Результат интеллектуальной деятельности: Цистерна для перевозки вязких нефтепродуктов

Изобретение относятся к железнодорожному транспорту, а более конкретно к средствам перевозки вязких нефтепродуктов: мазутов, масел, пара-финистых нефтей и др.

Известны цистерны для вязких нефтепродуктов, содержащие средства их разогрева, обеспечивающие восстановление текучести нефтепродукта перед выгрузкой (Морчиладзе И.Г. Железнодорожные цистерны: конструкции, техническое обслуживание и ремонт. М, «ИВС-Холдинг», 2006, - 512 с.).

Недостатками цистерн являются:

- большие трудозатраты и затраты тепловой энергии на разогрев нефтепродукта для восстановления его текучести при выгрузке, проводимой, как слив самотеком;

- необходимость для организации выгрузки нефтепродуктов сливных площадок, включающих сложные инженерно-строительные сооружения, оборудованные дорогостоящей техникой;

- низкий оборот вагонов-цистерн, обусловленный длительностью операций выгрузки нефтепродукта и очистки цистерн от его высоковязких остатков, проводимых с продолжительным разогревом, как цистерны, так и доставленного нефтегруза.

Также известны цистерны-термосы с тепловой изоляцией стенок котла, обеспечивающей снижение скорости охлаждения перевозимого нефтепродукта (Казубов А.И. Применение цистерн-термосов для перевозки застывающих нефтепродуктов. М; «ЦНИИТЭИМОС», вып. 11, 1987, 32 с.).

Недостатками цистерн-термосов являются сложность обеспечения всего комплекса требований, предъявляемых к цистернам нормативными документами и высокая себестоимость. Цистерны - термосы применяют лишь для небольшого перечня затвердевающих наливных грузов, имеющих малые объемы перевозок.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является железнодорожная вагон-цистерна, известная как модель 15-1566, которую применяют для перевозки вязких нефтепродуктов (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 прибор с верхним управлением, осуществляемым с помощью штанги, вороток которой помещен в верхнем наливном люке, а также парообогревательный кожух, снабженный штуцерами для подачи пара и слива конденсата, укрепленный на нижней половине котла и покрывающий всю нижнюю половину.

Недостатком цистерны является то, что сливной прибор крепится непосредственно к нижнему листу котла вагона-цистерны, с использованием резиновых уплотняющих элементов, которые нагреваются при наливе в цистерну горячего нефтепродукта и со временем теряют свои эксплуатационные характеристики. По требованиям, предъявляемым к резинотехническим изделиям, их температура не должна превышать плюс 125°С, тогда, как на выходе из перегонного аппарата на нефтеперерабатывающем заводе мазуты и масла имеют температуру, превышающую плюс 300°С (Баннов П.Г. Процессы переработки нефти т. 11, М, ЦНИИТЭнефтехим, 2001, - 415 с.). По этой причине вязкие нефтепродукты перед наливом в вагон-цистерну предварительно охлаждают до температуры ниже, чем плюс 100°С. Охлаждение производят с продолжительной выдержкой в специальных емкостях, занимающих производственные площади, на нефтеперерабатывающих заводах, и, как правило, с использованием градирен. Градирни, являются специальными сооружениями требующими, производственных мощностей, оборудования и привлечения обслуживающего персонала (Коваленко В.П., Турчанинов В.Е. Обеспечение температурного режима нефтепродуктов при их транспортировании и хранении: Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. НТИС. М., «ВНИИОЭНГ», 1989, №6, 83 с.).

Кроме того, парообогревательный кожух, укрепленный на нижней половине котла вагона-цистерны модели 15-1566, обеспечивает разогрев доставленного нефтепродукта перед его сливом, но не препятствует, а скорее способствует охлаждению всей его массы на стадии транспортирования.

Воздушный зазор между обечайкой котла цистерны и парообогревательным кожухом создает конструктивно не предусмотренную тепловую изоляцию нижней половины котла цистерны, где теплопередача от горячего нефтегруза в окружающее пространство происходит менее интенсивно, чем на верхней его половине. Горячий жидкий нефтепродукт в верхней половине котла заполненной цистерны охлаждается на холодных стенках котла, имеющих тепловой контакт с внешней средой быстрее, чем в нижней его половине. Это охлаждение сопровождается ростом плотности нефтепродукта, который переходит в гидродинамически неустойчивое состояние, возбуждающее термогравитационную конвекцию.

