способ дегазации вертикальных цилиндрических резервуаров перед ремонтными работами

Формула изобретения

Способ дегазации вертикальных цилиндрических резервуаров перед ремонтными работами, включающий их дегазацию путем принудительной вентиляции воздухом горючих газов, отличающийся тем, что подачу воздуха осуществляют с двух противоположных осесимметричных сторон вдоль стенок резервуара потоками/струями в противоположном направлении друг к другу, при этом создавая круговорот воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к очистке (дегазации) резервуаров, преимущественно для хранения жидких и газообразных горючих и легковоспламеняющихся продуктов, например нефти, нефтепродуктов, нефтяных газов, и может быть использовано при подготовке таких резервуаров к ремонту.

Резервуар для хранения нефти и нефтепродуктов является сварным металлическим сооружением, работающим в коррозионно-активной среде. Некоторые из них уже через 3-4 года требуют ремонта для восстановления работоспособности. Ремонт любого резервуара производится с применением огневых работ (сварки). При этом на резервуаре присутствуют люди. Поэтому резервуар тщательно должен быть подготовлен к ремонту.

Резервуар должен освобождаться от продукта, очищаться от остатков жидкости и твердых горючих отложений и дегазироваться до санитарных норм. Санитарной нормой является концентрация углеводородов не более 300 мг/м³.

Аналогом является «Способ подготовки резервуаров к огневым работам» (авторское свидетельство SU № 1151244, дата публикации: 23.04.1985. Правообладатель: Высшая инженерная пожарно-техническая школа), в котором дегазация происходит путем принудительной вентиляции, отличающийся тем, что с целью повышения пожаробезопасности при проведении работ на резервуарах перед дегазацией резервуар заполняют водой до уровня, превышающего неровности днища, с последующей подачей в направлении днища струи воздуха под углом 30-40 градусов к зеркалу жидкости со скоростью подачи 10-50 м/с, причем нижний предел скорости выдерживают в течение 1,5-2 часов с начала дегазации с последующим повышением скорости до верхнего предела, при этом кратность воздухообмена поддерживается в пределах 15-70 об/ч в зависимости от вместимости резервуара.

Недостатком данного способа является недостаточная пожаровзрывобезопасность при проведении работ на резервуарах.

Другим аналогом заявленного способа являются «Способ подготовки резервуаров к ремонту» (авторское свидетельство SU № 1687312, дата публикации: 30.10.1991. Правообладатель: ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО СБОРУ, ПОДГОТОВКЕ И ТРАНСПОРТУ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ). Изобретение относится к очистке резервуаров от горючих газов и позволяет повысить производительность очистки. Очистка производится путем принудительной вентиляции воздухом горючих газов, подачу воздуха осуществляют встречными потоками с образованием плоскости столкновения, при этом плоскость столкновения перемещают в пространстве горючих газов изменением давления во встречных потоках по заданной программе в зависимости от плотности и концентрации горючих газов.

Недостатком данного способа является минимальное перемешивание подаваемого воздуха с газом в резервуаре. Перемешивание плоскостей столкновения в резервуаре жидкости и подаваемого воздуха недостаточно эффективно вытесняет более обогащенную смесь.

Указанные недостатки основываются на проведенных опытах и их результатах.

Целью заявленного изобретения является повышение пожаро- и взрывобезопасности при проведении ремонтных работ в резервуарах для хранения нефти и нефтепродуктов.

Краткое описание способа

В способе дегазации вертикальных цилиндрических резервуаров перед ремонтными работами, включающем их дегазацию путем принудительной вентиляции воздухом горючих газов, согласно изобретению подачу воздуха осуществляют с двух противоположных осесимметричных сторон вдоль стенок резервуара потоками/струями в противоположном направлении друг к другу, при этом создавая круговорот воздуха.

Изобретение характеризуется чертежами и схемами.

Фиг.1 - схема расположения точек измерения подвижности воздуха и потери массы жидкостей при вентиляции ЭПС.

