Гидродинамический стенд для испытания противотурбулентных присадок для нефти и нефтепродуктов

Авторы патента:

Полезная модель относится к области гидродинамики жидкостей, в частности, к устройствам для изучения снижения гидродинамического сопротивления полимерными противотурбулентными присадками (ПТП), либо поверхностно-активными веществами (ПАВ). Гидродинамический стенд для испытания противотурбулентных присадок для нефти и нефтепродуктов содержит расходную емкость для углеводородной жидкости, снабженную входным и выходным шаровыми кранами, термостат, соединенный с расходной емкостью, замкнутый контур движения углеводородной жидкости, узел ввода противотурбулентной присадки, винтовой насос, измерительный узел и расходомер. Измерительный узел включает в себя измерительный участок замкнутого контура движения углеводородной жидкости, снабженный по меньшей мере одним дифференциальным датчиком давления, датчиком температуры и таймером для измерения времени прохождения углеводородной жидкости по замкнутому контуру. При использовании заявленного стенда достигается повышение точности определения величины снижения гидродинамического сопротивления углеводородной жидкости с введенной в нее ПТП. 3 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 пример.

Полезная модель относится к области гидродинамики жидкостей, в частности, к устройствам для изучения снижения гидродинамического сопротивления полимерными присадками, либо поверхностно-активными веществами (ПАВ), и может быть использована для создания гидродинамических стендов для изучения углеводородных жидкостей и испытания присадок к ним, снижающих гидродинамическое сопротивление.

Известен стенд для гидродинамических исследований характеристик течения углеводородного сырья [С.С. Байкин, Томский политехнический университет. Проблемы геологии и освоения недр. Секция 12. Машины и оборудование трубопроводного транспорта нефти и газа, сс. 497-500], состоящий из насоса для перекачки жидкости, подпорного насоса, стальных труб и труб из оргстекла (D=159 мм), запорной арматуры (задвижки клиновой литой), предохранительной арматуры, узла учета нефти, узла регулирования давления; камеры приема и пуска средств очистки и диагностики; емкости для жидкости (V=2 м³ ), насоса для откачки жидкости, фланцевое или муфтовое соединение трубопровода. Известный стенд позволяет анализировать условия прохождения углеводородного сырья через различные участки трубопровода, исследовать течения совместно с очистными устройствами и внутритрубными инспекционными приборами, исследовать последовательную транспортировку разнородных продуктов при различных режимах перекачки, в различных зонах трения и при использовании различных видов разделителей, выбрать оптимальные условия транспортирования и определить влияние ингибиторов и присадок на скоростные характеристики потока.

Недостатком известного стенда являются большие габариты стенда и большой объем исследуемой углеводородной жидкости, что делает анализ каждого образца присадки дорогостоящей процедурой. Кроме того, в известном стенде используются насосы центробежного типа, что делает невозможным исследования ПТП на основе высокомолекулярных полимеров, которые на крыльчатке центробежного насоса претерпевают необратимую деструкцию.

Известен стенд для оценки эффективности физико-химического воздействия на поток воды, нефти, газа и газоконденсата [патент на полезную модель RU 131165 U1, опубл. 10.08.2013, МПК G01M 10/00], который включает бак, сливной бак, ручные вентили, основной трубопровод, насос, нагревательный элемент, датчики температуры, расхода и давления, газовый баллон с компрессором, установленные параллельно баку с насосом, а также байпасные линии для установки сменных блоков. В качестве сменных блоков используются узел ввода химического реагента, магнитная установка, турбулизатор, диффузор, конфузор, нагревательный элемент, блок охлаждения. Также стенд дополнительно включает узлы контроля коррозии. Датчики температуры, давления и узлы контроля коррозии установлены после каждого съемного блока.

Указанный стенд предназначен главным образом для изучения коррозии трубопроводов и действия антикоррозионных присадок.

