ИЗМЕНЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ НЕФТИ ЗА СЧЕТ РЕЦИРКУЛЯЦИЯ ЧАСТИ ПОТОКА В ТЕПЛООБМЕННИКАХ

АННОТАЦИЯ

В статье определено влияние вязкости нефти на потерю трения при тепловой обработке нефти в экспериментальном двух трубчатом теплообменнике с рециркуляции потока. В процессе рециркуляции горячего части потока возвращаются через байпасную линию и смещаются в первичном потоке, направляясь в теплообменник. При первом цикле рециркуляции, объём потока повышается в зависимости от процента повторного использования. После первого цикла объем потока возвращается к первоначальной величине. При этом расход нефти, поступающей в теплообменник, остается неизменным, но заметно изменяется начальная температура сырья. В результате определен характер изменения коэффициента трения при рециркуляции потока в пределах 0 ÷ 30 %. С повышением рециркуляции горячего потока на первоначальный этап коэффициент трения снижается на 68 %. Это позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление нефтяного потока в трубе теплообменника при трении.

ABSTRACT

This study examines the effect of oil viscosity on friction losses during thermal treatment in an experimental two-tube heat exchanger with flow recirculation. During recirculation, a portion of the heated flow returns through a bypass line, mixes with the primary flow, and is directed back into the heat exchanger. In the first recirculation cycle, the flow volume increases depending on the recirculation percentage. After the first cycle, the flow volume returns to its initial value. At the same time, the amount of oil entering the heat exchanger remains constant, while the initial feed temperature changes significantly. The nature of the friction coefficient variation during flow recirculation within the range of 0–30% was determined. An increase in hot flow recirculation at the initial stage reduces the friction coefficient by 68%, thereby decreasing the hydraulic resistance of the oil flow in the heat exchanger tube due to friction.

Ключевые слова: изменение, коэффициент трения нефти, рециркуляция части потока, теплообменник.

Keywords: change, oil friction coefficient, recirculation of part of the flow, heat exchanger.

Введение

На предприятиях нефтегазопереработки широко используют процессы перемещения жидкостей, газов и паров по технологическим аппаратам и внутризаводским трубопроводам. В силу этого, значение гидравлики для решения широкого круга инженерных задач весьма велико. В зависимости от характера рассматриваемой задачи различают гидростатику и гидродинамику [6].

Наиболее распространённым способом транспортировки текучих сред в производстве является трубопроводный метод. Он также широко используется для перемещения жидкостей и газов на большие расстояния, например, для транспортировки нефти и нефтепродуктов по трубопроводам. На нефтеперерабатывающих заводах для этих процессов применяются магистральные трубопроводы и трубчатые теплообменники, которые являются частью нефтеперегонных установок.

Расчёт гидравлического сопротивления при движении жидкостей по трубопроводам является одной из ключевых задач гидродинамики. При движении реальной жидкости по трубе или каналу происходит потеря напора, которая складывается из сопротивления трения о стенки и местных сопротивлений, возникающих при изменении направления или скорости потока.

Коэффициент трения (λ) является безразмерной величиной и зависит от режима движения жидкости, а также от шероховатости стенок трубопровода. [7].

Механизм внутреннего трения основан на том, что движущиеся молекулы передают импульс между слоями, что приводит к выравниванию их скоростей. Этот процесс характеризуется понятием силы трения [4].

Чем выше вязкость жидкости, тем больше сопротивление она создаёт при движении. Это может привести к увеличению затрат энергии на ее проталкивание через трубопроводы и элементы системы.

Кроме того, вязкость сказывается на форме сопротивления, которое возникает из-за перераспределения гидродинамического давления по поверхности тела, вызванного вязкостью жидкости.

Таким образом, вязкость определяет сопротивление движению жидкости в системе.

Материалы и методы исследования

Целью изучения работы является определение влияния вязкости на потери трения при тепловой обработке нефти в экспериментальном двухтрубчатом теплообменнике с рециркуляцией потока, описание и принцип работы которого приведены в работах [2; 3]. Во время опытов объем рециркуляции потоков составил 10÷30 %. При этом, объёмный расход нефти V_н равнялся 2,0·10^-5 м³/с. Значения кинематической вязкости нефти: n₂₀=6,65 мм²/с, а плотность r₂₀=856 кг/м³.

Значение кинематической вязкости исследуемой нефти ν (мм²/с), измеренной нами при помощи вискозиметра ВПЖ-4. Допускаемое расхождение последовательных определений значений кинематической вязкости от его среднего арифметического значения не превышало ±1,2 %.

Для определения плотности углеводородного сырья использовано ареометрический метод (ГОСТ 3900-85). При этом применены ареометры для нефти типа АНТ-1 и АНТ-2, изготовленные в ОАО «Стеклоприбор» Украины по ГОСТ 18481-81.

Схема (движения теплообменивающих потоков показано в стрелках, синий – холодный поток, красный – горячий поток, зелёный – рециркулируемый поток) рециркуляция нагреваемого потока в двухтрубчатом теплообменника приведена в рисунке 1. 

Рисунок 1. Схема рециркуляции

Результаты и обсуждения

В процессе рециркуляции горячая часть потока возвращается через байпасную линию и смешивается с холодным потоком, который направляется в теплообменник. На первом цикле рециркуляции объем потока увеличивается в зависимости от процента рециркуляции. После завершения первого цикла объем возвращается к исходному значению. При этом расход нефти, поступающей в теплообменник, остается постоянным, в то время как начальная температура сырья значительно изменяется.

