Способ перевозки вязких нефтепродуктов и железнодорожная цистерна для его реализации

Изобретения относятся к области железнодорожного транспорта, а более конкретно к способам и средствам перевозки вязких нефтепродуктов, таких как мазуты и масла.

Известен способ железнодорожных перевозок вязких нефтепродуктов, включающий их первичную подготовку для обеспечения необходимых температур при наливе в цистерну, налив, выполняемый с применением погружных рукавов, перевозку в цистерне, которая сопровождается охлаждением жидкого нефтепродукта, происходящим с ростом его вязкости, вторичный разогрев нефтепродукта, проводимый для восстановления его текучести перед выгрузкой, и саму выгрузку, осуществляемую самотеком (Губин В.Е. Слив и налив нефтей и нефтепродуктов. М.: Недра, 1972, 193 с.).

Недостатками способа являются длительность разогрева нефтепродукта перед сливом и большие затраты тепловой энергии, необходимые для обеспечения слива. Длительность выгрузки нефтепродукта обуславливает непроизводительный простой вагонов и ведет к низкому обороту подвижного состава.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является способ перевозки вязких нефтепродуктов в транспортных емкостях (RU №2224960, B65G 67/24; 69/20, Бюл. №30 от 27.10.2003 г.).

Способ включает первичный разогрев нефтепродукта перед наливом в транспортную емкость и последующее за тем изготовление теплоизолирующей оболочки котла цистерны из самого перевозимого нефтепродукта, заключающееся в переводе части нефтепродукта в состояние дисперсоида с низкой кратностью, нанесение его струями на внутренние стенки транспортной емкости, последующее затем охлаждение нанесенного слоя, производимое до полного его загустевания. После выполнения этих операций производится налив в транспортную емкость основной массы разогретого нефтепродукта.

Недостатком способа является сложность и продолжительность изготовления теплоизолирующей оболочки котла цистерны из самого транспортируемого вязкого нефтепродукта.

Известны железнодорожные цистерны-термосы для перевозки нефтепродуктов, переходящих при охлаждении в высоковязкое состояние (А.И. Казубов. Применение цистерн-термосов для перевозки застывающих нефтепродуктов. М., ЦНИИТЭМС, вып. 11, 1987, 32 с.).

Недостатком цистерн является то, что теплоизолирующая оболочка имеет высокую себестоимость и низкую ремонтопригодность, она требует частых, продолжительных и дорогостоящих ремонтных работ.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой цистерне является вагон-цистерна для вязких нефтепродуктов, модель 15-1566 (Губенко В.К., Никодимов А.П., Жилин Г.К. Цистерны (устройство, эксплуатация, ремонт). М.: Транспорт, 1990 г., 151 с.).

Цистерна включает горизонтально установленный на транспортных тележках цилиндрический котел, имеющий верхний наливной люк, нижний сливной патрубок и парообогревательный кожух, снабженный штуцерами для подачи пара и слива конденсата, жестко укрепленный на нижней половине котла, предназначенный для разогрева нефтепродукта перед его сливом.

Недостатками цистерны является то, что кожух, покрывающий нижнюю часть котла, не препятствует, а скорее способствует охлаждению перевозимого нефтепродукта на стадии его транспортирования. Камера между обечайкой котла цистерны и парообогревательным кожухом, через которую подается пар, обеспечивающий разогрев нефтепродукта при его сливе, создает конструктивно не предусмотренную тепловую изоляцию нижней половины котла цистерны.

Камера имеет толщину 4 см, заполнена воздухом, имеющим низкую теплопроводность, и создает значительное термическое сопротивление потоку теплоты от перевозимого горячего нефтепродукта в окружающее пространство.

Таким образом, теплопередача в окружающее пространство на поверхности нижней половины котла происходит с меньшей интенсивностью, чем на верхней его половине. При этом горячий жидкий нефтепродукт в верхней части котла цистерны охлаждается быстрее, чем в его нижней части.

