Нефтепродуктов

4.2.1. Транспортная характеристика нефтепродуктов. Нефтепродукты обладают большим количеством специфических свойств, существенно влияющих на все этапы перевозочного процесса и конструкцию подвижного состава. К таким свойствам относятся; плотность, вязкость, температурные характеристики, испаряемость, упругость насыщенных паров, электризация, коррозионность, токсичность и другие свойства,

Плотность нефтепродуктов зависит от содержания легких (светлых) фракций, изменяется в пределах от 650 до 1060 кг/м^з и является качественной и количественной характеристикой продуктов переработки нефти. Плотность влияет на использование цистерн по грузоподъемности, на скорость истечения при выполнении операций по наливу и сливу, возможность разогрева вязких нефтепродуктов открытым паром, на продолжительность обезвоживания (отстоя) нефтепродуктов после разогрева и другие процессы связанные с перевозкой и подготовкой подвижного состава к перевозке.

Плотность нефтепродуктов в значительной степени меняется при изменении температуры окружающей среды, поэтому в перевозочных документах указывается плотность определенная при температуре 20^оС (паспортная характеристика). Зависимость плотности от температуры (температурное расширение) приводит к изменению объема груза в цистерне. Поэтому для исключения потерь (от выплесков) в пути следования и оптимального использования грузоподъемности цистерн установлены следующие нормы заполнения объема: в теплый период – 98% от полезного объема цистерны, в холодный период – 99%.

Массу нефтепродуктов в цистерне определяет грузовладелец взвешиванием на вагонных весах, а при их отсутствии можно определить массу расчетным путем, на основе замера высоты груза в цистерне по формуле:

 

,

 

где - масса груза в цистерне, кг;

- объем груза в цистерне, дм^з, который определяется по Таблицам калибровки [15] в зависимости от высоты налива, измеренной метрштоком, и калибровочного типа цистерны, согласно ее трафарету:

- плотность нефтепродукта при температуре 20⁰ С, г/дм³;

- фактическая температура груза, определенная одновременно с замером высоты налива, ^оС:

- температурная поправка плотности на 1^оС, г/дм^з, которая приводится в [15] в зависимости от стандартной плотности при температуре 20^оС.

 

Пример. Калибровочный тип цистерны 72. Высота налива, определенная метрштоком, 274, 6 см. Установить объем жидкости в цистерне.

Решение. Округляя до целого сантиметра, получим высоту налива 275 см. По Таблицам калибровки для цистерны типа 72 этой высоте соответствует объем равный 69191 дм^з.

Масса нефтепродукта в определенном выше объеме (69191 дм^з) может быть рассчитана:

1.На основе фактической плотности ρ _ф, измеренной денсиметром одновременно с определением высоты налива. Если ρ _ф =0, 7590 г/дм^з, то масса , нефтепродукта составит

 

=69191× 0, 7590=52516 кг.

 

2. На основе фактической температуры груза, определенной в момент замера высоты налива. Если t_ф =31^оС, паспортная плотность = 0, 7680 г/дм^з, а температурная поправка =0, 000818 г/дм³ ·⁰С (в соответствии с Таблицами калибровки и паспортной плотностью), то масса груза составит

 

Q = 69191·[0, 7680 - (31 - 20)·0, 000818] = 52516 кг.

 

Вязкость определяет текучесть нефтепродуктов и оказывает существенное влияние на условия выполнения операций по сливу и наливу из железнодорожных цистерн. Различают динамическую, кинематическую и условную вязкость, каждая из которых имеет свои сферы применения. При определении времени на слив и налив нефтепродуктов пользуются понятием – условной вязкости, которая определяется в условных единицах – градусах Энглера (условной вязкости ^оВУ). Эта величина показывает отношение времени истечения нефтепродукта в объеме 200 см^з при температуре 50^оС ко времени истечения дисциллированной воды того же объема при температуре 20^оС. По условной вязкости нефтепродукты делятся на 4 группы; в холодное время года продолжительность слива каждой из последующих групп в сравнении с предыдущей увеличивается на два часа, при норме для первой группы – слабовязких – четыре часа [13].