Наиболее близким к предполагаемой полезной модели является гидродинамический стенд для углеводородных жидкостей [Jabir Shanshool, Haider М.Т. Al-Qamaje / Effect of Molecular Weight on Turbulent Drag Reduction with Polyisobutylene // The 1^st Regional Conference of Eng. Sci. NUCEJ Spatial ISSUE vol. 11, No. 1, 2008, cc. 52-59]. Стенд предназначен для изучения углеводородных жидкостей, а также растворов присадок для снижения гидродинамического сопротивления (DRA). Углеводородная жидкость поступает из емкости объемом 0,49 м и с помощью шестеренного насоса циркулирует по трубе диаметром 3,2 см в турбулентном режиме течения. Общая длина контура порядка 15 м, труба снабжена датчиками давления, расходомером, запорной арматурой. Измерительная секция имеет длину 2 м. Величину эффекта снижения гидродинамического сопротивления DR определяют по формуле

где P₀ - падение давления на измерительном участке в случае циркуляции необработанного керосина; P_p - то же для раствора полиизобутилена в керосине. Сравнительные испытания на гидродинамическом стенде проводились для полиизобутилена с различной молекулярной массой.

К недостаткам наиболее близкого аналога можно отнести следующее:

1. Отсутствие демпфирующих устройств, что приводит к пульсации давления жидкости в трубе и уменьшению точности результатов;

2. Не предусмотрено термостатирование жидкости, что исключает возможность температурных исследований;

3. Использование насоса шестеренного типа, который оказывает достаточно сильное разрушающее действие на полимеры и ПАВ, что делает затруднительным изучение слабых взаимодействий полимеров в течение продолжительного времени.

Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является устранение недостатков, упомянутых выше.

Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение точности определения величины снижения гидродинамического сопротивления углеводородной жидкости с введенной в нее ПТП.

Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что гидродинамический стенд для испытания противотурбулентных присадок для нефти и нефтепродуктов содержит расходную емкость для углеводородной жидкости, снабженную входным и выходным шаровыми кранами, термостат, соединенный с расходной емкостью, замкнутый контур движения углеводородной жидкости, узел ввода противотурбулентной присадки, винтовой насос, измерительный узел и расходомер, при этом измерительный узел включает в себя измерительный участок замкнутого контура движения углеводородной жидкости, снабженный по меньшей мере одним дифференциальным датчиком давления, датчиком температуры и таймером для измерения времени прохождения углеводородной жидкости по замкнутому контуру.

Кроме того, в гидродинамическом стенде замкнутый контур движения углеводородной жидкости представляет собой трубку диаметром 10-50 мм и длиной 5-10 м.

Дополнительно, измерительный участок замкнутого контура движения углеводородной жидкости имеет длину 2-3 м.

Кроме того, измерительный участок замкнутого контура движения углеводородной жидкости снабжен двумя дифференциальными датчиками давления, расположенными на входе и выходе измерительного участка.

Заявленная полезная модель поясняется чертежами, на которых представлены:

фиг. 1 - схема гидродинамического стенда;

фиг. 2 - зависимость снижения гидродинамического сопротивления нефти, содержащей ПТП, от продолжительности циркулирования нефти по замкнутому контуру стенда для двух различных образцов ПТП.

Позициями на чертеже фиг. 1 обозначены:

1 - расходная емкость для углеводородной жидкости;

2 - входной шаровый кран;

3 - выходной шаровый кран;

4 - термостат;

5 - замкнутый контур движения углеводородной жидкости;

6 - узел ввода противотурбулентной присадки;

7 - винтовой насос;

8 - расходомер;

9 - измерительный участок замкнутого контура движения углеводородной жидкости;

10 - дифференциальный датчик давления;

11 - датчик температуры;

12 - таймер.