 В качестве нагревающего агента используется горячий водяной поток с температурой 100 °C.

Экспериментально-расчетные данные по изменению теплофизических показателей нагревающего потока за счет рециркуляционного объема нефти в двухтрубчатом теплообменнике показаны в таблице 1.

Таблица 1.

Влияние рециркуляционного объема потока на теплофизические свойства нефти

Из представленной в таблице 1 информации следует, что в контрольном эксперименте, прошедшем без рециркуляции в устройстве, нефть нагрелась с 20 °C до 73 °C. Средняя температура при этом составила 46,5 °C. В этот момент кинематическая вязкость нефти была n = 4,12 мм²/с, а её плотность r = 840 кг/м³. При рециркуляции 10 % объёма стартовая температура нефти выросла на 7,2 °C, Dt увеличилась на 7,1 °C, n  уменьшилась в 1,38 раз, а r в 1,01раз. С увеличением рециркуляции до 30 % начальная температура потока поднялась на 18,9°C, средняя достигла 75,4°C, кинематическая вязкость при Dt упала с 4,12 до 2,45 мм²/с, а плотность – с 840 до 825 кг/м³. Полученные данные свидетельствуют о том, что с рециркуляцией части нагреваемого потока нефти вплоть до 30 % наблюдаются значительные изменения начальной температуры сырья. Это вызывает снижение кинематической вязкости нефти до 1,68 раз и положительно влияет на снижение коэффициента трения при перемещении нефти в теплообменной трубе.

Основными определяющими факторами для расчета гидравлического сопротивлении при трении является безразмерная величина коэффициент трения λ, и он зависит от режима движения жидкости, а также от шероховатости стенок трубопровода. В случае ламинарного движения по прямой трубе коэффициентом трении определяется по формуле [1]:

                                                                                    (1)

где Rе – число Рейнольдса; А =64 – коэффициент формы поперечного сечения для круглых труб. Данное уравнение хорошо согласуется с опытными данными для установившегося ламинарного движения (Re < 2320). В этих условьях величина λ практически не зависит от шероховатости стенок трубопровода.

При турбулентном движения жидкости в гладких трубах (Re = 4⋅10³÷10⁵) коэффициент трения выражается обобщенной зависимостью [1]:

                                                                                 (2)

Движения нефти по трубе ω_н (м/с) определятся из выражения: ω_н = 4V_н /(πd²_вн), В опытах по выявлению влияния скорости движения среды на формирование режима движения важное значение имеет число Рейнольдса, которое рассчитывается по формуле [5]:

                                                                     (3)

где ρ, μ и ν –  соответственно, плотность, динамический и кинематический коэффициенты вязкости жидкости.

Во время эксперимента, при объемном расходе нефти V_н = 2,0·10^-5 м³/с, скорость потока в трубной части двухтрубного теплообменника составила ω = 0,063 м/с, что свидетельствовало о ламинарном режиме потока.

Зависимости числа Рейнольдса и трения от объёма рециркуляции отображены на рисунках 2÷4.

Рисунок 2. Зависимость Re от объема рециркуляции

На рисунке 2 показано, что увеличение объема рециркуляции горячего потока приводит к повышению начальной температуры сырья. В то же время наблюдается заметный рост числа Рейнольдса с 305 до 514.

Рисунок 3. Зависимость l от объема рециркуляции

Увеличение объема рециркуляции горячего потока (см. рис. 3) способствует постепенному снижению коэффициента трения. При увеличении рециркуляции до 30 % коэффициент трения уменьшается на 68 %.

Рисунок 4. Зависимость коэффициента трении от Re

Анализ значений коэффициента трения, полученных экспериментально и вычисленных по формуле (1) показывает, что при увеличении числа Рейнольдса с 305 до 415 коэффициент трения уменьшается в 1,68 раза.

Заключение

Эксперименты и расчеты выявили закономерность изменения коэффициента трения при рециркуляции нефти в диапазоне от 0 до 30 %. Установлено, что повышение рециркуляции нагреваемого потока на начальном этапе вызывает значительное снижение коэффициента трения, достигающее 68 %. Такое снижение трения, в свою очередь, ведет к уменьшению гидравлических потерь, возникающих при движении нефтяного потока по трубе теплообменника.

Список литературы:

1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов в 2-х кн. – М.: Химия, 1995. – Ч. 1. – Изд. 2-е. – С. 103–106.
2. Исмаилов О.Ю. Определение коэффициента Дарси нефти, газового конденсата и их смесей в горизонтальной трубе // Материалы II междунар. науч.-техн. конф. «Булатовские чтения». 31 марта 2018 г. – Самара. – С. 68–71.
3. Исмаилов О.Ю., Хурмаматов А.М., Худайбердиев А.А. Влияние рециркуляции потока на интенсивность теплообмена в двухтрубчатом аппарате // Научно-технический журнал «Нефтепереработка и нефтехимия». Москва. – 2018. – №5. – С. 39–42.
4. Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа: учеб. пособие для вузов. – 2-е изд. – М.: Химия, – 2001. – 568 с.
5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учеб. пособие для вузов / Под ред. П.Г. Романкова. – 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987. 578 с.
6. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. – М. : Энергоиздат, 1984. – С. 110–176.
7. Salimov Z.S. Neft va gazni qayta ishlash jarayonlari va uskunalari. – T.: «Aloqachi», 2010, – 508 bet.