Фиг.2 - фото, общий вид экспериментального полупромышленного стенда ЭПС.

Фиг.3 - схема подачи струи приточного воздуха «вихрем».

Фиг.4 - схема подачи струи приточного воздуха «навстречу».

Фиг 5 - схема подачи струи приточного воздуха «односторонняя».

Лабораторные исследования проводились на одном экспериментальном полупромышленном лабораторном стенде, который в дальнейшем будет именоваться экспериментальный полупромышленный стенд ЭПС [1].

Экспериментальный полупромышленный стенд ЭПС предназначен для определения подвижности воздуха при различных его подачах во внутреннем пространстве резервуара, скорости испарения и потери массы различными жидкостями.

Резервуар ЭПС изготовлен из поликарбоната в виде вертикального цилиндрического сосуда. Резервуар установлен на специально изготовленную ровную поверхность (деревянный щит, обшитый фрагментами ГВЛ). Поверхность выровнена при помощи различных прокладок, изготовленных из разного калибра бруса, зафиксирована на поверхности земли в уровень при помощи уровнемера. Масштаб экспериментального резервуара (ЭР) равен 1:10 от промышленного резервуара РВС-5000.

Геометрические размеры резервуара РВС-5000 представлены в таблице 1.

Геометрические размеры резервуара РВС-5000
Таблица 1
№ п/п	Геометрические размеры	PBC-5000
1.	Диаметр, м	23
2.	Высота, м	12
3.	Площадь днища, м2	415,2
4.	Объем, м3	5000
5.	Площадь приточного отверстия, м2	196,25·10 -3
6.	Масштаб резервуара	1:1

Геометрические размеры ЭПС представлены в таблице 2.

Таблица 2
Геометрические размеры экспериментального полупромышленного резервуара
№ п/п	Геометрические размеры	ЭПС
1.	Диаметр, м	2,3
2.	Высота, м	1,2
3.	Площадь днища, м2	4,15
4.	Объем, м3	5
5.	Площадь приточного отверстия, м 2	196,25·10-5
6.	Масштаб экспериментального резервуара	1:10

Для повышения эффективности вентиляции резервуара на ЭПС изобретен и применен принципиально новый способ подачи приточного воздуха во внутреннее пространство резервуара, а именно: ввод трубопроводов [2] и [3] диаметром D=0,1 м с выходными отверстиями непосредственно в сам резервуар диаметром D=0,05 м осуществлен с двух противоположных сторон резервуара. Подача приточного воздуха осуществлялась от воздуходувки [4]. В зависимости от расхода подаваемого воздуха вентиляция резервуара ЭПС осуществляется воздуходувкой «ЛУЧ-2М». Воздуходувка «ЛУЧ-2М» имеет мощность - 5 кВт, производительность - 7 м³/мин, напряжение - 220 V, ток - 22,7 А.

На крыше экспериментального резервуара смонтирован люк-лаз [5] диаметром D=0,1 м для удаления газовой смеси с газоотводной трубой [6]. Люк-лаз смонтирован нестандартным способом, а именно: поскольку подача приточного воздуха в пространство экспериментального резервуара осуществляется с двух сторон, трубопроводами с выходным отверстием 0,05 м, то для более эффективного удаления газовой смеси из внутреннего пространства резервуара целесообразно выполнить люк-лаз площадью, равной двойной площади приточного отверстия. Люк-лаз диаметром D=0,1 м для удаления газовой смеси из пространства резервуара размещен строго по центру крыши и самого резервуара соответственно. Данная конструкция размещения люка-лаза экспериментальная и имеет свои преимущества:

- во-первых, удаление парогазовоздушной смеси из внутреннего пространства резервуара всегда удобнее проводить по центру, т.к. имеется равное расстояние от каждой стенки резервуара до выпускного отверстия;

- во-вторых, для промывки резервуаров перед ремонтными работами при помощи моечных машин размещенный люк-лаз сбоку резервуара значительно затрудняет данную работу. Стенка резервуара, геометрически расположенная дальше от люка-лаза, промывается хуже противоположной.