Гидродинамический стенд для испытания противотурбулентных присадок для нефти и нефтепродуктов, схема которого показана на фиг. 1, содержит расходную емкость 1 для углеводородной жидкости, которая снабжена входным 2 и выходным 3 шаровыми кранами. Термостат 4 соединен с расходной емкостью 1 и служит для поддержания заданной температуры в замкнутом контуре 5 движения углеводородной жидкости. Замкнутый контур 5 движения углеводородной жидкости представляет собой трубку диаметром 10-50 мм и длиной 5-10 м. После расходной емкости 1 на замкнутом контуре 5 последовательно установлены узел ввода 6 противотурбулентной присадки и винтовой насос 7, задающий необходимую скорость движения углеводородной жидкости в замкнутом контуре 5. На участке замкнутого контура 5 после винтового насоса 7 размещены измерительный узел и расходомер 8. При этом измерительный узел включает в себя измерительный участок 9 замкнутого контура движения углеводородной жидкости, снабженный по меньшей мере одним дифференциальным датчиком давления 10, датчиком температуры 11 и таймером 12 для измерения времени прохождения углеводородной жидкости по замкнутому контуру.

Измерительный участок 9 замкнутого контура движения углеводородной жидкости имеет длину 2-3 м. В случае, если измерительный участок 9 имеет один дифференциальный датчик давления 10, расположенный на его входе, давление потока углеводородной жидкости на выходе измерительного участка 9 принимается равным атмосферному. Дополнительно измерительный участок 9 замкнутого контура движения углеводородной жидкости может быть снабжен двумя дифференциальными датчиками давления 10, расположенными на входе и выходе измерительного участка 9.

Заявленное устройство работает следующим образом.

В расходную емкость 1 через входной 2 шаровый кран, расположенный в верхней ее части, заливают маловязкую углеводородную жидкость, например, дизельное топливо. Входной 2 шаровый кран оставляют открытым для поддержания внутри емкости атмосферного давления.

Углеводородная жидкость в расходной емкости 1 подогревается или охлаждается до заданной температуры посредством термостата 4 в зависимости от целей эксперимента. Термостат 4 выполнен с возможностью задания температур в диапазоне от -15°C до +85°C.

Затем запускают работу винтового насоса 7, обеспечивающего в замкнутом контуре 5 поддержание скорости потока жидкости, при которой наблюдается турбулентный режим течения.

Посредством датчика температуры 11 следят за изменением температуры протекающей по замкнутому контуру 5 жидкости. После установления в контуре заданной температуры жидкости в нее вводят через узел ввода 6 ПТП, выполненный в виде шарового крана, противотурбулентную присадку и измеряют посредством датчика температуры 11 изменение температуры, посредством дифференциальных датчиков давления 10 падение давления жидкости в турбулентном режиме течения, и посредством таймера 12 время, прошедшее с момента введения ПТП. Измерения на измерительном участке 9 контура движения жидкости проводят до момента установления в контуре постоянного давления. Посредством расходомера 8, расположенного после измерительного участка 9, проводят измерения объемной скорости потока углеводородной жидкости. После проведения измерений углеводородную жидкость сливают из расходной емкости 1 посредством выходного шарового крана 3.

По результатам измеренных данных определяют величину снижения гидродинамического сопротивления после введения в жидкость ПТП и строят кривую зависимости снижения гидродинамического сопротивления от времени при различных значениях температуры углеводородной жидкости. Заявленное устройство позволяет оценить эффективность противотурбулентной присадки при различных температурных режимах.

Технический результат, заключающийся в повышении точности определения величины снижения гидродинамического сопротивления углеводородной жидкости с введенной в нее ПТП, в предлагаемой конструкции гидродинамического стенда достигается за счет следующего:

- применения винтового насоса, который в отличие от центробежного насоса, насоса шестеренного типа и др., оказывает меньшее деструктивное воздействие на макромолекулы полимера ПТП. При этом деградация присадок происходит с меньшей скоростью вследствие меньших сдвиговых напряжений, а, следовательно, продолжительность и точность измерений увеличиваются;

- использования термостата, позволяющего контролировать температуру жидкости в широком диапазоне и проводить оценку скорости растворения ПТП при пониженной температуре;

- использование узла ввода ПТП, позволяющего отслеживать поведение присадки с момента контакта частиц полимера с углеводородной жидкостью.

