Кинетика тепловых процессов в резервуаре типа РВС для хранения нефти и нефтепродуктов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНСТИТУТ МАТЕМАТИКИ, ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК И МНФОРМАЦИОНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Реферат на тему:

«Кинетика тепловых процессов в резервуаре типа РВС для хранения нефти и нефтепродуктов»

Выполнил:

Гилев Н.Г.

Тюмень 2011

Борьба с потерями нефти и нефтепродуктов, в частности, в Тюменской области — один из важных путей экономии топливно-энергетических ресурсов, играющих ведущую роль в развитии экономики.

Потери нефти и нефтепродуктов на объектах транспорта и хранения сопровождается ухудшением их физико-химических свойств, а также оказывает пагубное влияние на окружающую среду. По оценкам специалистов, только за счет этого можно получить до 20 % всей экономии топливно-энергетических ресурсов.

Основным видом потерь нефти и нефтепродуктов, полностью неустранимых на современном уровне развития средств транспорта и хранения углеводородов, являются потери от испарения из резервуаров.

Ущерб, наносимой этими потерями, состоит не только в уменьшении топливных ресурсов и в стоимости теряемых продуктов, но и в отрицательных экологических последствиях, которые являются результатом загрязнения окружающей среды нефтепродуктами.

Поэтому борьба с потерями нефтепродуктов дает не только экономический эффект, но и жизненно важна для обеспечения охраны природы.

Процесс испарения в резервуарах происходит при любой температуре, так как связан с тепловым движением молекул в поверхностном слое. В герметичном резервуаре испарение происходит до тех пор, пока его газовое пространство не будет полностью насыщено углеводородами, и концентрация углеводородов в этом случае равна отношению давления насыщенных паров конденсата к давлению в газовом пространстве. В негерметичном резервуаре испарение происходит практически непрерывно, так как часть паровоздушной смеси постоянно вытесняется в атмосферу за счет разности давлений в резервуаре и вне него через имеющиеся отверстия, негерметичную арматуру.

Температура продукта сильно влияет на процесс испарения. Так например, даже при исправном дыхательном клапане из резервуара объемом 50 м при средней температуре 10С теряется за год 400 кг бензина. С увеличением температуры до 20С потери возрастают в пять раз.

В резервуарах для хранения нефти и нефтепродуктов происходят процессы тепломассопереноса, среди которых — испарение нефти с поверхности в газовое пространство. Интенсивность переноса массы паров, выделяющихся из нефти в резервуаре, существенно отличается от процесса испарения нефти в открытых пространствах, так как парциальное давление фракций в газовом пространстве герметичного резервуара асимптотически стремится по времени к давлениям насыщения. Разность концентрации паров вблизи поверхности и вдали от нее постепенно уменьшается, что приводит к уменьшению скорости массопереноса и установлению в ряде случаев динамического равновесия между жидкостью и парами. Явление осложняется тем, что нефть является многокомпонентной средой с переменным по времени и пространству составом. В жидкой фазе имеются растворенные газовые компоненты, которые выделяются при изменении внешних условий. Многие исследователи справедливо подчеркивают приближенность известных математических моделей испарения и дегазации нефти. Однако для создания современных имитационных моделей все же приходится разрабатывать и уточнять математические модели процессов массопереноса в резервуарах. По существу, происходит процесс накопления информации, а получаемые эмпирические и полуэмпирические (основанные на законах сохранения и законах тепломассопереноса) модели должны дополняться и уточняться по мере накопления новых опытных данных, полученных в модельных и натурных условиях. По методике Смоленцева С. М. расчет мощности тепловых потоков с течением времени в резервуарах типа РВС идет следующим способом[2]. Полный удельный поток пара от поверхности при испарении нефти в резервуаре представляет собой сумму молекулярного диффузионного потока, стефановского потока и потока пара из-за конвективного движения :

Конвективный тепловой поток пара через единицу поверхности определяется законом Ньютона-Рихмана:

где — коэффициент теплопередачи; Nu — критерий Нуссельта; Т_пов, Т — температуры в поверхностном слое нефти и в газовом пространстве. При свободной конвекции

где Gr и Pr — критерии Грасгофа и Прандтля.