Температурные характеристики включают следующие показатели:

температура плавления (застывания) для нефтепродуктов изменяется от –80^оС (для некоторых бензинов) до +150^оС (для битумов и пека); характеризует температурные пределы применения топлива без предварительного подогрева, которые должны быть выше температуры плавления на 10^оС;

температура вспышки зависит от химического состава нефтепродуктов и характеризует его пожарную опасность; по температуре вспышки нефтепродукты делятся на две группы: легковоспламеняющиеся (до 45^оС) и горючие (более 45^оС); температура вспышки определяет предельно допустимую температуру разогрева нефтепродуктов перед производством операций по сливу и наливу, которая должна быть не менее чем на 10^оС ниже температуры вспышки;

пределы взрываемости определяют минимальное (нижний предел) и максимальное (верхний предел) содержание паров нефтепродуктов в воздухе, способных взорваться при воздействии открытого огня; зона взрываемости лежит в пределах 1-10%; пределы взрываемости могут определяться также температурой, при которой произойдет взрыв, при этом нижний предел взрываемости соответствует температуре вспышки.

Испаряемость – способность жидкости переходить в газообразное состояние; наибольшая испаряемость характерна для бензинов. Это свойство определяет размеры потерь при хранении, транспортировке, при наливе и сливе. При этом теряется количество и качество нефтепродуктов.

Упругость насыщенных паров – особо важное свойство, которое необходимо учитывать при перекачке нефтепродуктов насосами и при самотечном сливе (на сифонных участках). При высокой упругости паров происходит выкипание жидкости, образующиеся при этом газовые пробки нарушают непрерывность потока (разрыв струи) и препятствует сливу.

Электролизация – способность нефти и нефтепродуктов, являющихся диэлектриками, накапливать электрические заряды. Наиболее часто такое явление наблюдается при движении нефтепродуктов по трубопроводам, резиновым наливным шлангам, а также при трении капель или струи нефтепродуктов о воздух. Заряды статического электричества выносятся вместе с нефтепродуктами в цистерну и там накапливаются; появляется возможность искрового разряда. Для предупреждения возможных взрывов и пожаров необходимо обязательное заземление наливной эстакады.

Коррозионность – способность оказывать разрушающее действие на металлы, обуславливается наличием в нефти и нефтепродуктах сернистых соединений, водорастворимых минеральных кислот, щелочей, воды и других агрессивных веществ.

Токсичность характеризуется вредным воздействием нефтепродуктов на организм человека, приводит к необходимости ограничения допустимого содержания паров в воздухе рабочей зоны. Превышение нормативной концентрации может привести к острым и хроническим отравлениям.

 

4.2.2. Расчет оптимальной температуры налива светлых нефтепродуктов. Для обеспечения рационального использования грузоподъемности и вместимости цистерны при перевозке ряда светлых нефтепродуктов и особенно автомобильных бензинов и авиационных керосинов, а также для предотвращения аварийных ситуаций необходимо правильно выбирать оптимальную температуру налива.

При расчете оптимальной температуры налива необходимо учитывать:

- свойства нефтепродуктов (плотность, температурное расширение, испарение, взрывоопасность);

- температуру воздуха в пункте налива, в пути следования и в пункте слива;

- характеристику цистерны (наличие предохранительного клапана и удельной объем котла, м³/т, (особенно если он больше единицы)).

Температура груза в момент налива в цистерну в пункте отправления достаточно часто превышает 70-90⁰ С (максимально допустимая 100⁰ С), что часто связано с коротким периодом хранения нефтепродуктов после завершения технологических процессов производства.

