МАГИСТРАЛЬНЫЕ НЕФТЕПРОВОДЫ

Физические причины смесеобразования

Последовательная транспортировка позволяет организовать перекачку нефти различных сортов от нефтепромыслов до потребителе, используя один и тотже магистральный трубопровод, причем избегая перемешивания различных нефтей между собой и, таким образом, обеспечивая качество каждой. Безусловно, при этом в зонах взаимодействия последовательно транспортируемых партий случается некоторое смешение вытесняемой и вытесняющих нефтей.

Последовательное перекачивание прямым контактированием так называется, потому что вытесняемая и вытесняющая нефти находятся во взаимном контакте без какого-либо разделения. Поэтому очевидно задать вопрос, насколько ссущественно это образование смеси и справедливы ли опасения, что перекачиваемые нефти смешаются друг с другом. На самом деле, когда одна нефть вытесняет другую, то в местах соприкосновения последовательно перемещающихся партий получается смесь, причем ее объём по мере транспортировки от начала нефтепровода к его окончанию непрерывно увеличивается.

Естественно возникает вопрос, почему бы, чтобы разделить нефти разных сортов, не воспользоваться каким-либо механическим разделителем - поршнем, твердым или эластичным шаром, жидкой или полужидкойразделительной пробкой и т.п., которые представляя собой подвижную перегородку, двигаясь в потоке нефти в трубопроводе, разделяли бы транспортируемые разносортные жидкости. На практике было устанволено, что эта чрезвычайно простая идея при промышленном внедрении оказалась не эффективной, потому что разделители двигаются с меньшей скоротью, чем поток нефти и быстро оказываются вне зоны соприкосновения последовательно перемещаемых партий. Последовательная транспортировка нефтей прямым контактированием технологически значительно проще и весьма эффективна так как количество смеси, которая образуется в зонах взаимодействия последовательно перемещаемых партий, весьма мало и при достаточном запасе транспортируемых нефтей весь смесевой объём может быть разделен (т.е. добавлен) по базовым нефтям без изменения качества каждой из них в отдельности. Однако интенсивность образования смеси и количество смешавшихся нефтей определяются режимом транспортировки, соблюдением технологических параметров перекачивания, знанием физических факторов, которые приводят к смесеобразованию, а также пониманием базовых взаимозависимостей этого процесса.

Какие же причины и физические процессы, которые происходят при последовательном выдавливании одной нефти другой, делают возможным образование и медленное, но непрерывное возрастание количества смеси?

Смесь, образующаяся в зоне соприкосновения перекачиваемых нефтей, когда одна из них выдавливает другую, образуется вследствие физических процессов, которые присущи движению жидкой среды в трубопроводе. Если бы соприкасающиеся нефти выдавливали друг друга по принципу жестких поршней с плоской разделительной границей между ними, то их смешивание в зоне взаимного контакта, естественно, не происходило бы. Взаимная молекулярная диффузия нефтей, в расчёт не принимается - по причине своей ничтожности, чтобы быть заметной. Дело в другом, так как нефти являются жидкостями, то выдавливание одной из них другой организовано неравномерно по сечению трубопровода.

Скорости частиц жидкой среды в разных точках сечения трубопровода разные (рисунок спарва). У стенок трубы они равняются "0", а на его оси достигают своего наибольшего значения. Поэтому выдавливание одной нефти другой является более интенсивным на осевой линии трубопровода, в то время в пристенном слоей оно значительно медленнее. В каждый момент времени клин позади перемещаемой нефти как бы погружается в нефть, которая идёт впереди, причем тем сильнее, чем более растянут по оси профиль средних значений скорости. Происходит, так называемая, конвективная диффузия (или конвекция) примеси из нефтей в другую посредством взаимодействия перекачиваемых слоёв жидкости.

Неравномерный профиль распределения в сечении трубы усредненных значений скорости жидкой среды является не единственным фактором, приводящим к смесеобразованию нефтей в зоне их соприкосновения. Другим, фактором смесеобразования, оказывающим не менее существенное влияние, является процесс под названием турбулентная диффузия.

Обычно, нефти транспортируются в турбулентном режиме, когда частицы жидкости перемещаются в трубопроводе не параллельно ее стенкам, а выполняют хаотические движения, аналогично перемещениям в дымовых струях, которые выходят из труб. В турбулентных потоках присутствует интенсивное смешение разнообразных частиц по сечению трубопровода за счет пульсирующего характера скорости и указанных неорганизованных движений индивидуальных частиц. Поэтому турбулентная диффузия, выполняет перемешивание вытесняющей и вытесняемой нефтипо сечению трубы, за счет чего распределение в каждом сечении становится относительно однородным.