При вынужденной конвекции

где Re и Pr — критерии Рейнольдса и Прандтля.

Средняя по площади конвективная скорость определяется по формуле

.

Поток пара из-за конвективного движения равен

.

Удельный поток паров с поверхности нефти за счет конвективного движения может определяться также с использованием числа Шервуда:, где — коэффициент конвективного массопереноса, по формуле И.П. Бударова[2]:

.

При свободной конвекции, закрытом дыхательном клапане и неподвижной поверхности нефти число Шервуда определяется из критериального уравнения[2]:

где k = 1,3 при Т_пов Т,

k = 0,7 при Т_пов < Т.

GrPr 500, a₁ = 1,18, n₁ = m₁ = 0,125;

GrPr > 500, a₁ = 0,54, n₁ = m₁ = 0,25.

При вынужденной конвекции, когда через дыхательный клапан в резервуар втекает воздух со средней скоростью, вытекает паровоздушная смесь со скоростью или изменяется уровень нефти в резервуаре со скоростью, число Шервуда определяется критериальным уравнением[2]:

.

Для расчета процесса испарения при опорожнении резервуаров Ф. Ф. Абузовой предложены значения параметров[4]:

; n₂ = 0,84; m₂ = - 3,08.

Для расчета процесса испарения при заполнении резервуаров Хабибуллиной С. С. рекомендованы значения[2]:

; n₂ = 0,698; m₂ = - 0,343.

Наиболее универсальная зависимость для расчета числа Sh при неизотермическом испарении нефти предложена В.А. Мартюшовой[2]:

.

При использовании аналогии между процессами теплообмена и массообмена полагают равными числа Nu и Sh. Сумма диффузионного потока пара от поверхности и стефановского потока за счет компенсационного движения при диффузии воздуха к поверхности определяется по соотношению:

где D — коэффициент диффузии; - приведенная плотность паров; M_п — масса паров в объеме V_ГП газового пространства резервуара; - массовая доля паров в смеси; w^* — скорость компенсационного стефановского движения.

Скорость w^* определяется из соотношения: .

Учитывая равенства: С_в + С_п = 1;, получаем из предыдущего:

или, произведя преобразования, получаем уравнение типа Максвелла-Стефана:

где l — характерная толщина слоя где происходят изменения P от P_s до 0; R_п — газовая постоянная паров; P_г, P, P_s — давления паровоздушной смеси, паров и насыщения. Из формулы следует приближенная зависимость:

.

Таким образом, суммарный поток паров с поверхности на режиме перекачки нефти через резервуар h=const давление насыщенных паров и параметр массообмена :

.

Параметр массообмена, учитывающий диффузионный и стефановский механизмы переноса массы из объема, занятого нефтью, в газовое пространство резервуара имеет вид:

.

Нестационарное поле концентраций нефтяных паров в резервуаре без учета конвективного перемешивания определяем по Ф. Ф. Абузовой из уравнения сохранения массы с учетом закона Фика и поправки Стефана:

где — концентрация нефтяных паров в паровоздушной смеси; с_г — плотность паровоздушной смеси; с — плотность нефтяных паров; y — линейная координата от поверхности нефти вертикально вверх.

Граничным условием для уравнения является

где С_s — концентрация нефтяных паров на границе фаз.

Начальное условие задается в момент времени t = 0 в виде

.

При численном расчете параметра C_s начальное распределение концентраций и коэффициент диффузии могут быть переменными.

Масса пара, накопленная в контрольном объеме (вследствие увеличения или уменьшения) резервуара высотой y за промежуток времени, равна:

Как показано в работе, в процессе насыщения газового пространства за счет механизма диффузии и стефановского массопереноса нефтяными парами можно выделить две стадии. На первой стадии происходит проникновение паров в газовое пространство.

При этом парциальное давление и концентрация паров под кровлей резервуара в начальный момент времени равны нулю, и в случае открытия дыхательного клапана в окружающую среду выходит чистый воздух.