В процессе перевозки температура груза в цистерне изменяется в зависимости от температуры окружающего воздуха и ее суточных колебаний, а также под воздействием таких климатических факторов как солнечная радиация, сильный ветер, атмосферные осадки. При этом необходимо отметить, что верхняя зона нефтепродуктов в цистерне (около 10% общего объема) нагревается выше максимальной температуры окружающего воздуха на 8-10⁰ С вследствие солнечной радиации. Нижняя зона (20% от объема) подвержена менее сильным температурным колебаниям, так как на нее оказывает воздействие только наружный воздух. В центральной части (70% от объема) температура меняется незначительно и может быть принята в качестве температурного режима всей массы груза.

Максимальную температуру центральной части нефтепродукта определяют по эмпирической формуле

 

 

где - максимальная температура окружающего воздуха, ⁰С;

0, 87 – коэффициент, учитывающий климатические условия и дальность перевозки.

Массу груза, налитого в цистерну при начальной температуре и при максимальной температуре в пути следования можно определить по формуле

 

,

 

где - максимально допустимый объем груза в цистерне, зависит от типа цистерны и свойств груза, м³;

- плотность нефтепродукта при температуре 20⁰ С, т/м³;

- соответственно температура налива груза, предложенная отправителем и максимальная температура в пути следования, ⁰С;

- температурная поправка плотности, т/(м³ · ⁰С).

 

Экономия погрузочных ресурсов за месяц в результате уменьшения температуры налива груза в пункте отправления составит:

 

,

 

где - объем отправления груза за месяц, т.

Экономия эксплуатационных расходов железной дороги на перевозку при повышении статической нагрузки цистерны

 

,

 

где - дальность перевозки, км;

- коэффициент порожнего пробега цистерны. = 0, 4;

- средняя продолжительность простоя цистерны на станции налива или слива, ч; = 25 ч;

, - условно сопоставимая стоимость одного вагонно-километра и одного вагонно-часа простоя в части зависящей от размера движения,

= 1 руб/в-км, = 10 руб/в-ч.

 

На основании приведенной выше методики необходимо рассчитать технические и экономические показатели перевозки нефтепродуктов с оптимальной температурой. Исходные данные принимаются по табл. 4.2 в соответствии с номером варианта, заданным преподавателем и состоящим из двух цифр, первая из которых относится к характеристике груза, а вторая к характеристике условий налива и перевозки.

 

Таблица 4.2

Исходные данные к расчету температуры налива

Показатели	Номер варианта
Характеристика груза
Объем отправления, , тыс. т/мес. Плотность нефтепродукта, , т/м3 Температурная поправка, · 10-4, т/(м3 · 0С)	50, 1     0, 69     9, 10	48, 4     0, 75     8, 31	63, 1     0, 80     7, 52	65, 2     0, 77     7, 92	55, 4     0, 81     7, 25	66, 7     0, 71     8, 28
Характеристика условий налива и перевозки
Температура налива при отправлении, tОТ, 0С Максимальная температура воздуха в пути следования, tВМАХ, 0С Максимальный объем цистерны, VМАХ, м3 Расстояние перевозки Lпер, км	40, 5	49, 6	50, 2	50, 3	48, 8	50, 2

 

4.2.3. Расчет потерь светлых нефтепродуктов от испарения при наливе. Налив цистерн может производиться следующими способами: открытой струей (патрубок опущен на некоторую часть диаметра котла цистерны), закрытой струей (конец патрубка находится на расстоянии 0, 1 м от нижней образующей котла).

Для выбора экономически целесообразного способа налива необходимо произвести расчет потерь нефтепродуктов от испарения. Исходные данные к расчету приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Исходные данные к расчету потерь от испарения

Показатели	Номер варианта
Характеристика груза
Паспортное давление насы-щенных паров Р38·103, Па Молекулярная масса, М, кг/моль	62, 7	58, 1	49, 0	58, 8	68, 6	78, 4
Условия налива
Температура налива tн, 0С Время налива , ч Атмосферное давление РГ·103, Па Диаметр цистерны Dц, м Объем груза в цистерне Vц, м3	0, 5   101, 3   2, 6   49, 5	0, 6   101, 3   2, 8   59, 0	0, 7   100, 7   2, 2   80, 8	0, 55   101, 4   2, 8   60, 4	0, 48   101, 6   2, 6   49, 7	0, 4   101, 4   2, 2   48, 3

 

Потери от испарения в процессе налива рассчитываются по формуле [18]:

,

где V_Ц – объем налитого продукта, м³;

- давление насыщенных паров нефтепродукта, зависящее от температуры, Па;

- давление в газовом пространстве (атмосферное давление), Па;

- плотность паров нефтепродукта, кг/м³;

К – коэффициент, учитывающий условия налива цистерны.

