СТРУЙНОЕ ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЖИДКИХ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕД Российский патент 2023 года по МПК B01F25/30 B01F25/46 B08B9/08 B01D35/06 

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей промышленности и может быть использовано на объектах добычи, хранения и переработки жидких углеводородов для перемешивания жидких загрязненных электризующихся (диэлектрических) сред с одновременной возможностью устранения препятствий образованию отложений на дне вертикальных и горизонтальных резервуаров и емкостей.

Общеизвестно, в частности, что для перемешивания в различных резервуарах и емкостях различных жидкостей, в том числе различной плотности и склонных к расслоению составов, широко используются струйные насосы в качестве струйных смесителей с сопловыми эжекторами, механические лопастные перемешивающие устройства, а также комбинированные смесители, состоящие из основного и дополнительных перемешивающих устройств.

Известно, что в жидких средах, обладающих высоким удельным электрическим сопротивлением, таких как светлые и темные нефтепродукты, газовый конденсат и т.д. при движении последних с высокими скоростями, при перемешивании образуются и накапливаются статические объемные заряды, особенно интенсивно этот процесс происходит после прохождения насосов, фильтрующих элементов и перемешивающих устройств. Особую опасность представляет процесс переноса такой жидкостью заряда в емкость и накопления в рабочей среде заряда, способного разрядиться над поверхностью жидкости во взрывоопасной газовой среде и воспламенить ее.

Известно устройство для размыва донных отложений жидких углеводородов в вертикальном стальном резервуаре (см. патент РФ на изобретение №2743557 по кл. МПК B01F 15/02, опубл. 19.02.2021 г.), содержащее продольную и поперечную напорные трубы с установленными по их боковым сторонам параллельно днищу резервуара на равном удалении друг от друга соплами, всасывающий патрубок, насос, входной и выходной промывочные патрубки, заборный промывочный патрубок, присоединенный к неподвижно установленному на всасывающем патрубке глухому кожуху, промежуточный промывочный патрубок, присоединенный одним своим концом к всасывающему патрубку, а другим своим концом присоединенный к глухому кожуху.

Однако, устройство не предназначено для применения в подземных и горизонтальных резервуарах и не может быть использовано для электризующихся жидких сред.

Известно устройство для фильтрации жидких нефтепродуктов (см. патент РФ на изобретение №2618759 по кл. МПК B01D 35/06, опуб. 11.05.2017), содержащее заземленный корпус с входными и выходными патрубками, фильтроэлементы, имеющие на наружных поверхностях перфорированные токопроводящие кожухи и закрепленные с образованием полости для потока нефтепродукта внутри корпуса на горизонтальной перегородке, в которой выполнены проточные каналы для очищаемого нефтепродукта. Такое устройство позволяет получить на выходе после себя очищенную рабочую среду и существенно снизить ее электризацию.

Однако, при введении данной нейтрализованной от статического заряда среды в резервуар, для выполнения функции перемешивания с помощью струйного устройства (эжектора), поток вновь будет приобретать заряд на сужающем устройстве (сопле) из-за высокой скорости и турбулентного смешивания со вторичным (низконапорным) потоком.

Наиболее близким к заявляемому является струйное перемешивающее устройство для выравнивания состава моторных топлив в резервуарах (см. патент РФ на изобретение №2314151 по кл. МПК B01F 5/04, опуб. 10.01.2008), включающее в себя насос с всасывающим и напорным трубопроводами и сопловый эжектор, установленный на выходе напорного трубопровода в нижней части резервуара. Эжектор имеет цилиндрическую камеру смешения, на внутренней поверхности которой под углом 30-45^о к оси расположены спиральные ребра для придания жидкости вращательного движения, сопло выполнено с диаметром, обеспечивающим скорость истечения жидкости 40-50 м/с, причем эжектор установлен в горизонтальной плоскости на отдельной линии подачи топлива в резервуар под углом 60° от перпендикуляра к плоскости монтажного люка и в вертикальной плоскости под углом к горизонтали, обеспечивающим точку попадания струи на 50% рабочей высоты резервуара.

Однако, такое устройство имеет ограниченное применение, поскольку не может работать с электризующимися диэлектрическими взрывопожароопасными средами, такими как газовый конденсат и метанол, так как в них не допускаются высокие скорости перемещения среды без нейтрализации статического электричества. Недостатками также является то, что перемешивание происходит только при наполнении резервуара, отсутствует возможность производить очистку загрязненных рабочих сред от твердых частиц, область применения ограничена вертикальными резервуарами больших объемов.