С понижением температуры происходит рост плотности нефтепродукта, поэтому преимущественное его охлаждение в верхней части котла сопровождается переходом всей его массы в гидродинамически неустойчивое состояние, возбуждающее естественную конвекцию. Конвекция вызывает интенсивный перенос теплоты от горячего нефтепродукта к стальным стенкам котла, которые на верхней его половине, над парообогревательным кожухом не имеют тепловой изоляции. При высокой теплопроводности стали, теплота передается в окружающее пространство и безвозвратно теряется.

В итоге конвективный теплоперенос в горячем жидком и еще маловязком нефтепродукте способствует быстрому его охлаждению и переходу в вязкое состояние практически во всем объеме котла.

Задачей способа перевозки вязких нефтепродуктов и реализующей его железнодорожной цистерны является упрощение процесса создания теплоизолирующей оболочки на внутренней поверхности котла цистерны из самого перевозимого нефтепродукта, которая при низкой его теплопроводности обеспечивает сохранение высокой температуры и текучести основной его массы, ведет к сокращению времени и затрат тепловой энергии на выгрузку.

Технический результат достигается тем, что в способе перевозки вязких нефтепродуктов, включающем их налив в цистерну в разогретом состоянии, транспортирование, сопровождающееся охлаждением с одновременным ростом вязкости, разогрев доставленного нефтепродукта, проводимый для восстановления его текучести перед выгрузкой и выгрузку, осуществляемую в виде слива самотеком, перед наливом горячего нефтепродукта котел цистерны предварительно прогревают, до температуры, лежащей в интервале от +20°С до +40°С, а перед транспортированием нефтепродукт, находящийся в нижней половине котла цистерны, принудительно охлаждают до тех пор, пока его плотность станет на 3-5% больше плотности нефтепродукта в верхней половине котла цистерны. При этом для принудительного охлаждения нефтепродукта в нижней половине котла цистерны через камеру, образованную обечайкой котла цистерны и парообогревательным кожухом, пропускают холодную воду с температурой от +4°С до +10°С.

Технический результат достигается тем, что у железнодорожной цистерны для перевозки вязких нефтепродуктов, включающей горизонтально установленный на транспортных тележках цилиндрический котел с верхним наливным люком, нижним сливным патрубком, имеющим жестко укрепленный на нижней половине котла парообогревательный кожух, снабженный штуцерами для подачи пара и слива конденсата, верхняя половина котла цистерны, над парообогревательным кожухом, покрыта слоем теплоизолирующего материала толщиной не менее 10 см.

На фиг. 1 показано продольное сечение железнодорожной цистерны, а на фиг. 2 - ее поперечное сечение.

Железнодорожная цистерна для перевозки вязких нефтепродуктов содержит горизонтально установленный на транспортных тележках цилиндрический котел 1, который заполняется жидким нефтепродуктом 2, через верхний наливной люк. Нефтепродукт 2 при наливе имеет высокую температуру и текучесть, но за время транспортирования охлаждается и переходит в вязкое состояние. На нижней половине котла цистерны 1 жестко укреплен парообогревательный кожух 3, снабженный штуцером 4 для подачи теплоносителя, например пара, которым разогревается нефтепродукт 2 при выгрузке, и выходной штуцер 5, обеспечивающий слив образующегося при этом конденсата. Между стенкой котла цистерны 1 и парообогревательным кожухом 3 образована камера 6, заполняемая теплоносителем при разогреве нефтепродукта 2 при его выгрузке. На стадии транспортирования нефтепродукта 2 камера 6 заполнена воздухом и создает значительное термическое сопротивление тепловому потоку от горячего нефтепродукта 2 в окружающее пространство.

Верхняя половина котла цистерны 1, над парообогревательным кожухом 3, покрыта слоем теплоизолирующего материала 7, например жесткого пенополиуретана, стекловаты или ваты минеральной. Толщина слоя теплоизолирующего материала 7 должна быть такой, чтобы создаваемое им термическое сопротивление тепловому потоку от горячего нефтепродукта 2 в окружающее пространство превосходило термическое сопротивление воздуха в камере 6 не менее чем в два раза. Если теплоизолирующим материалом 7 является жесткий пенополиуретан, то его толщина должна быть не менее 6 см, если теплоизолирующим материалом является минеральная вата, то ее толщина должна быть не менее 10 см.