Пример 1

Нефть вязкостью 8 сСт из расходной емкости объемом 30 л с помощью винтового насоса марки A33B 8/63 двигалась по замкнутому контуру, который представлял собой трубку диаметром 20 мм и длиной 7 м. Производительность насоса - 7,0 м³, число Рейнольдса составляло 15500. Температура жидкости в расходном емкости поддерживалась на уровне 20°C с помощью выносного термостата. Контур снабжен расходомером, демпфирующим устройством, дифференциальными датчиками давления. Длина измерительного участка составляла 3 м. Перепад давления на измерительном участке 3 м при прокачке нефти без присадки был равен 70,0 кПа.

Загрузка ПТП осуществлялась на входной линии винтового насоса. ПТП суспензионного типа вводили с таким расчетом, чтобы результирующая концентрация составила 20 ppm. После введения ПТП регистрировали падение давления на измерительном участке и рассчитывали снижение гидродинамического сопротивления (DR) по формуле (1) в данный момент времени. Кривая изменения DR от времени представлена на фиг. 2 (кривая 1). Она носит экстремальный характер, что обусловлено наложением двух тенденций: растворением полимера ПТП в нефти и его деградацией на винтовом насосе. Полная деградация полимера происходит примерно через 2 часа. Время достижения максимума (t_max) характеризует скорость растворения полимерных частиц, которая связана в первую очередь с их размерами, и в меньшей степени с молекулярной массой полимера и концентрацией в потоке. Величина максимума (DR_max) характеризует эффективность самого полимера, которая связана с его молекулярной массой, его содержанием в присадке, а также концентрацией присадки в потоке. Длина правого плеча кривой характеризует устойчивость полимера к деградации. За ее меру можно принимать время (t_1/2), за которое DR_max уменьшается наполовину.

При нанесении на один график данных для двух образцов ПТП (фиг. 2) одинаковой концентрации по форме кривых можно судить об относительной дисперсности полимерных частиц, а зная содержание полимера в суспензии, можно делать относительную оценку молекулярной массы и устойчивости к деградации полимеров. По данным, приведенным на фиг. 2, можно сказать, что первый образец ПТП содержит более мелкие частицы (более быстрое растворение), молекулярная масса образов примерно одинакова (близкие значения DR_max), второй образец ПТП содержит большее количество полимера (выше устойчивость к деградации).

1.Гидродинамический стенд для испытания противотурбулентных присадок для нефти и нефтепродуктов, характеризующийся тем, что он содержит расходную емкость для углеводородной жидкости, снабженную входным и выходным шаровыми кранами, термостат, соединенный с расходной емкостью, замкнутый контур движения углеводородной жидкости, узел ввода противотурбулентной присадки, винтовой насос, измерительный узел и расходомер, при этом измерительный узел включает в себя измерительный участок замкнутого контура движения углеводородной жидкости, снабженный по меньшей мере одним дифференциальным датчиком давления, датчиком температуры и таймером для измерения времени прохождения углеводородной жидкости по замкнутому контуру.

2. Гидродинамический стенд по п. 1, характеризующийся тем, что замкнутый контур движения углеводородной жидкости представляет собой трубку диаметром 10-50 мм и длиной 5-10 м.

3. Гидродинамический стенд по п. 1, характеризующийся тем, что измерительный участок замкнутого контура движения углеводородной жидкости имеет длину 2-3 м.

4. Гидродинамический стенд по п. 1, характеризующийся тем, что измерительный участок замкнутого контура движения углеводородной жидкости снабжен двумя дифференциальными датчиками давления, расположенными на входе и выходе измерительного участка.

РИСУНКИ