Конвекционные токи охлажденного жидкого нефтепродукта, возникающие на стенках котла, смешиваются с горячими его массами внутри котла цистерны и вызывают их охлаждение, Конвективный теплоперенос в горячем жидком нефтепродукте, особенно интенсивный в первые часы после его налива в цистерну, вызывает быстрое охлаждение и рост вязкости всей массы нефтепродукта в цистерне.

Задачей изобретения является сокращение времени выгрузки нефтепродукта из цистерны, затрат тепловой энергии на его разогрев перед выгрузкой, а также повышение производительности труда на организацию перевозки и слива вязких нефтепродуктов в зимнее время года, из которых первый фактор ведет к существенному увеличению оборота подвижного состава, обеспечивающего доставку вязких нефтепродуктов.

Технический результат достигается тем, что цистерна для перевозки вязких нефтепродуктов, включающая горизонтально установленный на транспортных тележках цилиндрический котел, имеющий верхний наливной люк, нижний сливной прибор с верхним управлением, осуществляемым с помощью штанги, вороток которой помещен в верхнем наливном люке, а также парообогревательный кожух, снабженный штуцерами для подачи пара и слива конденсата, укрепленный на нижней половине котла и покрывающий всю нижнюю половину, дополнительно содержит переходную трубу, жестко прикрепленную одним торцом к нижнему листу обечайки котла цистерны, а другим торцом, имеющем фланец, соединенную с нижним сливным прибором, причем на штанге, над седлом клапана сливного прибора, жестко установлен герметично изолированный сосуд, заполненный теплопоглощающим материалом.

При этом верхняя половина котла, над парообогревательным кожухом, покрыта теплоизолирующим материалом.

На фиг. 1 изображено продольное сечение котла цистерны заполненной нефтепродуктом. На фиг. 2 изображено сечение средней части котла цистерны с верхним наливным люком и нижним сливным прибором.

Цистерна для перевозки вязких нефтепродуктов содержит горизонтально установленный на транспортных тележках цилиндрический котел 1, имеющий верхний наливной люк 2, нижний сливной прибор 3 с верхним управлением. На нижней половине котла цистерны 1 жестко зафиксирован парообогревательный кожух 4. Верхнее управление нижнего сливного прибора 3 обеспечивается штангой 5, имеющей вороток 6, который в нерабочем положении помещается в верхнем наливном люке 2. Нижний сливной прибор 3 монтируется на переходной трубе 7, жестко прикрепленной одним своим торцом к нижнему листу обечайки котла цистерны 1 и имеющей на втором торце отверстие 8 перекрываемое седлом клапана 9 нижнего сливного прибора 3. На нижней стороне седла клапана 9 укреплена резиновая уплотняющая манжета 10, обеспечивающая герметичность сливного прибора 3 в закрытом положении.

На штанге 5 непосредственно над седлом клапана 9 жестко укреплен герметично изолированный сосуд 11, заполненный теплопоглощающим материалом.

В качестве теплопоглощающего материала могут быть использованы, например, кристаллогидраты солей, а если штанга 5 изготовлена в виде пустотелой трубы, то и вода. Все эти вещества имеют сравнительно низкую температуру и высокую удельную теплоту фазовых превращений.

Фазовым превращением у кристаллогидратов солей является плавление, а точнее обратимая реакция разложения на соль и воду, а у воды - испарение, происходящее при кипении.

Примерами кристаллогидратов являются уксуснокислый натрий трехводный CH₃COONa⋅3H₂O и гипосульфит натрия пятиводный Na₂S₂O₃⋅5Н₂O. Удельная теплота и температура фазовых переходов названных теплопоглощающих материалов представлены в таблице 1.

В закрытом положении сливного прибора 3 сосуд 11, заполненный теплопоглощающим материалом находится внутри переходной трубы 7. При наливе горячего нефтепродукта в котел 1 цистерны происходит и заполнение им переходной трубы 7, имеющей малый объем. Когда горячий нефтепродукт, имеет температуру выше 200°C, кристаллогидраты, заполняющие сосуд 11, плавятся, а вода закипает. В последнем случае образующийся водяной пар через пустотелую штангу 5 сбрасывается в окружающее пространство.