На нижней части котла цистерны 1 крепится сливной патрубок 8, через который обеспечивается слив доставленного нефтепродукта. Герметичность крепления сливного патрубка 8 к котлу цистерны 1 обеспечивается уплотняющей манжетой 9, выполненной из резины.

Подразумевается, что нефтеналивная площадка, где производится налив нефтепродуктов в цистерны, имеет, как и всякое промышленное предприятие, источник снабжения 10 горячей и холодной технической водой, а также систему канализации, обеспечивающей ее слив.

На стадии перевозки вязкого нефтепродукта по заявляемому способу лишь часть нефтепродукта 2 переходит в высоковязкое состояние, образуя застывший слой 11 на внутренней стенке котла цистерны 1, основная же масса нефтепродукта 2 сохраняет высокую температуру и текучесть, достаточную для выполнения слива, в течение всего времени транспортирования.

Заявляемый способ перевозки вязких нефтепродуктов в зимнее время, при низких температурах воздуха, реализуется следующим образом. Перед наливом горячего нефтепродукта котел цистерны 1 предварительно прогревают до начальной температуры его стенок, лежащей в интервале от +20°С до +40°С. Для этого в течение некоторого времени через камеру 6 под парообогревательным кожухом 3 пропускают горячую воду с температурой от +50°С до +60°С. Подачу воды осуществляют через магистраль, проходящую от внешнего источника водоснабжения 10 к входному штуцеру 4 на парообогревательном кожухе 3, через камеру 6 между корпусом котла цистерны 1 и стенкой парообогревательного кожуха 3, через выходной штуцер 5 и далее в систему канализации. Начальная температура прокачиваемой воды при этом находится ниже предельных значений +120°С, предъявляемых нормативными документами к резинотехническим изделиям, следовательно, уплотняющая манжета 9 сливного патрубка 8 сохраняет при прогреве котла цистерны 1 свои характеристики. Появление термических напряжений в сварных швах котла 1 при его прогреве также не ожидается. Вместе с тем прокачиваемая вода с температурой в интервале от +50°С до +60°С, как показали компьютерные расчеты, обеспечивает достаточно быстрый, не более 30 минут, прогрев стенок котла цистерны 1 до температур, находящихся в интервале от +20°С до +40°С.

На стадии самого налива нефтепродукта в котел цистерны 1 прокачку горячей воды через камеру 6 под парообогревательным кожухом 3 заменяют пропусканием через нее уже холодной технической воды с температурой от +4°С до +10°С, которое продолжают некоторое время и после заполнения котла цистерны 1 горячим нефтепродуктом 2. Это мероприятие позволяет поднять температуру наливаемого нефтепродукта 2 от установленных нормативными документами значений +80°С, рассчитанных на начальную температуру котла цистерны 1, равную -50°С до значений +120°С допускаемых условиями эксплуатации уплотняющей манжеты 9 сливного патрубка 8.

Возможность налива более горячего нефтепродукта в железнодорожную цистерну снимает необходимость в проведении ряда операций на предприятии, изготовляющем нефтепродукты, что позволяет ускорить процесс налива и снизить его себестоимость.

Наличие парообогревательного кожуха 3 на нижней половине котла цистерны 1 и слоя теплоизолирующего материала 7 на верхней его половине обеспечивает технику безопасности для обслуживающего персонала при наливных работах.

Пропускание холодной воды осуществляют по прежней схеме: от источника водоснабжения 10 к входному штуцеру 4 на парообогревательном кожухе 3, через камеру 6, через выходной штуцер 5 и далее в систему канализации. Пропускание холодной воды через камеру 6 обеспечивает охлаждение нефтепродукта 2 в нижней части котла цистерны 1 до температуры, близкой к +60°С, при том что в верхней части котла она остается близкой к +120°С.

