Технология ускоренной выгрузки и очистки цистерн с вязкими нефтепродуктами Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 656.225.073.437:662.75

В. И. Моисеев

ТЕХНОЛОГИЯ УСКОРЕННОЙ ВЫГРУЗКИ И ОЧИСТКИ ЦИСТЕРН С ВЯЗКИМИ НЕФТЕПРОДУКТАМИ

Рассматривается метод создания временной теплой изоляции цистерны из мазута, переведенного в состояние пористой затвердевшей среды, нанесенной на внутренние стенки котла перед заливом основной массы нефтепродукта. Оболочка обеспечивает подавление конвекции горячего нефтегруза, сохраняет его высокую температуру при перевозках и, имея низкое адгезионное взаимодействие со стенкой котла, легко удаляется при выгрузке и очистке цистерны.

мазут, железнодорожные перевозки, дисперсоид.

Введение

Задачи по развитию энергосберегающих и экологически чистых технологий во всех сферах деятельности отечественного бизнеса, которые ставит Правительство России, весьма актуальны и требуют скорейшего решения.

На железнодорожном транспорте большие непроизводительные затраты энергии связаны с перевозками застывающих наливных грузов (ЗНГ) -мазутов, нефти, масел и технических жидкостей, общие объёмы перевозок которых составляют около 50 млн т в год.

На предприятиях - производителях ЗНГ в жидком виде заливают в цистерны при температурах плюс 80.. .100 °С. За время транспортирования жидкости охлаждаются и приобретают вязкость настолько большую, что их выгрузка (слив самотеком) без предварительного разогрева, обеспечивающего восстановление текучести, становится невозможной.

Разогрев каждой цистерны с нефтепродуктом требует больших затрат тепловой энергии (-6-109 Дж), длительного простоя под выгрузкой, организации на пунктах слива специальных сооружений с дорогостоящим оборудованием и применением ручного труда. Полная выгрузка ЗНГ даже на хорошо оборудованных сливных площадках не обеспечивается, и в каждой цистерне после слива остается от нескольких десятков до нескольких сот килограммов высоковязких остатков. Для их удаления цистерну периодически очищают на промывочно-пропарочных станциях (ППС). Существующая технология очистки включает последовательно проводимые пропарку, промывку и дегазацию цистерн и тоже является одной из наиболее энергоемких и экологически несовершенных технологий вагонного хозяйства.

В зимнее время на очистку одной цистерны требуется до 3,5-109 Дж тепловой энергии. При пропарке цистерны в атмосферу выбрасывается

огромное количество выпара (смеси паров воды и нефтепродукта), вызывающее загрязнение воздуха и уносящее до 25...60 % общего количества тепла, вырабатываемого парогенератором, при промывке образуются большие количества жидких отходов, требующих утилизации.

Общие затраты тепловой энергии, необходимые для обеспечения перевозок 50 млн т ЗНГ, - это более чем 600 тыс. т условного топлива. Суммарный годовой простой вагонов-цистерн под выгрузкой и на ППС составляет в среднем 1 млн вагоно-часов.

В настоящее время для перевозки вязких нефтепродуктов (мазутов) используются специализированные цистерны (пример - модель 15-1566). Котел такой цистерны изготовляется из стальных листов толщиной 5ст = 9, 11 и 10 мм (соответственно на верхней, нижней частях и на торцах цистерны). На нижней части котла имеется парообогревательный кожух, выполненный из стальных листов толщиной 5ст = 3 мм, которые вместе о стенкой котла образуют камеру толщиной 5 = 36 мм и общей площадью S = 40 м . Котлы изготавливаются из стали 09ГС2 с плотностью рст = 7800 кг/м3, теплопроводностью А,ст = 58 Вт/мтрад и теплоемкостью Сст = 480 Дж/кгтрад. При сливе нефтегруза в камеру подается пар для разогрева нижней части котла и зоны сливного прибора до 200 °С. При этом образуется маловязкий слой нефтегруза, по которому скользят основные его массы, сохраняющие низкую температуру и высокую вязкость. Дальнейший разогрев и подачу продукта в хранилище обеспечивает уже грузополучатель.

1 Конвекция горячего нефтепродукта и способ её подавления

Парообогревательный кожух, являясь неотъемлемой частью конструкции цистерны, обеспечивает разогрев нефтегруза при сливе, но он же способствует быстрому его охлаждению при транспортировании.