Парообогревательный кожух 4 представляет собой камеру, которую образуют стенка котла 1 и стальной лист, жестко фиксированный на ней с образованием воздушного зазора толщиной четыре сантиметра. Парообогревательный кожух 4 имеет входной патрубок 12, обеспечивающий подачу пара в камеру, и выходной патрубок 13 для слива образующегося конденсата.

Верхняя половина котла 1, над парообогревательным кожухом 4, покрыта слоем теплоизолирующего материала 14, например, жесткого пенополиуретана, стекловаты или ваты минеральной.

Плотность теплового потока q, Вт/м² от горячего нефтепродукта в окружающее пространство через слой тепловой изоляции с коэффициентом теплопроводности λ_из, Вт/м°С и толщиной δ_из, м определяется равенством (Михеев М.А., Михеева М.М. Основы теплопередачи М., «Энергия», 1977, 344 с.):

Здесь t_н.п. и t_возд. температура нефтепродукта и окружающей среды, °С соответственно. Отношение δ_из/λ_из называется термическим сопротивлением слоя тепловой изоляции.

Парообогревательный кожух 4 образует воздушную прослойку между стенками котла 1 цистерны и стенкой кожуха. Максимальное термическое сопротивление прослойка создает при сухом воздухе, у которого коэффициент теплопроводности λ_возд=0,043 Вт/м°С и достигает δ_возд/λ_возд=0,93(м²⋅°С)/Вт

Толщина слоя теплоизолирующего материала 14 должна быть такой, чтобы создаваемое им термическое сопротивление тепловому потоку от горячего нефтепродукта в окружающее пространство превосходило термическое сопротивление слоя воздуха под парообогревательным кожухом 4 не менее, чем в два раза. В таблице 2 указана необходимая толщина слоя 14 для трех различных теплоизолирующих материалов.

На стадии перевозки большая часть нефтепродукта 15, находящегося в центральных областях котла 1 цистерны, имеет высокую температуру и текучесть, тогда как, на внутренней поверхности стенок котла 1 и в переходной трубе 7 образуется слой застывшей фракции 16, которая имеет низкую температуру и находится в высоковязком состоянии.

Наливная площадка, как любой промышленный объект, должна быть оборудована источником технической горячей воды 17 и сбросной канализацией 18.

При установке сливного прибора 3 на переходную трубу 7 не должны превышаться утвержденные габариты подвижного состава.

Перевозку вязких нефтепродуктов в заявляемой цистерне осуществляют следующим образом.

Горячий нефтепродукт наливают в котел 1 цистерны при температуре выхода из перегонного аппарата на нефтеперерабатывающем предприятии, минуя стадию предварительного охлаждения. При этом, непосредственно перед его наливом, через парообогревательный кожух 4 котла 1 цистерны пропускают воду, получаемую из источника технической горячей воды 17 и сливаемую после прохождения через парообогревательный кожух 4 в сбросную канализацию 18. Пропускание воды через парообогревательный кожух 4 обеспечивается с использованием входного патрубка 12 и выходного патрубка 13 парообогревательного кожуха 4. Пропускание воды обеспечивает первичный прогрев котла 1 цистерны до положительных температур, что блокирует появление термических напряжений в сварных швах котла 1.

Эти напряжения могут возникнуть при наливе в котел 1 нефтепродукта с высокой начальной температурой в условиях, когда температура окружающей среды оказывается ниже минус 40°С.

Наливаемый нефтепродукт заполняет переходную трубу 7 и охлаждается в ней, расходуя содержащуюся в нем теплоту на плавление или испарение теплопоглощающего материала, заполняющего сосуд 11. При малом объеме переходной трубы 7, не превосходящем двадцати литров, нефтепродукт, заполняющий переходную трубу 7, охлаждается до температуры, не превышающей плюс 100°C, которая обеспечивает условия нормальной эксплуатации резиновой уплотняющей манжеты 10.

При малой теплопроводности всех нефтепродуктов λ_н.п.≈0,12 Вт/м°C нефтепродукт, заполняющий объем переходной трубы 7, сам создает тепловую изоляцию резиновой уплотняющей манжеты 10 от горячего нефтепродукта 15 в котле 1 цистерны, температура которого может превышать плюс 200°С.