В этих условиях плотность жидкого нефтепродукта 2 в нижней части котла цистерны 1 будет превышать его плотность в верхних его слоях. По сравнению с плотностью в слоях, прилегающих к оси котла 1, разница составляет 3%, по сравнению с плотностью у поверхности она достигает 5%.

При наличии слоя теплоизолирующего материала 7 на верхней половине котла цистерны 1 и охлаждении нижней ее половины масса жидкого нефтепродукта 2 в цистерне переходит в гидродинамически устойчивое, так называемое «стратифицированное» состояние. При этом перенос теплоты от горячего нефтепродукта 2 в окружающее пространство осуществляется в отсутствие конвективного теплопереноса, т.е. только за счет молекулярной теплопроводности, она же у всех нефтепродуктов, включая все марки мазутов и масел, имеет малые значения.

При охлаждении нефтепродукта 2, находящегося в стратифицированном состоянии, в объеме котла цистерны 1 формируется температурное поле с градиентом температур, направленным к оси котла от его боковой поверхности и вдоль оси котла на его торцах.

Быстрее всего охлаждаются с переходом в высоковязкое состояние слои нефтепродукта 2, прилегающие к обечайке котла цистерны 1. Эти слои образуют теплоизолирующую оболочку 11 котла цистерны 1, возникающую самопроизвольно из самого перевозимого нефтепродукта 2. Толщина застывших слоев нефтепродукта, образующих оболочку 11, зависит от температуры окружающего воздуха и при условиях суровой зимы составляет не более 10-15 см, их масса не превышает 15 тонн, т.е. около 20% от массы нефтепродукта, содержащегося в 65- тонной цистерне. Основная же часть перевозимого нефтепродукта 2 массой до 50-55 тонн, что составляет до 80% от всего содержимого цистерны, будет сохранять свою высокую температуру и текучесть в течение всего времени транспортирования.

Все нефтепродукты, включая вязкие мазуты и масла, имеют большой коэффициент объемного теплового расширения β≈10^-3 1/град, малое значение коэффициента теплопроводности λ=0,12-0,2 Вт/(м⋅град), низкую вязкость в горячем состоянии и высокую вязкость при низких температурах. Поэтому процесс термогравитационной конвекции, переводящей горячий нефтепродукт в стратифицированное состояние, будет быстрым, а теплоизолирующая оболочка 11 - достаточно устойчивой.

Снижению скорости охлаждения перевозимого нефтепродукта способствуют также большие термические сопротивления воздушной прослойки камеры 6 под парообогревательным кожухом 3 и слоя теплоизолирующего материала 7, которые снижают тепловые потоки в окружающее пространство.

Выгрузку доставленного нефтепродукта из котла цистерны 1 осуществляют согласно используемому в настоящее время способу. Через входной штуцер 4 на парообогревательном кожухе 3, в камеру 6 подают пар, для разогрева и расплавления слоя загустевшего нефтепродукта, образующего теплоизолирующую оболочку 11, остальная его масса 2 имеет температуру, достаточную для осуществления выгрузки самотеком. Через выходной штуцер 5 производят сброс остатков пара и образующегося конденсата.

Достигаемые положительные эффекты от использования способа перевозки вязких нефтепродуктов и железнодорожной цистерны, обеспечивающей его реализацию сводятся:

- к резкому сокращению времени и затрат тепловой энергии на разогрев при выгрузке вязких нефтепродуктов из цистерны, получаемых за счет уменьшения скорости охлаждения нефтепродукта при транспортировке и сохранения текучести более 80% от всей его массы;

- к необходимости разжижения при выгрузке лишь слоя загустевшего нефтепродукта, составляющего менее 20% от его массы в цистерне;

- к снижению затрат тепловой энергии на дополнительный разогрев нефтепродукта в наземных коммуникациях, обеспечивающих его передачу в хранилища.