На второй фазе насыщения происходит изменение концентрации по всей высоте ГП.

Ф.Ф. Абузовой показано, что распределение концентраций в ГП может быть аппроксимировано зависимостью

где n2.0, параметры а и b находятся из уравнения в зависимости от времени t>0 отдельно для первой стадии:

и второй стадии:

.

Из приближенных решений для изменения концентрации паров по времени и газовому пространству следуют соотношения для параметров массопереноса:

— безразмерное время, характеризующее длительность первой стадии:

;

— высота проникновения паров в ГП:

где — текущее безразмерное время;

— средняя по высоте проникновения паров концентрация:

;

— концентрация паров на любом уровне:

;

— средняя по высоте ГП концентрация паров:

;

— количество нефти, испарившейся с поверхности за время t в пределах :

;

— количество нефти, испарившейся с поверхности к концу первой стадии:

;

— концентрация нефтяных паров при :

;

— средняя по высоте газового пространства резервуара концентрация:

;

— концентрация смеси, выходящей через дыхательный клапан:

;

— количество нефтяных паров, накопленных в ГП резервуара за время t:

;

— масса нефти, испарившейся с поверхности нефти за промежуток времени от до :

Влияние динамического воздействия на процесс испарения при закачке нефти и опорожнении резервуара может быть учтено с применением результатов экспериментального исследования следующим образом.

Концентрация насыщенных паров с учетом влияния параметра K_sa определяется по уравнению

где R, R_г — газовые постоянные нефтяных паров паровоздушной смеси.

Следовательно, с учетом формул и масса нефти, испарившейся с поверхности за счет молекулярной диффузии и стефановского массопереноса, определяется по уравнению за промежуток времени :

.

Таким образом, полный поток массы с поверхности нефти за период времени с учетом конвективного перемешивания диффузии и стефановского потока имеет вид

где — поток массы; - параметр, учитывающий неаддитивность различных механизмов испарения, принимаемый в данной модели равным единице. Уравнение баланса энергии в объеме резервуара, занятом парами нефти, записывается в виде[2,6]:

Уравнение баланса энергии в объеме, занятом нефтью, имеет вид:

где, ,, , — мощность тепловых потоков, соответственно, через потолочное перекрытие резервуара, через боковые стенки части резервуара, занятого паровоздушной смесью, через границу между нефтью и паром, между окружающей средой и продуктом через боковые стенки резервуара, через днище резервуара:

где D_р — диаметр резервуара, м; h — высота уровня нефти в резервуаре, м; - плотность нефти, кг/м³;, , , — коэффициенты теплопередачи через соответствующие стенки, определенные по известным зависимостям; T_а, T, T_н, T_гр, T₁ — температуры окружающей среды, паровоздушной смеси в ГП, нефти в резервуаре, грунта, нефти, поступающей в резервуар.

В частном случае закрытого дыхательного клапана, при отсутствии подачи и откачки нефти Q_г = 0, Q_в = 0, Q₁ = 0, Q₂ = 0.

Таким образом, рассматриваемая физико-математическая модель описывает процессы большого дыхания, обратного выдоха, малого дыхания и др. с учетом взаимосвязи процессов тепломассопереноса, параметров технологических режимов и влияния окружающей среды.

Недостатком данной методики является не учтение мощности теплового потока за счет солнечной радиации и излучение Стефана-Больцмана первая из которых вносит большой вклад в изменение температуры, особенно в летнее время.

В статье Нгуен Чьеу Ньен проанализированы термодинамические процессы, происходящие в газовых пространствах наземных и подводных резервуарах. Как известно интенсивность солнечной радиации в течение всего дня резко меняется: на восходе и заходе солнца, в следствии косого проникновения солнечных лучей через атмосферную оболочку земли, интенсивность излучения в указанные периоды достаточно ослаблена. Пренебрегает тепловым излучением между газом и окружающей средой через боковые стенки. Таким образом вклад солнечной радиации существенен и мощность теплового потока рассчитывается[6]:

где A — степень черноты поверхности резервуара, q₀ — солнечная постоянная равная 760 Вт/м², ц — географическая широта расположения резервуара, щ — частота вращения земли вокруг своей оси, ц₀ — начальная фаза, соответствующая началу светового дня на местности.