В процессе вентиляции ЭПС проводились измерения подвижности воздуха в разных точках резервуара при разных способах подачи приточного воздуха. Измерения подвижности приточного воздуха проводились при помощи чашечного анемометра «У 1-1» № 23629884. Подвижность воздуха измерялась количеством вращения чашечек анемометра в единицу времени (за 10 минут).

При различных способах подачи приточного воздуха в пространство

ЭПС проводились измерения потери массы в разных точках резервуара [7] по следующим легковоспламеняющимся жидкостям (ЛВЖ):

1. Дизельное топливо ДТ (евро),

2. Бензин АИ-92 (евро),

3. Бензин АИ-95 (евро),

4. Толуол.

Также для точности измерений потери массы при вентиляции экспериментального резервуара данный эксперимент проводился и на воде.

3. Измеряемые величины, приборы и методика измерения

Измеряемые величины в экспериментах представлены в таблице 3.

Таблица 3
Измеряемые величины
№ п/п	Величины	Условные обозначения	Размерность
Независимые переменные
1.	Кратность воздухообмена	КP	1/час
2.	Количество заливаемого нефтепродукта	G 0	кг
3.	Текущее время опыта	i	с
Зависимые переменные
4.	Количество испарившегося горючего	G i	кг
Варьируемая переменная
5.	Температура приточного воздуха	tП	°С

Эксперименты по потере массы жидкости на ЭПС производились в мерных тарелочках, поэтому на определение изменения уровня нефтепродукта влияет различие плотностей жидкостей в различных опытах.

Равенство гидростатических давлений можно выразить следующим образом:

Откуда изменение уровня нефтепродукта с учетом изменения его плотности составит:

где: _в, _нп - плотность воды, нефтепродукта соответственно;

_тр, _в - высота столба воды в трубке, резервуаре соответственно;

_нп - толщина слоя нефтепродукта;

_нп, _гр - изменение уровня нефтепродукта в резервуаре, воды в трубке соответственно;

- изменение плотности во времени.

В частности, при испарении бензинов АИ-92 и АИ-95 плотность их изменяется 10%.

При испарении нефтепродукта происходит снижение температуры поверхностного слоя. Во время проведения предварительных опытов установлено, что температура нефтепродукта снижается на 8-10°С.

Учитывая равенство гидростатических давлений, получим уменьшение уровня жидкости вследствие изменения плотности ее поверхностного _ж.п.сл.:

Расход приточного воздуха на ЭПС установлен в соответствии с паспортными данными на вентилятор «ЛУЧ-2М».

Методика и организация проведения опытов

На экспериментальном стенде ЭПС и специальных установках по стандартным методикам (ГОСТ 2177-66 и ГОСТ 1756-52) было проведено 3 серии опытов:

I серия опытов включает в себя измерение подвижности воздуха и измерение потери массы жидкостей при вентиляции экспериментального резервуара ЭПС способом подачи приточного воздуха «вихрем»;

II серия опытов включает в себя измерение подвижности воздуха и измерение потери массы жидкостей при вентиляции экспериментального резервуара ЭПС способом подачи приточного воздуха «напротив»;

III серия опытов включает в себя измерение подвижности воздуха и измерение потери массы жидкостей при вентиляции экспериментального резервуара ЭПС способом подачи приточного воздуха «односторонняя».

Для изучения закономерности процессов, протекающих при вентиляции резервуаров с остатками однородных жидкостей, авторами были выбраны углеводороды нормального строения (н-Гексан, н-Гептан, н-Октан), т.к. они входят в состав многих нефтепродуктов. Закономерности конвективного массообмена многокомпонентных жидкостей с использованием бензина А-72 были исследованы в работе В.П. Назарова. Такой выбор нефтепродукта обусловлен тем, что бензины имеют ряд преимуществ по сравнению с другими нефтепродуктами с точки зрения целесообразности их исследования. Во-первых, очевидно, что наиболее целесообразно применение вентиляции как метода подготовки к ремонту именно к этому классу нефтепродуктов, т.к. бензины являются наиболее летучими нефтепродуктами с малым содержанием смолистых веществ.