Коэффициент, учитывающий условия налива, определяется при наливе:

открытой струей ;

закрытой струей ,

где , - время налива, ч, диаметр котла цистерны, м.

Давление насыщенных паров нефтепродуктов при температуре налива t_Н и паспортном давлении насыщенных паров Р₃₈ (при t = 38⁰ C) рассчитывается из выражения

 

.

 

Плотность паров нефтепродуктов составляет

 

,

 

где М – молекулярная масса нефтепродуктов, кг/моль;

- универсальная газовая постоянная, = 8314 Дж/(кмоль·К);

Т_Г – абсолютная температура газового пространства, К.

Далее определяются потери при наливе открытой и закрытой струей и делаются выводы.

 

4.2.4..Способы и средства подогрева и слива вязких нефтепродуктов. Наиболее часто для подогрева вязких нефтепродуктов перед сливом из железнодорожных цистерн используются следующие способы: подогрев переносными паровыми трубчатыми подогревателями, подогрев открытым острым паром и циркуляционный подогрев одноименными горячими нефтепродуктами [17]. Другие существующие способы и средства подогрева (вибрационный, электроиндуктивный, с помощью тепловых излучателей) имеют сложную конструкцию, большой расход энергии и высокую стоимость, что делает их неконкурентоспособными.

Переносные трубчатые паровые подогреватели могут быть змеевиковые и гидромеханические, они предназначены для подогрева всей массы нефтепродуктов в цистерне перед сливом.

Змеевиковый трубчатый паровой подогреватель состоит из трех секций, соединенных между собой отрезками гибкого прорезиненного шланга. Центральная секция – прямой вертикальный змеевик, две боковые секции спиральные змеевики с изгибом оси спирали под углом 40^о к горизонту. Эти подогреватели имеют большой вес (≈ 150 кг), что обуславливает необходимость установки на сливо-наливной эстакаде специальных средств механизации (кран-укосина с лебедкой) для опускания подогревателя в цистерну и его извлечения после разогрева и слива продукта. Поверхность змеевиков (≈ 11, 8 м²) и низкий коэффициент теплопередачи требует значительного времени на разогрев, большого расхода тепловой энергии, но не обеспечивает требуемой полноты слива.

После слива необходима промывка цистерны, особенно в случае использования этой цистерны под налив другого вида груза (после мазута – бензин).

Более совершенным типом трубчатого парового подогревателя является паровой гидромеханический подогреватель с четырьмя шнековыми насосами (П ГМП-4), предназначенный для подогрева вязких нефтепродуктов при сливе из железнодорожных цистерн на пунктах имеющих расход пара 500 кг/ч и более. Такой подогреватель работает на принципе принудительной конвекции подогреваемых нефтепродуктов и позволяет производить слив основной массы жидкости одновременно с подогревом, что сокращает затраты энергии и время простоя цистерны под сливом по сравнению со змеевиковыми в 2-3 раза. однако погружение установки П ГМП-4 в цистерну является трудоемкой операцией. Существуют и другие модели гидромеханических подогревателей.

Подогрев острым паром с последующей пропаркой цистерны после слива состоит в следующем: пар в цистерну подается через гибкие шланги, перфорированные трубы (прогревы), инжекторы и другие устройства, которые вводятся в цистерну через верхнюю горловину и располагают их преимущественно в центральной части котла, вблизи от сливного отверстия. Подогретый продукт, перемешанный с паром сливается, часть пара выходит на поверхность жидкости, обогревает верхнюю часть котла и уходит в атмосферу. Одновременно происходит пропарка освободившейся части котла. В процессе подогрева нефтепродукта происходит его частичное обводнение (1, 5-2, 0%), которое требует отстаивания подогретой смеси и слив подтоварной воды.