Рассмотрим охлаждение горячего мазута в течение первых 12.20 часов после его налива в данную цистерну, когда продукт еще имеет высокую температуру и малую кинематическую вязкость (например, у мазута М40 при температуре Т = 90 °С гж = 12-10-6 м2/с). При малом термическом сопротивлении стальной стенки (5с1Аст = 1,55^10-4 м2трад/Вт) теплоотдача в верхней части котла определяется коэффициентом конвективной теплоотдачи аконв, значение которого зависит от скорости движения цистерны, скорости ветра, наличия атмосферных осадков. В

Л

отсутствие осадков аверхн ~ 15.20 Вт/м -град, при выпадении осадков, значительная часть тепла на верхней части котла расходуется на нагрев и

Л

испарение оседающей воды. При этом аверхн ~ 100.150 Вт/м -град;

верхн

= 15...20

Вт

м •град

1

В нижней части котла эквивалентный коэффициент теплоотдачи определяется термическим сопротивлением воздушного зазора в парообогревательном кожухе (5/А,воздух = 0,51 м2трад/Вт):

к =

Вт

м -град

воздух

Как видно, теплоотдача в верхней части котла может быть в 10.. .50 раз больше, чем в нижней его части. Значение термического коэффициента объемного теплового расширения всех нефтепродуктов довольно велико -в ~ 10 град , поэтому интенсивное охлаждение и обусловленный им рост плотности горячего мазута, имеющего малую вязкость, в верхней части котла приводит всю его массу в неустойчивое состояние, порождая интенсивное циркуляционное движение естественной конвекции.

В условиях циркуляции холодные стенки котла омываются горячим нефтепродуктом, и он быстро охлаждается во всей своей массе. Подавление конвекции горячего нефтепродукта можно обеспечить за счет уменьшения теплосъема в верхней части котла. Но установка тепловой изоляции на наружную поверхность имеющихся цистерн невозможна, так как будут нарушены требования ГОСТа к габаритам подвижного состава, а масса цистерны возрастет на 4.5 т.

Существует нетрадиционное решение проблемы, связанное с возможностью создания временной, легко удаляемой теплоизолирующей оболочки из самого перевозимого нефтепродукта на внутренней поверхности котла. Назовем мазутным дисперсоидом (МД) среду,

л л

полученную из мазута с вязкостью V > 10 м/с при барботировании через него воздуха с одновременным его перемешиванием и переведенную в твердое состояние последующим охлаждением.

Слой МД наносится на внутреннюю поверхность в верхней части котла порожней цистерны с помощью стандартного струйного генератора, применяемого в аппаратах химической технологии. Он включает лопастной насос типа Х90/85, подающую магистраль и устройство распыления, вводимое в цистерну через верхний наливной люк. Время распыления МД определяется мощностью насоса, время охлаждения и затвердевания - температурой наружного воздуха Tg и интенсивностью принудительного обдува воздухом его свободной поверхности. При температуре воздуха Tg = -10.-20 °С суммарная продолжительность

операций нанесения слоя МД и его принудительного охлаждения не превышает 10 минут в расчете на одну цистерну [2].

Теплопроводность и устойчивость МД зависят:

1. От кратности у, которая представляет собой отношение объема дисперсоида Уд к объему мазута VM, пошедшего на его образование:

У

V V +V

Д _ м г в

V.

V.

где V13 - объем воздушных пузырей в дисперсоиде.

Коэффициент теплопроводности МД определяется кратностью у теплопроводности мазута ~ 0,13 Вт/мтрад, и воздуха Ав ~ 0,024 Вт/мтрад, согласно формуле [1]:

2. От дисперсности (размера пузырьков) МД, которая влияет на его устойчивость, но не на теплопроводность.

При малых значениях у = (2...3) слой МД достаточно устойчив и вместе с тем имеет теплопроводность Ад = 0,07.0,05 Вт/мтрад, близкую к теплопроводности таких теплоизолирующих материалов, как стекловата. Дальнейшее увеличение у МД нецелесообразно из-за ухудшения его устойчивости.