Во-вторых, бензины характеризуются низкой температурой вспышки и высоким давлением насыщенных паров, что обусловливает особую взрывопожарную опасность процесса вентиляции резервуара. Поэтому пожары и взрывы на резервуарах при подготовке к ремонту происходили чаще всего на резервуарах с бензинами.

В-третьих, использование бензинов как неоднородных многокомпонентных веществ позволяет сократить время экспериментов, более точно установить характер изменения ряда величин, характеризующих нестационарность процесса конвективного массообмена, а именно давления насыщенных паров, фракционного состава, молекулярной массы и т.д.

Перед началом опытов по изучению принципиально новых предлагаемых способов процессов вентиляции резервуаров из-под нефти и нефтепродуктов предварительно устанавливался расход приточного воздуха на ЭПС с помощью воздуходувки.

При исследовании процесса вентиляции резервуара на предмет подвижности в нем воздуха при различных способах его подачи в пространство резервуара на днище ЭПС в специальных точках измерения устанавливался чашечный анемометр «У 1-1». Резервуар закрывался, и в его внутреннее пространство подавался приточный воздух от вентилятора «ЛУЧ-2М». При помощи секундомера засекался промежуток времени (10 минут), по истечении которого фиксировалось количество вращений чашечек анемометра. Результаты измерений подвижности воздуха во внутреннем пространстве экспериментального резервуара ЭПС представлены в приложении.

При каждом исследовании потери массы жидкостей перед началом заливки жидкости газовое пространство резервуара ЭПС продувалось приточным воздухом. На днище резервуара в точках измерения устанавливались специальные цилиндрические тарелочки, имеющие одинаковые массу, высоту, диаметр и объем. Геометрические размеры мерных емкостей (тарелочек) для измерения потери массы жидкостей при вентиляции экспериментального резервуара ЭПС представлены в таблице 4.

Геометрические размеры мерных емкостей
Таблица 4
№ п/п	Наименование	Показатель
1.	Пробирка для измерения объема жидкости
1.1.	Максимальный объем, мл		500
1.2.	Цена деления, мл		5
1.3.	Вес, кг		0,486
2.	Тарелочка керамическая
2.1.	Диаметр, м		0,16
2.2.	Высота, м		0,025
2.3.	Площадь, м2		2·10-2
2.4.	Объем, м3		50·10-5
2.5.	Вес, кг		0,476
3	Тарелочка пластиковая
3.1.	Диаметр, м		0,16
3.2.	Высота, м		0,03
3.3.	Площадь, м2		2·10-2
3.4.	Объем, м3		60·10-5
3.5.	Вес, кг		0,028
Погрешность пробирки для измерения объема жидкости составляет +16 г на 200 мл жидкости. При измерении на весах объема воды 200 мл - чистый вес воды составил 216 г.

В эти тарелочки заливался равный определенный объем исследуемой жидкости (200 мл). Затем резервуар закрывался и в его пространство подавался приточный воздух от вентилятора «ЛУЧ-2М». При помощи секундомера засекался промежуток времени (1 час), по истечении которого подача приточного воздуха прекращалась, тарелочки накрывались специальными крышками, устанавливались на весы «ВЕГА» и взвешивались.

При вычитании из массы тарелочки, взвешенной до начала опыта, массы тарелочки, взвешенной после его завершения, устанавливалась масса жидкости, оставшаяся в тарелочках, и масса жидкости, испарившаяся в процессе вентиляции экспериментального резервуара ЭПС.