Сущность циркулярного подогрева вязких нефтепродуктов заключается в том, что часть продукта из цистерны попадает (сливается) в теплообменник, подогревается и через специальные сопловые устройства закачивается снова в цистерну, интенсивно перемешивается с жидкостью отдавая ей тепло. Существуют различные модификации и устройства для циркулярного подогрева.

 

4.2.5. Расчет количества пара для разогрева вязких нефтепродуктов. Продолжительность слива нефтепродуктов из цистерны зависит от многих факторов и в первую очередь от вязкости сливаемого продукта и его температуры. При нагреве нефтепродуктов их вязкость понижается, что обеспечивает значительное уменьшение продолжительности слива и минимальные остатки груза в цистерне. Количество пара потребное для разогрева до необходимой температуры и слива груза в заданный период времени зависит от свойств груза, содержания парафина, условий разогрева и температуры окружающей среды, от способности цистерны сохранять полученное тепло. Исходные данные к расчету см. табл. 4.4.

Общее количество тепла (Q_Т, кДж) для разогрева нефтепродуктов в одной цистерне определяется из выражения

 

,

 

где - количество тепла, полезно затрачиваемое на разогрев 1 кг нефтепродукта, кДж/кг;

Q – масса груза в цистерне, кг;

- количество тепла, теряемое при разогреве через поверхность котла, кДж/ч;

- продолжительность разогрева, ч.

Количество тепла, полезно затрачиваемого на разогрев 1 кг нефтепродуктов зависит от температуры груза до (t_Н) и после (t_К) разогрева и от содержания парафина в грузе (кДж/кг)

 

,

 

где - теплоемкость нефтепродукта, = 2, 1 кДж/(кг·⁰С);

- содержание парафина в нефтепродукте, %;

- теплота плавления парафина, = 210 кДж/кг.

Потери тепла при разогреве определяются площадью поверхности цистерны, температурой окружающего воздуха и коэффициентом теплопередачи (кДж/ч)

 

,

 

где - охлаждающая поверхность цистерны, м²;

- коэффициент теплопередачи от нефтепродуктов через стенки цистерны в окружающий воздух, Вт/(м²·⁰С);

- соответственно средняя температура нефтепродукта в течение всего процесса подогрева и температура окружающего воздуха, ⁰С.

При расчетах принимаем .

Для подогрева высоковязких и застывших нефтепродуктов используют различные теплоносители: водяной пар, горячие нефтепродукты и электроэнергию. Водяной пар является наиболее удобным и распространенным теплоносителем, т.к.обладает большим теплосодержанием, высоким коэффициентом теплопередачи, обеспечивая необходимую пожаробезопасность.

Расход перегретого пара с температурой 240⁰С при теплосодержании пара 2850 кДж/кг и конденсата 940 кДж/кг (при разогреве) составит:

при разогреве открытым паром

,

при разогреве с переносными змеевиками

,

где J – теплосодержание пара,

i – теплосодержание конденсата.

Таблица 4.4

Исходные данные к расчету количества пара

 

Показатели	Номер варианта
Характеристики груза
Масса груза Q·103, кг Содержание парафина, а, % Температура груза, tН, 0С Температура груза после разогрева tК, 0С	49, 3 3, 0	56, 7 3, 2	51, 8 4, 0 -5	60, 1 4, 5 -7	45, 3 5, 0	51, 5 5, 4 -9
Условия разогрева
Поверхность котла цистерны , м2 Коэффициент теплопередачи стенок цистерны , Вт/(м2·0С) Температура наружного воздуха , 0С Время разогрева , ч	8, 14   -3	8, 14	8, 14   -10	8, 14   -12	8, 14	8, 14   -15