Расход испарения, происходящий на разделе фаз в резервуаре можно вычислить по формуле Константинова[3]:

где F -площадь зеркала раздела фаз, n — коэффициент испарения, P_s, P — давление насыщенных паров и давление на i-ом шаге расчета.

Температура продукта сильно влияет на процесс испарения. Так например, даже при исправном дыхательном клапане из резервуара объемом 50 м при средней температуре 10С теряется за год 400 кг бензина. С увеличением температуры до 20С потери возрастают в пять раз. Это связано с тем что давление насыщенных паров зависит от температуры продукта внутри резервуара по уравнению Клайперона-Клаузиса:

где Р₃₁₁ и Т₃₁₁ — давление и температура насыщения смеси при давлении равной одна атмосфера и t=38^oC, R и r газовая постоянная смеси и удельная теплота парообразования.

Рис. 1. Схема тепловых и массовых потоков в резервуаре типа РВС.

Для расчета температуры продукта и ПВС через промежуток времени нужно решить систему уравнений баланса энергии для паровоздушной смеси и продукта в резервуаре, таким образом, получим:

q₁ — мощность теплового потока, через потолочное перекрытие резервуара:

где F_n — площадь крыши резервуара, — коэффициент теплопередачи через потолочное перекрытие, — температура окружающей среды и температура ПВС:

где — толщина кровли резервуара, — теплопроводность материала стенки[7], — коэффициент теплоотдачи от ПВС к кровле резервуара и от кровли резервуара в окружающую среду:

Где — диаметр резервуара, — эмпирические коэффициенты критерия подобия Нусельт[9,16,18], — теплопроводность ПВС и окружающей среды, — критерий Гразгофа, -критерий Прандтля, Re - критерии Рейнольдса: где в — коэффициент температурного расширения[8], Т, Тст — температура вещества и стенки со стороны вещества, g — ускорение свободного падения, Dp — диаметр резервуара:

где Ср — теплоемкость вещества, ?? — плотность, ?? — кинетическая вязкость, ?? — коэффициент теплопроводности[7,8];

гд скорость ветра, Dp — диаметр резервуара, ??_ос — кинематическая вязкость окружающей среды;

q₂ — мощность теплового потока за счет излучения, согласно уравнению Стефана-Больцмана[16]:

,

где А — степень черноты материала, F — площадь излучения, Т — температура излучающего объекта; q₃ — мощность теплового потока от ПВС в окружающую среду через боковую стенку:

где Dp — диаметр резервуара, Н₀, h — высота резервуара и высота взлива продукта в резервуаре, Т_а, Т ⁱ — температура окружающей среды и ПВС соответственно, k₂ — коэффициент теплопередачи тепла от ПВС в окружающую среду: где бпвс, бос — коэффициент теплоотдачи от ПВС к стенке резервуара и от стенки резервуара в окружающую среду[9,12,16,18], дст — толщина стенки резервуара, ??ст — теплопроводность материала стенки резервуара[8]:

где

где в — коэффициент температурного расширения ПВС[8], Т, Тст — температура ПВС и температура стенки со стороны ПВС, g — ускорение свободного падения, Dp — диаметр резервуара, ?? — кинематическая вязкость ПВС.

где Ср — теплоемкость паровоздушной смеси, ?? — плотность паровоздушной смеси определяемая из уравнения Менделеева-Клайперона, ?? — кинематическая вязкость ПВС, ?? — коэффициент теплопроводности ПВС[7,8].