После нанесения слоя МД цистерна подается под налив основной массы нефтепродукта. В работе [2] показано, что при заполнении цистерны горячим мазутом происходит лишь частичное растворение слоя МД: на поверхности котла остается слой дисперсоида толщиной 5м ~ 3.5 см и даже более, в зависимости от температуры наружного воздуха. Такая теплоизолирующая оболочка недостаточна для сохранения высокой температуры нефтегруза в течение всего времени транспортирования, но она способна блокировать его естественную конвекцию. Нециркулирующий нефтепродукт, как показано в работе [3], в силу своей малой теплопроводности (Ам ~ 0,13 Вт/мтрад) охлаждается с загустеванием лишь частично, образуя на стенках котла затвердевший слой толщиной 10.15 см. Основная масса продукта (до 90 %) сохраняет при перевозках высокую температуру и подвижность. Разогрев цистерны при сливе потребует уже меньших затрат времени и энергии. 2

2 Очистка цистерн от застывших остатков дисперсоида

Теперь рассмотрим задачу снижения теплопотерь при очистке цистерн от загустевших остатков при низких температурах воздуха, она тоже решается при создании слоя МД на внутренней поверхности котла.

Предварительно оценим, как влияет наличие пузырьков воздуха на площадь теплоотдающей поверхности, находящейся на фронте разжижения нефтепродукта. Мысленно выделим в слое затвердевшего

мазута кубик со стороной /, площадью грани 5 = /2 и объемом V = f, аналогичный кубик выделим в слое МД. Пусть МД имеет у = 2 и весь воздух содержится в одном пузырьке радиуса R. Очевидно, что выполняется соотношение:

У = ~

f

I3

4nR3

3

- 2.

Отсюда следует, что

R = }\— = 0,49/. 8 л

При прохождении фронта разжижения через кубик с пузырьком его площадь (5*) становится равной l2+nR2&l2 1 + тг/4 =1,7855'. Таким

образом, наличие пузырьков воздуха в МД с у = 2 увеличивает площадь его контакта с паром при разжижении в q = S* / S = 1,785 раз, аналогичные

выкладки показывают, что для МД су = 3 площадь контакта с паром увеличивается в q = 1,92 раза. Таким образом, очистка облегчается тем, что слой МД толщиной 5мд имеет меньшую площадь адгезионного взаимодействия со стенкой котла, малую теплопроводность и, благодаря своей пористости, большую в q = 1,785...1,92 раза, чем затвердевший мазут, площадь контакта с разжижающем его паром.

Пусть внутрь котла подается пар, имеющий температуру Тп. Теплота, поступающая с паром при постоянном его расходе Оп, частично расходуется на разогрев стенок котла и остатков нефтепродукта, частично уходит в окружающее пространство вместе с выпаром, а также за счёт теплопередачи через стенки котла. Пусть Ов и Ок - соответственно массы пара, выходящего из цистерны в единицу времени вместе с выпаром и превращающегося в конденсат.

Запишем уравнение теплового баланса для средней температуры стенки со слоем нефтепродукта:

МС + тс

dT

__ст

d т

= kR Т -Т -k~F~ Т -Т

1 1 п ст 2 2 ст g

(1)

Здесь Мст, m, Сст и с - соответственно массы стального котла, нефтепродукта на его стенках и удельные теплоемкости стали и нефтепродукта; F\ - площадь внутренней поверхности котла (по поверхности нефтепродукта); F2 - площадь наружной поверхности котла, м2; к\ - коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к стенке котла; к2 - коэффициент теплоотдачи от стенки котла наружному воздуху, Вт/м град; Tg - температура окружающей среды, град.

Обозначим через тр характерное время разогрева (постоянную величину, обратную темпу разогрева), а через © - температуру, отвечающую равновесному состоянию цистерны при её непрерывном разогреве:

т

р

0 =

_ Ч А, +тс.

KFl+k2F2 ’

кЛТи + Wg KFl+k2F2

После элементарных преобразований уравнение (1) приводится к виду

Ггт-т

т —^ + Т =0. (2)

р dx ст

В начальный момент времени т = 0 температура стенки котла равна температуре воздуха:

TJ0) = Tg. (3)

Решение уравнения (2) при начальном условии (3) имеет вид

Гст=0-(0-7>

Коэффициент теплоотдачи:

т/т

(4)

к, =

1

1 8

— +

аконв К

С увеличением термического сопротивления (8А,д) слоя МД коэффициент теплоотдачи к2, характеризующий потери тепла в окружающее пространство, уменьшается, величины тр и © возрастают, второе слагаемое в правой части (4) уменьшается и, следовательно,

температура стенки котла на стадии его пропарки принимает большее значение.