Технической проблемой заявляемого изобретения является разработка струйных устройств, предназначенных для перемешивания жидких загрязненных электризующихся (диэлектрических) сред с одновременной возможностью устранения препятствий образованию отложений твердых частиц на дне вертикальных и горизонтальных резервуаров и емкостей.

Техническим результатом является снижение взрывопожароопасности в резервуарах с загрязненными электризующимися средами при осуществлении очистки резервуара от твердых частиц без опорожнения резервуара.

Для достижения технического результата струйное перемешивающее устройство, содержащее насос, подключенный к напорной линии и к расположенной у дна резервуара всасывающей линии, струйный аппарат, расположенный в нижней части резервуара, и имеющий сужающий элемент, соединенный с напорной линией струйного аппарата, конфузор, соединенный с камерой смешения, согласно изобретению, устройство дополнительно содержит фильтр, расположенный снаружи резервуара и соединённый с одной стороны с насосом с помощью возвратного трубопровода, соединенного с напорной линией насоса, а с другой стороны - с напорной линией струйного аппарата, дополнительно содержащего индукционный нейтрализатор статического электричества, соединенный с одной стороны с камерой смешения, а с другой стороны - с контуром заземления резервуара посредством металлической связи выравнивания потенциалов.

При горизонтальном расположении резервуара насос расположен внутри резервуара около его дна и представляет собой погружной или полупогружной насос.

При вертикальном расположении резервуара насос расположен снаружи резервуара и представляет собой центробежный консольный или линейный электронасос.

Изобретение поясняется чертежами, где представлено:

- на фиг. 1 вариант использования устройства в горизонтально расположенном резервуаре (емкости);

- на фиг. 2 вариант использования устройства в вертикально расположенном резервуаре (емкости);

- на фиг. 3 - струйный аппарат.

Позициями на чертежах обозначено:

1 насосный агрегат;

2 линия всасывания насосного агрегата;

3 линия напорная насосного агрегата;

4 возвратный трубопровод;

5 жидкостный фильтр;

6 линия напорная струйного аппарата;

7 струйный аппарат;

8 резервуар (емкость);

9 сужающий элемент;

10 конфузор;

11 камера смешения;

12 индукционный нейтрализатор статического электричества;

13 металлическая связь выравнивания потенциалов (заземление)

14 контур заземления емкости.

Струйное перемешивающее устройство для жидких загрязненных диэлектрических (электризующихся) сред содержит (см. фиг 1 и 2) насосный агрегат 1, линия всасывания 2 которого расположена как можно ближе к дну резервуара (емкости) 8, а напорная линия 3 насосного агрегата соединена посредством возвратного трубопровода 4 с жидкостным фильтром 5, расположенным за пределами емкости 8 и соединенный своим выходом, по крайней мере, с одной напорной линией 6 струйного аппарата 7. Напорная линия 6 соединена, по крайней мере, с одним сужающим устройством 9 струйного аппарата 7 (см. Фиг. 3), расположенного у дна емкости 8 и включающего в себя конфузор 10, соединенный с камерой смешения 11, с встроенным индукционным нейтрализаторм статического электричества 12 и соединенным посредством металлических связей выравнивания потенциалов 13 с контуром заземления емкости 14.

В случае применения устройства в горизонтальной емкости подземной, или надземной (см. Фиг. 1) насосный агрегат 1 расположен внутри емкости 8 и представляет собой погружной электронасос или полупогружной электронасос поверх емкости 8 с насосной частью внутри емкости 8.

В случае применения устройства в вертикальной емкости, или резервуаре (см. Фиг. 2) насосный агрегат 1 расположен за пределами емкости 8 и представляет собой например, центробежный консольный электронасос, или центробежный линейный электронасос.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Имеется емкость 8, заполненная загрязненной электризующейся жидкой средой до уровня выше минимально необходимого для работы насоса 1. В жидкую среду полностью погружен струйный аппарат 9.

При включении насосного агрегата 1 рабочая среда с взвешенными в ней твердыми частицами объемом Q1 увлекается в линию всасывания 2 насосного агрегата и приобретает заданный напор, достаточный для преодоления гидравлического сопротивления напорной линии 3 насосного агрегата, возвратного трубопровода 4, жидкостного фильтра 5, где происходит захват и удержание твердых частиц загрязнений.

Через напорную линию 6 струйного аппарата 7 среда возвращается в емкость через сужающее устройство 9 со скоростью V1 и напором Н1 таким, что поток Q1, так называемый рабочий, имеет высокую кинетическую энергию на срезе сужающего устройства 9 и попадая в камеру смешения 11 передает кинетическую энергию и импульс, так называемому инжектируемому потоку Q2, который увлекает собой поток через конфузор 10 в камеру смешения11.

