 1/16, 1999).

В предлагаемом авторами способе инновационной технологии нефть перед перекачиванием по трубопроводу насыщают газами-гомологами метана, например самим метаном, и стенку трубы периодически нагревают с 20^о С (температур окружающей среды) до 45^о С. при 20^о С растворимость метана в нефти составляет 100 л/м³. при 45^о С растворимость снижается до 88 л/м³ и 12 л/м³, что будет создавать метановый кольцевой пограничный слой, снижающий гидравлическое сопротивление с 3,9 до 1,2 ат, а удельные затраты энергии с 19,3 кВт-ч до 5,25 кВт-ч, то есть более чем в 3 раза. При себестоимости 1 Квт-ч  1,3 руб. затраты только на электроэнергию снижаются с 25 руб. за тонну до 6,85 руб., то есть в 3,6 раза. Кроме того, на выходе  после перекачивания нефти помимо целевого продукта 31 м³/ч получают 3,1 м³/ч метана. Снижение гидравлического сопротивления позволяет при одинаковой производительности трубопровода уменьшить давление, а значит использовать трубы с толщиной стенки в 2,3 раза меньше и соответственно перейти от дорогих поршневых насосов к недорогим центробежным, уменьшить риск аварий, ©вязанных с технологиями высокого давления, а значит увеличить безопасность и экологичность предлагаемой инновационной технологии

То же можно показать на примере маловязких жидкостей, например в водоводах при перекачивании воды в ней предварительно необходимо до состояния насыщения растворять воздух или диоксид углерода. При периодическом нагревании стенок трубопровода на 20^о С по сравнению с температурой перекачиваемой воды растворимость газа в воде уменьшается и выделяющийся избыточный газ будет образовывать кольцевой пограничный слой.

Так, при перекачивании воды при температуре 20о С плотностью 1000 кг/м³ и вязкостью 1 сПз по трубопроводу длиной 5 км и расходом воды 0,2 м³/с, необходимый перепад давления снижается с 0,615 ат до 0,43 ат, а энергозатраты, связанные с нагреванием только 30% перекачиваемой воды вблизи нагретой стенки трубопровода, а не всей воды, как в прототипе (патент РФ № 2138727, F 17 D 1/16, 1999) снижаются с 46,5 кВт-ч/т до 9,6 кВт-ч/т, то есть в 4,8 раза, соответственно стоимость электроэнергии, затрачиваемой на перекачивание воды, уменьшается с 60 руб./т до 12,5 руб./т.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Снижение трудозатрат при перекачке одной тонны нефти на 28%.

В таблице приведены результаты расчетов перекачивания нефти средней вязкости µ=0,1 Пас с вязкопластичным кольцевым пограничным слоем.

Таблица

Сравнение параметров двухслойного кольцевого течения с вязкопластичным пограничным слоем (?₀=1,46 Па, ?=0,013 Пас) и обычным перекачивание нефти средней вязкости (µ=0,1 Пас) для радиуса трубы R=0,15 м.

Как видно из данных таблицы, уменьшение обеих параметров вязкопластичной жидкости ?₀ и ? для перекачиваемых нефтей средней вязкости позволяет увеличить расход более чем на треть при относительном радиусе границы слоев   по сравнению с обычным режимом гидротранспорта.

Новые потребительские свойства продукции

Растворение в нефти вместо воздуха или углекислого газа метана или этана позволяет не только уменьшить гидравлическое сопротивление и энергозатраты, но и на выходе из трубопровода получать нефть с увеличенной на 10-20% долей легколетучих фракций, то есть так называемую тяжелую нефть превращать в среднюю, а среднюю в легкую.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Качественные характеристики жидкости, транспортируемой по трубопроводу с использованием предлагаемых способов и устройств не меняются.
Особенно эффективна предлагаемая технология для перекачивания высоковязких парафинистых нефтей или нефтепродуктов типа битума, которые вообще не текут как жидкости без добавки газа с образованием газожидкостной смеси. при добавке в мазут метана или этана его вязкость снижается в 2-3 раза, а теплотворная способность даже увеличивается на 3-4%.

Стадия и уровень разработки

Предлагаемые инвестиции

0,5 млн. руб.

Рынки сбыта

Россия и другие страны, где применяется трубопроводный транспорт высоковязких жидкостей, в том числе нефти и нефтепродуктов.

Возможность и эффективность импортозамещения

Импортный аналог отсутствует.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

36

Дата поступления материала

09.04.2007