где ??ос — вязкость окружающей среды, ??в — скорость ветра обдувающей резервуар;

q4 — мощность теплового потока от продукта в грунт:

где Тпⁱ, Тгр — температура продукта и температура грунта на глубине 8 м. для Уральского Федерального Округа общепринятая температура 6 ^оС, Dp — диаметр резервуара, k₄ — коэффициент температуропроводности:

где дст — толщина стенки резервуара, ??ст — теплопроводность стенки резервуара, ??гр — теплопроводность грунта[7], бгр — коэффициент теплоотдачи от стенки дна резервуара в грунт для нашего случая песок б_гр =16, б_п — коэффициент теплоотдачи от грунта продукта к стенке дна резервуара зависит от подвода, если Q_под =0:

где ??п — теплопроводность продукта, Dp — диаметр резервуара, Gr — критерий Грасгофа, Pr — критерий Пранкля[16]:

где в — коэффициент температурного расширения, g — ускорение свободного падения, Dp — диаметр резервуара, ??п — кинематическая вязкость продукта, Тп, Тст. п — температура продукта и температура стенки со стороны продукта.

где Ср — теплоемкость продукта, ?? — плотность продукта, ?? — кинематическая вязкость, ?? — коэффициент теплопроводности продукта.

При условии если расход подвода Qпод?0 то коэффициент теплоотдачи принимает вид:

где Re — критерий Рейнольдса:

где ??п — скорость прокачки продукта, l — характерный размер[13]:

h — высота взлиза, Dp — диаметр резервуара.

q₅ — мощность теплового потока от продукта в окружающую среду через боковую стенку:

где Dp — диаметр резервуара, h — высота взлива продукта в резервуаре, Т_пⁱ, Т_а — температура продукта и окружающей среды, k₅ — коэффициент теплопередачи:

где дст, ??ст — толщина и коэффициент теплопроводности стенки резервуара, бос — коэффициент теплоотдачи от стенки в окружающую среду, который определяется аналогично как и в расчете мощности теплового потока от ПВС в окружающую среду через боковую стенку резервуара, бп — коэффициент теплоотдачи от продукта к стенке со стороны продукта при расходе подвода Qпод?0:

где h — высота взлива продукта, b,n — эмпирические коэффициенты критерия Нусельта[9,16], Re — критерий Рейнольдса:

где ??п — скорость прокачки продукта, l — характерный размер:

h — высота взлиза, Dp — диаметр резервуара.

Если расход подвода Q_под=0 тогда коэффициент теплоотдачи рассчитывается как:

где Gr — критерий Грасгофа:

где в — коэффициент температурного расширения, g — ускорение свободного падения, h — высота взлива, ??п — кинематическая вязкость продукта, Т_п, Т_ст — температура продукта и стенки со стороны продукта.

q_сл.рад. — мощность теплового потока приносимая в резервуар за счет солнечной радиации[6,7]:

где A — степень черноты поверхности резервуара[16], q₀ — солнечная постоянная равная 760 Вт/м², ц — географическая широта расположения резервуара, щ — частота вращения земли вокруг своей оси, ц₀ — начальная фаза, соответствующая началу светового дня на местности.

q_исп — мощность теплового потока от жидкости к паровоздушной смеси[2]:

где Dp — диаметр резервуара, r — теплота парообразования продукта, dm/dt - массовый расход испарения, q_конв — мощность теплового потока за счет конвективного теплообмена между продуктом и паровоздушной смесью:

где Т_п, Т_пвс — температура поверхности продукта и паровоздушной смеси, б_кон — коэффициент теплопередачи от продукта к паровоздушной смеси за счет конвекции:

где b, n — эмпирический коэффициенты критерия Нусельт,

Dp — диаметр резервуара, Gr — критерий Грасгофа, Pr — критерий Прандтля. Масса испарившихся продуктов[2]:

где n-коэффициент испаряемости по Константинову[3,4], R — газовая постоянная паровоздушной смеси, ??0 — плотность паровоздушной смеси в газовом пространстве при статическом режиме при давлении насыщения, Т0 — температура паровоздушной смеси при статическом режиме, ?? — плотность на i-ом шаге, Т — температура на i-ом шаге.

Далее присваиваем T ⁱ = T ⁱ⁺¹, T_п ⁱ = T_п ⁱ⁺¹ и повторяем расчет по формулам изложенными выше, пока не достигнем задорного конечного времени.