Продолжающееся пропускание воды, получаемой из источника технической воды 17, под парообогревательный кожух 4 вызывает охлаждение жидкой фракции горячего нефтепродукта 15 в нижней половине котла 1 цистерны до температуры, лежащей в интервале от плюс 100°C до плюс 80°C.

Такие температуры соответствуют существующим требованиям, предъявляемым к условиям эксплуатации цистерн для вязких нефтепродуктов, имеющих резиновые уплотняющие элементы на нижних сливных приборах.

Температура жидкого нефтепродукта 15 в верхней половине котла 1 цистерны сохраняется несколько выше плюс 200°С. Для сохранения ее высокой температуры наружная поверхность котла 1 цистерны покрывается слоем теплоизолирующего материала 14, выполненного, например, из жесткого пенополиуретана, с низкой теплопроводностью λ_из=0,04 Вт/м°С. Он может длительно, в течение нескольких лет, эксплуатироваться при температурах от плюс 60°С до плюс 200°C, а кратковременно - и при более высоких температурах.

Теплоизолирующий слой 14 из пенополиуретана наносится напылением на верхнюю половину котла 1 цистерны. Напыление производится в условиях депо в течение двух-трех часов, при необходимости он удаляется механически, т.е. скребком.

После налива жидкий нефтепродукт 15, заполняющий котел 1 цистерны, оказывается в устойчивом неравновесном состоянии, при котором его плотность в верхней половине котла 1 цистерны оказывается на 15-20% ниже, чем в нижней половине котла 1 цистерны.

В таком состоянии, называемом «стратифицированным состоянием», отсутствует причина возникновения термогравитационной конвекции горячих жидкостей, что резко снижает теплоперенос внутри их объема.

В стратифицированном состоянии горячего жидкого нефтепродукта 15 внутри котла 1 цистерны происходит не только уменьшение скорости его охлаждения при перевозках, но изменяется сама картина застывания с переходом в высоковязкое состояние. Этот переход происходит не во всей массе 15 жидкого нефтепродукта, заполняющей котел 1 цистерны, а лишь в тонком слое, прилегающем к стенкам котла 1.

Результаты компьютерных расчетов показали, что толщина слоя застывшей фракции 16 не превосходит шести сантиметров, а его масса будет меньше пяти тонн.

Основная часть жидкого нефтепродукта 15 в котле 1 цистерны, общей массой около шестидесяти тонн, сохраняет высокую температуру и текучесть, достаточную для слива самотеком, по истечении не менее десяти суток транспортирования при температуре окружающей среды минус двадцать градусов Цельсия.

При низкой теплопроводности нефтепродукта λ_н.п.≈0,12 Вт/м°C слой застывшей фракции 16 сам является дополнительной теплоизолирующей оболочкой котла 1 цистерны.

Слой застывшей фракции 16 легко размывается при подаче пара через входной патрубок 12, под парообогревательный кожух 4 и сбросе конденсата через патрубок 13 по стандартной технологии выгрузки вязких нефтепродуктов. Причем на размыв слоя застывшей фракции 16 тратится меньшее время и расходуется меньшее количество теплоты по сравнению с наиболее близким техническим решением.

При разогреве и размыве слоя застывшей фракции 16, имеющего тепловой контакт с горячим нефтепродуктом 15, существенно снижается и площадь стенок котла 1 цистерны, где остается возможным образование высоковязких остатков перевозимого нефтепродукта. Она ограничивается верхней, не обогреваемой при сливе, половиной котла 1.

Сливаемый нефтепродукт имеет высокую температуру и текучесть и может передаваться в хранилища по наземным коммуникациям в том числе, если они выполнены по временным технологическим схемам.

Решение задачи по сокращению времени выгрузки, затрат тепловой энергии на ее проведение и повышению производительности труда на организацию перевозок вязких нефтепродуктов сводится к следующему:

1. Упрощаются операции по предмаршрутной подготовке вязких нефтепродуктов перед наливом в цистерну, при которой снимается необходимость их предварительного охлаждения перед наливом в цистерну.

2. Снижаются затраты времени и тепловой энергии при выгрузке вязких нефтепродуктов и очистке цистерн от высоковязких остатков.

3. Повышается производительность труда, связанного с перевозками вязких нефтепродуктов, которая выражается снижением простоя цистерн и увеличением оборота подвижного состава.