Считая, что температура цистерны при её пропарке достигла равновесного значения © и дальнейшего аккумулирования тепловой энергии стенками котла не происходит, запишем закон сохранения энергии, рассматривая пар, поступающий в цистерну и покидающий её вместе с выпаром:

G.C-GJ. -(G„ -G.V = ШС" ~Т„). (5)

Здесь Gп = 0,246 кг /с - установленный Нормами расход пара, подаваемого в при пропарке в цистерну под давлением Р = 4 ата; Gв -

расход выпара кг/с; T и гп - начальные температура и энтальпия пара;

*

i - энтальпия насыщенного пара при атмосферном давлении Дж/кг; /, = /Д'лу + + 1 - хв - энтальпия выпара, определяемая степенью его сухости jcb (безразм.).

Подставляя (4) в (5) и учитывая то, что r = i™4-i* - теплота парообразования, получим выражение, определяющее количество образующегося в единицу времени выпара:

Гпнач-0 + (0-7;>Гт/Тр хвг '

Отсюда видно, что количество образующегося выпара зависит от площади поверхности нефтепродукта F\, контактирующего с паром. Как отмечалось выше, у дисперсоида с у = 2...3 эта площадь возрастает в д = = 1,785.1,92 раза, что обусловливает существенное уменьшение выбрасываемого выпара и связанных с ним потерь тепла.

Заключение

Предложена новая технология создания временной тепловой изоляции цистерн для вязких нефтепродуктов из самого транспортируемого нефтегруза, переведенного в состояние затвердевшего воздухонасыщенного дисперсоида. Созданная оболочка может обеспечить значительную экономию тепловой энергии как при перевозках вязких нефтепродуктов, так и при очистке цистерн от их остатков.

Библиографический список

1. Пены. Теория и практика их получения и разрушения / В. К. Тихомиров. - М. : Химия, 1983. - 264 с.

G. =

G„(i„-i*)-

*,6

2. Дисперсоид как тепловая изоляция стенок транспортной емкости для вязких нефтепродуктов / А. М. Воробьев, В. И. Моисеев // Вопросы оборонной техники. -2006. - Вып. 1-4. - С. 117-121.

3. Модернизация универсальных цистерн для зимней транспортировки темных нефтепродуктов / В. И. Моисеев // Материалы второй научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты». - СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2001. - С. 31-35.

УДК 658.3:331:656.2 В. М. Пономарев

ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПЕШЕХОДНЫМ ПЕРЕХОДАМ ЧЕРЕЗ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЕ ПУТИ В ЦЕЛЯХ СНИЖЕНИЯ НЕПРОИЗВОДСТВЕННОГО ТРАВМАТИЗМА

В статье обосновываются требования к пешеходным переходам через железнодорожные пути в свете их влияния на устойчивость перевозочного процесса.

непроизводственное травмирование граждан, железнодорожный путь, пешеходный переход через железнодорожные пути.

Введение

Важной задачей в сфере обеспечения бесперебойного перевозочного процесса является снижение травмирования граждан в зоне движения поездов. Решение этой задачи в условиях структурных преобразований на железнодорожном транспорте, дальнейшего развития рыночных отношений, а также возникающих в связи с этим новых правоотношений в ОАО РЖД требует новых подходов к системе комплексной безопасности.

Значительные человеческие потери в условиях демографического спада, а также финансовые потери, которые вынуждено нести государство и компания ОАО РЖД, заставляют обратить на эту проблему пристальное внимание.

Статистика свидетельствует о том, что за последние два года в зоне движения поездов травмировано свыше 9 тыс. граждан. Анализ этих данных показывает, что наезд грузовых поездов происходит наиболее часто и составляет около 34 % от общего количества несчастных случаев (пригородные поезда - 26 %, пассажирские - 20 %, скоростные - 3 %, маневровые - 2,95 %, другие - 5 %) (см. рис.).

Травмирование граждан происходит при хождении по железнодорожным путям в неустановленных местах (90 % от общего количества случаев). Наибольшее количество граждан травмируется в