При проведении опытов на экспериментальном полупромышленном стенде ЭПС выброс газовоздушной смеси осуществлялся через люк-лаз, выполненный из полихлорвиниловой трубы диаметром D=0,1 м, непосредственно на улицу. По окончании каждой серии опытов на ЭПС производился слив остатков жидкости из тарелочек, промывка тарелочек и их просушка, а экспериментальный резервуар дегазировался путем подачи воздуха.

Все серии опытов проводились на открытой площадке летом при температуре окружающего воздуха t=26°С. Температура приточного воздуха в пространство экспериментального резервуара t_П=26°С.

Способ подачи струи воздуха «вихрем» осуществляют следующим образом.

Резервуар освобождают от жидкости, очищают от жидких остатков путем поднятия их на водяной подушке, очищают от твердых отложений путем промывки, например, струями из размыкающих головок и моечных машин. Для промывки используют нефть, нефтепродукты или моющие водные растворы ПАВ. После этого в резервуар подают воздух с двух противоположных осесимметричных сторон резервуара от вентилятора вдоль стенок резервуара, потоками/струями в противоположном направлении друг к другу. Входящие воздушные потоки/струи закручивают приточный воздух в плоскости резервуара и образуют вихрь, который перемешивается с содержащимся в резервуаре газом и вытесняется из резервуара через газоотводную трубу, расположенную на крыше резервуара строго по центру. При вихревом способе подачи воздуха во внутреннее пространство резервуара от двух осесимметричных потоков результатом становится и круговое движение жидкости на дне резервуара. Перемешивание плоскостей столкновения в резервуаре жидкости и подаваемого воздуха вытесняет более обогащенную смесь.

Способ подачи струи воздуха «навстречу» осуществляется следующим образом.

Резервуар освобождают от жидкости, очищают от жидких остатков путем поднятия их на водяной подушке, очищают от твердых отложений путем промывки, например, струями из размыкающих головок и моечных машин. Для промывки используют нефть, нефтепродукты или моющие водные растворы ПАВ. После этого в резервуар подают воздух с двух противоположных осесимметричных сторон резервуара от вентилятора встречными потоками/струями. Входящие воздушные потоки/струи, направленные друг на друга, сталкиваются по плоскости в центре резервуара и образуют вторичные потоки, который перемешивается с содержащимся в резервуаре газом и вытесняется из резервуара через газоотводную трубу, расположенную на крыше резервуара строго по центру. Встречные потоки/струи еще до их столкновения подсасывают из окружающей среды газ, также перемешивая его с воздухом.

Способ подачи струи воздуха «односторонний» осуществляют следующим образом.

Резервуар освобождают от жидкости, очищают от жидких остатков путем поднятия их на водяной подушке, очищают от твердых отложений путем промывки, например, струями из размыкающих головок и моечных машин. Для промывки используют нефть, нефтепродукты или моющие водные растворы ПАВ. После этого в резервуар подают воздух с одной из сторон резервуара от вентилятора. Входящий воздушный поток/струя проходит вдоль днища резервуара, достигает противоположной ее стенки, сталкивается с плоскостью этой стенки и расходится вдоль стенок в разные стороны резервуара, перемешивается с содержащимся в резервуаре газом и вытесняется из резервуара через газоотводную трубу, расположенную на крыше резервуара строго по центру.

Схема расположения точек измерения потери массы жидкостями и подвижности воздуха во внутреннем пространстве резервуара по каждому из способов также представлена на схемах соответственно.

Результаты экспериментальных исследований относительных значений скоростей воздуха во внутреннем пространстве резервуара и долей испарившихся жидкостей при одинаковых расходах воздуха приведены в табл.1.

Таким образом, создавая вихревую подачу потоков, увеличивают турбулизацию движения воздуха, меняя его направление. При вихревом способе подачи воздуха от двух осесимметричных потоков результатом становится и круговое движение жидкости на дне резервуара и наибольшее перемешивание ее с воздухом. Перемешивание воздуха с газом в резервуаре при «вихревом» способе подачи воздуха происходит во всех зонах резервуара, что ускоряет процесс вентиляции при равной кратности воздухообмена.