Данная физико-математическая модель позволяет смоделировать тепловое состояния резервуара типа РВС с учетом солнечной радиации и теплообменом с грунтом, дыхательной арматуры РВС, процессами испарения и т. д.

Данная физико-математической модель применялись для расчетов опытно экспериментальной установки «Процессы тепломассопереноса в резервуарах для хранения нефти и нефтепродуктов» в ТюмГУ в 2010 г. под руководством Шабарова А. Б. Также были проведены расчеты по наблюдениям за резервуарами типа РВС-8000 и РВС-5000 на Антипинском НПЗ. Результаты расчетов дали хорошую сходимость с экспериментом.

кинетика тепло процесс резервуар хранение нефть

1. Шабаров А. Б., Земенков Ю. Д., Смоленцев В. М. Физико-математическая модель процессов движения и испарения нефти в резервуарном парке нефтепровода // Теплофизика, гидрогазодинамика, теплотехника: Сборник статей. Вып. I. — Тюмень: ТюмГУ, 2002 г. — С. 62−70.2. Смоленцев В. М. Прогнозирование потерь нефти в резервуарных парках НПС магистральных нефтепроводов. — Тюм., 2003. — 109 с.

3. Константинов Н. Н. Борьба с потерями от испарения нефти и нефтепродуктов. — М.: Гостоптехиздат, 1961. — 360 с.

4. Абузова Ф. Ф. Исследование потерь от испарения нефтей и нефтепродуктов и эффективности средств сокращения их в резервуаре: Автореф. дисс. докт. техн. наук. — Уфа: УНИ, 1975. — 334 с.

5. Земенков Ю. Д. Влияние солнечной радиации на испарение нефтей с открытой поверхности // Проблемы нефти и газа Тюмени: Сб. научн. тр. ЗапСибНИГНИ. — 1984. — Вып. 61. — С. 53−55

6. Нгуен Чьеу Ньен, Ч. С. Гусейнов. Роль солнечной радиации в испарении легких фракций углеводородов в наземных и подводных резервуарах. Нефтяное хозяйство. — 2000. — № 4. С. 54−56

7. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 352 с.

8. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. — М.: Наука. — 1972. — 720 с.

9. Теория тепломассообмена / С. И. Исаев, И. А. Кожинов, В. И. Кофанов и др. Под ред. А. И. Леонтьева. — М.: Высшая школа, 1997.

10. Любин Е. А., Коршак А. А. Определение величины потери нефти от испарения из резервуаров // Промышленная экология — 2008.

11. Рид Р. Свойства газов и жидкостей. под ред. Соколова И. Б. Химия, 1982.

12. Бекнев В. С., Леонтьев А. И., Шабаров А. Б. и др. Газовая динамика: Учебник для вузов. — М.: МГТУ им. Баумана, 1997. — 671 с.

13. А. Б. Шабаров. Гидрогазодинамика: Учебно-методический комплекс для студентов очной формы обучения специальности «Физика», «Теплофизика», «Физика и техника низких температур». Тюм.:ТюмГУ, 2008, — 336 стр.

14. Берковский Б. М., Полевиков В. К. Вычислительный эксперимент в конвекции. — Мн.: Университетское, 1988 — 167 с.

15. Хранения нефти и нефтепродуктов: Учебное пособие./Под общей редакцией Земенкова Ю. Д. -2001. — 550 с.

16. Кислицын А. А. Основы теплофизики. Тюм.: ТюмГУ. — 2002. — 152 с.

17. Коршак С. А. Совершенствование методов расчета потерь бензинов от испарения из резервуаров типов РВС и РВСП. — М.: РГБ, — 2003. — 177 с.

18. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. — Новосибирск: Наука, Сибирское отд., 1970.

19. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. — М.: Энергия, 1973.

20. Кучмент Л. С. О прогнозировании возможного загрязнения окружающей среды при авариях на магистральных нефтепроводах //Трубопроводный транспорт нефти. — 1994. — № 12. — С. 13−18