В камере смешения 11 потоки Q1 и Q2 перемешиваются, их скорости и напоры выравниваются. При этом, процессы повышения напора и скорости потока Q1 насосом, его фильтрации, ускорения в сужающем устройстве и перемешивании с потоком Q2 приводят к образованию объемных статических зарядов в смешанном потоке Q1+Q2.

На выходе из камеры смешения 11 установлен индукционный нейтрализатор статического электричества 12 такой конструкции, что его гидравлическое сопротивление низкое для значительного увеличения скорости смешанного потока, а протяженность достаточная, чтобы его разрядные металлические струны или пластины, соединенные с металлическим корпусом камеры смешения, улавливали заряды (ионы), распределенные в смешанном потоке, которые, в свою очередь, стекают посредством металлических связей выравнивания потенциалов, на контур заземления 14 емкости.

Параметры насоса, геометрию сужающего устройства, конфузора и камеры смешения подбирают таким образом, чтобы смешанный поток Q3, лишенный приобретенного заряда, имел кинетическую энергию достаточную, чтобы производить подъем твёрдых частиц со дна емкости, перемешивание рабочей среды для устранения эффекта седиментации взвеси твердых частиц и скорость V3, безопасную для образования новых зарядов.

Таким образом, в течении конечного времени рабочая среда будет безопасно очищена от загрязнений переносом и удержанием твердых частиц в жидкостном фильтре и может быть выключена.

Для заданной рабочей среды (диэлектрической жидкости) и известных параметров загрязнений (твердых частиц) оценивается гидравлическая крупность частиц, т.е. скорость ее равномерного падения в спокойной воде, например, по формуле (1)

(1),

где U- гидравлическая крупность частицы (м/с); - плотность частицы (кг/м3); - плотность жидкости (кг/м3); d- диаметр частицы (м/с); g- ускорение свободного падения ( g = 9,80665 м/с² ).

Формула (1) применима для турбулентного режима осаждения, при котором сопротивление, оказываемое жидкостью, не зависит от ее вязкости, а определяется квадратом скорости падения частицы (квадратичная область), что характерно для крупных частиц . Для оценки гидравлической крупности частиц меньшего размера, для которых характерны переходной и ламинарный режимы осаждения следует использовать другие формулы, или таблицы экспериментальных данных из теории транспорта наносов (см., например, Караушев А.В.Теория и методы расчета речных наносов. Л.: ГидрометеоиздатЮ 1977. - 271 с.).

Для предотвращения образования отложений твердых частиц на дне известного резервуара необходимо обеспечить движение рабочей среды (гидравлических потоков жидкости) со скоростью, не ниже найденной оценочной гидравлической крупности частиц во всем объеме рабочей среды резервуара. Поскольку оценку выполнения данного условия для каждого заданного сочетания условий, таких как: конфигурации резервуара, уровня рабочей среды, места расположения и ориентации струйного аппарата, его производительности и напора, не представляется возможным оценить аналитическим способом, рекомендуется использовать программно-расчетные комплексы для определения требуемой производительности Q3 и давления P3 струйного аппарата. При этом, для малых объемных концентраций загрязнений в жидкости, порядка 1-2 %, целесообразно, для сокращения расчетного времени, упрощать расчеты, не учитывая в двухфазной рабочей среде твердую фазу, т.е. сами твердые частицы (см., например, https://www.stadyo.ru/about/customers/customerslist/114/2840/ Работа Белостоцкого А.М. «Численное моделирование гидравлических потоков для аккумулирующего резервуара-отстойника с применением программного комплекса ANSYS»).

Для найденной производительности (объемного расхода) струйного аппарата Q3 находят диаметр выходного сечения камеры смешения F3 по формуле (2), принимая во внимание максимальную допустимую скорость истечения для затопленной струи (струйный аппарат должен при работе находиться ниже минимального рабочего уровня) для данной электризующейся жидкости Vмакс.

(2)

Жидкости с удельным объемным электрическим сопротивлением менее 10⁵ Ом*м практически не электризуются, и их транспортировка со скоростями до 10 м/с заведомо безопасна.

Электризация, способная привести к возникновению искровых разрядов, для жидкостей с удельным объемным электрическим сопротивлением до 10⁹ Ом*м исключена при транспортировке их по трубопроводам со скоростями до 5 м/с.