Важно отметить, что содержание каждой нефти в сечении трубопровода, хоть и является близким к константе, но постоянным не является - для вытесняющей нефти она во всех случаях больше по оси трубопровода, чем у ее стенок, а для вытесняемой - она всегда имеет меньшее значение по оси трубопровода, чем пристенный слой. Благодаря этому в сечениях нефтепровода осуществляется массообмен, который обеспечивает постоянное увеличение смесевого объёма.

На рисунке выше изображены кривые распределения концентрации с вытесняющей жидкой среды в зависимости от дистанции r/R₀ до оси трубы (R₀ - радиус трубы), которые были получены профессором В. А. Юфиным в результате опытов с 2-мя взаиморастворимыми жидкостями (NaOH и H₂O) и подтверждают сформулированное выше положение.

Таким образом, процесс смешивания замещаемой и замещающей нефтей происходит по следующей схеме: клин замещающей нефти внедряется в нефть, которая движется впереди, а процессы турбулентной диффузии диспергируют внедрившуюся субстанцию по сечению трубопровода. При этом за счет того, что концентрация замещающей нефти на осевой линии трубы выше, чем у ее стенок, осуществляется непрерывный перенос замещающей нефти вперед, в область, занятую замещаемой нефтью. И наоборот, по аналогичной причине происходит обратное перемещение замещаемой нефти назад, в область замещающей.

Эти 2 процесса взаимонеотделимы. Они происходят непрерырвно и единовременно на протяжении всего врмененого интерввала замещения, определяя интенсивность продольного перемешивания, занимаемый объём и длину образующейся смеси.

Из сформулированного следует, что образование смеси в зоне соприкосновения нефтей происходит по 2 основным причинам: неравномерного распределения скоростей жидкой среды по сечению трубы и турбулентного перемешивания. Отсюда можно заключить, что чем более плоский профиль усредненных значений скорости жидкости в сечении трубопровода, тем выше интенсивность перемешивания её частиц в сечении, полнее происходит вытеснение и слабее смесеобразование.

Из гидравлики известно, что профиль скоростей жидкости в сечении трубы тем равномернее, чем поток турбулентнее, а значит чем выше интенсивность перекачивания. Турбулентный режим течения жидкости в трубе характеризуется, как известно, числом Рейнольдса:

Поэтому, чем больше скорость перекачивания, тем турбулентность более развита.

Например, при скорости перекачки u = 0,75 м/с двух нефтей (ν₁ ≈ ν₂ = 25 сСт) в нефтепроводе с внутренним диаметром d = 800 мм число Рейнольдса:

Это значит, что нефти перекачиваются в области смешанного трения в развитом турбулентном режиме.

На рисунке слева представлены турбулентные профили скорости отнесенные к максимальной скорости жидкости на осевой линии трубопровода. Нижняя кривая характеризует поток при Re = 24000, верхняя - при Re = 3200000, средние — при промежуточных значениях.

Таким образом, можно наблюдать, что турбулентные профили находятся существенно выше или, говорят, что они более заполнены, чем ламинарные (на рисунке - пунктирная кривая), и степень их заполненности увеличивается с возрастанием числа Рейнольдса. Другими словами, турбулентные профили являются более плоскими, чем ламинарный. В частности, такой значимый показатель, как отношение наибольшей скорости течения u_max к среднему значению скорости в развитом турбулентном режиме u_ср определяется соотношением u_max ≈ 1,15÷1,25u_ср, в то время как ламинарное течение характеризуется максимальной скоростью u_max вдвое большей среднего значения u_ср.

Это подразумевает, что с повышением скорости перекачивания, профиль скоростей становится более плоским и, как следствие, замещение одной нефти на другую происходит более полно. Кроме того, турбулентное перемешивание в сечении трубопровода при высоких значениях скоростей идет гораздо интенсивней, чем при низких, что благоприятствует большему выравниванию концентрации каждой нефти по сечению трубопровода и, значит, уменьшению смеси.

Таким образом, одним из ключевых факторов, котоыре определяют интенсивность образования смеси, счиатется скорость, с которой происходит транспортировка нефти. В этом отношении турбулентный режим транспортировки намного рациональнее ламинарного (где профиль скоростей вытянут относительно оси трубы). В таком случае при транспортировке нефтей с низкими значениями скоростей смесеобразование происходит интенсивнее, чем при перекачивании с высокими скоростями.