Увеличение степени перемешивания воздуха позволяет сократить время дегазации, а следовательно, и время подготовки резервуара к ремонту. Сокращаются энергетические затраты, так как для получения эквивалентного эффекта по сравнению с прототипами требуется нагнетать меньше воздуха. Чем выше степень перемешивания, тем больше газа удаляется из резервуара в 1 м ³ вытесняемого из резервуара газа. Повышается коэффициент полезного действия (КПД) вентиляции. Повышение КПД означает снижение энергетических (следовательно, материальных) затрат на подготовку резервуара к ремонту. Расположенный на крыше люк-лаз для удаления парогазовоздушной смеси по центру резервуара облегчает промывку резервуара перед ремонтными работами при помощи моечных машин по сравнению с ранее предлагаемыми способами. Размещение люка-лаза по центу позволяет равномерно проводить процесс промывки резервуаров при помощи моечных машин.

Способ рекомендуется использовать в крупногабаритных нефтяных резервуарах, а также на нефтеналивных танкерах.

Результаты экспериментальных исследований относительных значений скоростей воздуха во внутреннем пространстве резервуара и долей испарившихся жидкостей при одинаковых расходах воздуха
Таблица 5
Подача струи воздуха «вихрем»			Подача струи воздуха «навстречу»			Подача струи воздуха «односторонняя»
Относительная скорость воздуха	ДТ евро Доля испарившейся жидкости	АИ-95 евро Доля испарившейся жидкости	Относительная скорость воздуха	ДТ евро Доля испарившейся жидкости	АИ-95 евро Доля испарившейся жидкости	Относительная скорость воздуха	ДТ евро Доля испарившейся жидкости	АИ-95 евро Доля испарившейся жидкости
2,4	0,08	0,63	1,8	0,01	0,35	1	0,02	0,25

Выводы по экспериментам

1. Создан экспериментальный полупромышленный стенд, позволяющий провести многостороннее исследование пожаровзрывобезопасности технологического процесса подготовки резервуаров с остатками нефтепродуктов к огневым работам принципиально новыми методами их принудительной вентиляции.

2. Обоснованы главные элементы экспериментального стенда - различие по масштабу и конструкциям - экспериментальный резервуар, позволяющий исследовать влияние масштаба модели на интенсивность процессов конвективного массообмена и турбулентного переноса паров нефтепродуктов.

3. На экспериментальном полупромышленном стенде ЭПС изобретен и применен принципиально новый способ подачи приточного воздуха во внутреннее пространство резервуара, эффективность которого на порядок превзошла все другие методы. Метод подачи приточного воздуха в пространство резервуара «вихрем» позволяет закручивать не только подаваемый воздух в резервуаре, но и саму жидкость по направлению движения воздуха. В результате такого движения процесс испарения жидкости протекает намного быстрее.

Таким образом, поставленная цель достигается за счет максимального перемешивания подаваемого воздуха с газом в резервуаре. При перемешивании плоскостей столкновения в резервуаре жидкости и подаваемого воздуха вытесняется более обогащенная смесь.

Процесс дегазации можно ускорить не столько увеличением количества подаваемого воздуха, сколько повышением степени перемешивания воздуха с содержащимся в резервуаре газом.

Оценка эффективности определяется затратами на электроэнергию и длительностью процесса вентиляции.

Таким образом, анализ совокупности всех существенных признаков предложенного изобретения доказывает, что исключение хотя бы одного из них приводит к невозможности обеспечения достигаемого технического результата.

Анализ уровня техники показывает, что неизвестен такой способ дегазации вертикальных цилиндрических резервуаров перед ремонтными работами, которому присущи признаки, идентичные всем существенным признакам заявленного технического решения, что свидетельствует о его неизвестности и, следовательно, новизне, а также изобретательском уровне.

При осуществлении изобретения реализуется наличие предложенного объекта, что свидетельствует о промышленной применимости.