Для жидкостей, имеющих удельное объемное электрическое сопротивление более 10⁹ Ом*м, максимальные безопасные скорости транспортировки по трубопроводам и допустимые скорости истечения в аппараты и резервуары различных форм и размеров из различных загрузочных патрубков могут быть определены с помощью Руководящего технического материала РТМ 6-28-007-78 (см., например, https://files.stroyinf.ru/Data1/9/9191). При этом ограничение скорости транспортировки максимальным безопасным значением исключает возникновение опасных разрядов в любом заполняемом аппарате (резервуаре) при любом способе подачи жидкости, исключающем разбрызгивание. Ограничение значения скорости потока в трубопроводе допустимой скоростью истечения исключает опасные разряды только при данном способе подачи жидкости в аппарат (резервуар) данных форм и размеров. (см., например, РТМ 6-28-007-78 Допустимые скорости движения жидкостей по трубопроводам и истечения в емкости (аппараты, резервуары); Правила защиты от статического электричества в производствах химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности).

По определенным значениям Q3, P3, F3 и желаемому типу струйного аппарата (с диффузором, без диффузора, допустимой длины камеры смешения, допустимых гидравлических потерь и т.д ) производят расчет его геометрических размеров по известным методикам (см., например, Соколов Е.Я., Зингер Н.М. «Струйные аппараты». - 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 352 с.; Лямаев Б.Ф. «Гидроструйные насосы и установки». - Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1988. - 256 с. ). При этом, необходимо дополнительно учесть гидравлическое сопротивление индукционного нейтрализатора статического электричества, который отводит накопленный объемный заряд смешанного потока. Конструкция индукционного нейтрализатора статического электричества, встроенного в струйный аппарат, может быть различной: струнной, пластинчатой, или игольчатой. (см., например, авторское свидетельство СССР №1736015, патент РФ № 2490835).

Предельно допустимое значение плотности заряда на выходе из струйного аппарата определяется как плотность заряда в объеме жидкости, при которой вероятность возникновения разряда с энергией, равной 0,25 минимальной энергии зажигания смеси паров этой жидкости с воздухом, не превосходит 10^-3 и рассчитывается по РТМ 6-28-007-78.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет перемешивать жидкие загрязненные электризующиеся (диэлектрические) среды, уменьшая при этом взрывопожаробезопасноть, с одновременной возможностью устранения препятствий образованию отложений на дне вертикальных и горизонтальных резервуаров и емкостей, обеспечивая очистку от твердых частиц без специального опорожнения.

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей промышленности и может быть использовано на объектах добычи, хранения и переработки жидких углеводорода для перемешивания жидких загрязненных электризующихся (диэлектрических) сред с одновременной возможностью устранения препятствий образованию отложений на дне вертикальных и горизонтальных резервуаров и емкостей. Перемешивающее устройство содержит насос, подключенный к напорной линии и к расположенной у дна резервуара всасывающей линии, струйный аппарат, расположенный в нижней части резервуара и имеющий сужающий элемент, соединенный с напорной линией струйного аппарата, конфузор, соединенный с камерой смешения, согласно изобретению устройство дополнительно содержит фильтр, расположенный снаружи резервуара и соединенный с одной стороны с насосом с помощью возвратного трубопровода, соединенного с напорной линией насоса, а с другой стороны - с напорной линией струйного аппарата, дополнительно содержащего индукционный нейтрализатор статического электричества, соединенный с одной стороны с камерой смешения, а с другой стороны - с контуром заземления резервуара посредством металлической связи выравнивания потенциалов. При горизонтальном расположении резервуара насос расположен внутри резервуара около его дна и представляет собой погружной или полупогружной насос. При вертикальном расположении резервуара насос расположен снаружи резервуара и представляет собой центробежный консольный или линейный электронасос. Техническим результатом изобретения является снижение взрывопожароопасности в резервуарах с загрязненными электризующимися средами при осуществлении очистки резервуара от твердых частиц без опорожнения резервуара. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Струйное перемешивающее устройство, содержащее насос, подключенный к напорной линии и к расположенной у дна резервуара всасывающей линии, струйный аппарат, расположенный в нижней части резервуара и имеющий сужающий элемент, соединенный с напорной линией струйного аппарата, конфузор, соединенный с камерой смешения, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит фильтр, расположенный снаружи резервуара и соединённый с одной стороны с насосом с помощью возвратного трубопровода, соединенного с напорной линией насоса, а с другой стороны - с напорной линией струйного аппарата, дополнительно содержащего индукционный нейтрализатор статического электричества, соединенный с одной стороны с камерой смешения, а с другой стороны - с контуром заземления резервуара посредством металлической связи выравнивания потенциалов.

2. Струйное перемешивающее устройство по п.1, отличающееся тем, что при горизонтальном расположении резервуара насос расположен внутри резервуара около его дна и представляет собой погружной или полупогружной насос.

3. Струйное перемешивающее устройство по п.1, отличающееся тем, что при вертикальном расположении резервуара насос расположен снаружи резервуара и представляет собой центробежный консольный или линейный электронасос.