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Какие грузы называются наливными и на какие основные группы они делятся?
2. По какому признаку происходит деление нефтепродуктов на светлые и темные?
3. Назовите основные группы химических наливных грузов.
4. Каким документом регламентируются правила перевозок опасных грузов?
5. В каком физическом состоянии могут перевозиться грузы, относящиеся к группе «газы»?
6. Какими специфическими свойствами характеризуются грузы, относящиеся к группе «растительные масла»?
7. Какие основные свойства характеризуют нефтепродукты и влияют на сохранность груза, вагона и окружающую среду?
8. Как может быть определена масса нефтепродуктов в цистерне?
9. Какие характеристики нефтепродуктов относятся к температурным и как они влияют на условия использования нефтепродуктов в производственных процессах?
10. Какое свойство светлых нефтепродуктов значительно влияет на количественные и качественные потери этого груза при транспортировании и хранении?
11. От каких факторов зависит оптимальная температура налива нефтепродуктов в цистерну?
12. Назовите основные конструкционные особенности специальных цистерн для перевозки отдельных видов наливных грузов?
13. Что такое теневая защита и для перевозки каких грузов она необходима?
14. Назовите основные способы налива и слива нефтепродуктов, а также условия их использования.
15. Какие способы подогрева вязких и застывающих грузов могут быть использованы для сокращения продолжительности их слива из цистерны?
16. От каких факторов зависит расход пара для разогрева вязких нефтепродуктов?

Список литературы

 

1. Сборник правил перевозок грузов на железнодорожном транспорте. Кн.1. М.: Юридическая фирма «Контракт», 2001. 599 с.

2. Прейскурант №10-01

3. Технические условия погрузки и крепления грузов. М.: Транспорт, 1989. 408 с.

4. Грузовые вагоны железных дорог колеи 1520 мм. Альбом-справочник/МПС РФ, ПКБЦВ. 1998. 238 с.

5. Пашков А.К., Полярин Ю.Н. Пакетирование и перевозка тарно-штучных грузов. М.: Транспорт, 2000. 256 с.

6. Корначев А.И. Использование аппроксимации экспериментальных динамических характеристик амортизационных материалов для расчета прокладок || Экономические и научно-технические проблемы производства и использования тары: сб. науч. тр./НИИМС. 1981. Вып. XVIII. С.97-105

7. Данилевский В.А. Картонная и бумажная тара. М.: Лесная промышленность, 1979. 215 с.

8. Павлов А.Н., Цыганова В.Н. Упаковка, транспортирование, хранение машин и оборудования. М.: Машиностроение, 1984. 151 с.

9. Инструкция по перевозке негабаритных и тяжеловесных грузов на железных дорогах государств-участников СНГ, Латвийской республики, Литовской республики, Эстонской республики. М.: Желдоркнига, 2001. 192 с.

10. Лепнев М.К., Северинова Э.П. Грузы и мороз. М.: Транспорт, 1988. 144 с.

11. Перевозка смерзающихся грузов. Справочник / Под ред. Ю.А. Носкова. М.: Транспорт. 1988. 206 с.

12. Грузоведение, сохранность и крепление грузов. / Под ред. А.А. Смехова. М.: Транспорт. 1989. 247 с.

13. Правила перевозок грузов. Часть 2. М.: Транспорт. 1976. 192 с.

14. Правила перевозок опасных грузов по железным дорогам. М.: Транспорт, 1996. 254с.

15. Таблицы калибровки железнодорожных цистерн. М.: Транспорт – Трансинфо, 1997, 112 с.

16. Цистерны: Устройство. Эксплуатация. Ремонт. Справочное пособие. М.: Транспорт. 1990. 152 с.

17. Способы и средства налива (слива) нефтепродуктов в железнодорожные и автомобильные цистерны (Серия транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья) М.: 1985. 69 с.

18. Борьба с потерями нефти нефтепродуктов при их транспортировке и хранении / Ф.Ф. Арбузова, Н.С. Бронштейн, В.Ф. Новосёлов и др. М.: Недра, 1981. 248 с