Последовательная перекачка разноименных и разносортных нефтепродуктов по магистральным трубопроводам осуществляется циклами. Каждый цикл состоит из нескольких партий нефтепродуктов, располагающихся в определенной последовательности. Порядок последовательности партий нефтепродуктов в цикле определяется таким образом, чтобы каждый нефтепродукт контактировал с двумя другими, наиболее близкими к нему по своим свойствам.

При последовательной перекачке различных марок бензинов контактирующие пары подбираются с наименьшей разницей их октановых чисел.

При последовательной перекачке различных марок (видов) дизельных топлив контактирующие пары подбираются с минимальной разницей температур их вспышки, а при одинаковой разнице температур вспышек — с минимальной разницей содержания серы.

В контакте с летним дизельным топливом с температурой вспышки 62°С и максимальным запасом качества по температуре вспышки и зимним дизельным топливом, а также в контакте с бензинами рекомендуется закачивать летнее дизельное топливо с температурой вспышки 40°С.

В контакте с экспортным или экологически чистым дизельным топливом рекомендуется закачивать летнее дизельное топливо с температурой вспышки 62°С с необходимым запасом качества.

В целях снижения смесеобразования допускается закачивать в зону контакта различных нефтепродуктов в качестве буферных пробок технологические смеси этих нефтепродуктов.

Осуществлять это мероприятие рекомендуется только после проведения опытной последовательной перекачки нефтепродуктов.

Последовательная перекачка топлива для реактивных двигателей ТС-1 по магистральным нефтепродуктопроводам осуществляется в соответствии с требованиями нормативного документа^* в контакте с дизельным топливом или автобензином.

1.2 Смесеобразование нефтепродуктов и способы его сокращения при последовательной перекачке

При последовательной перекачке нефтепродуктов прямым контактированием в местах контакта их партий образуется смесь этих нефтепродуктов. Причиной смесеобразования является неравномерное вытеснение одного нефтепродукта другим. Скорость движения частиц жидкости на оси трубопровода больше, чем у его стенок, поэтому клин позади идущей жидкости внедряется в жидкость, идущую впереди, а процессы турбулентного перемешивания распределяют вытесняющий нефтепродукт по всему сечению трубопровода.

Образование смеси в зонах контакта соседних партий нефтепродуктов органически присуще данному методу транспортировки нефтепродуктов, является основной особенностью их последовательной перекачки прямым контактированием, обусловлено физическими процессами, сопровождающими вытеснение одной жидкости другой, и поэтому не может быть полностью устранено.

 В течение всего времени перекачки объем смеси нефтепродуктов в зоне контакта последовательно движущихся партий постоянно возрастает, образуя плавный переход от одного нефтепродукта к другому. Темпы этого возрастания не одинаковы. Сначала, когда протяженность зоны смеси мала и переход от одного нефтепродукта к другому происходит на небольшом расстоянии, объем смеси нарастает быстро, но по мере увеличения протяженности смеси последняя играет роль буфера между нефтепродуктами, и темпы роста объема смеси замедляются.

Образующаяся в процессе последовательной перекачки технологическая смесь контактирующих нефтепродуктов обусловлена физическими процессами, присущими самой технологии транспортирования светлых нефтепродуктов по трубопроводам.

Магистральные нефтепродуктопроводы не предназначены для производства новых марок нефтепродуктов и технологическая смесь, образующаяся в зонах контактирования партий нефтепродуктов вследствие особенностей технологии последовательной перекачки, не является новой маркой нефтепродукта.

В пунктах приема-сдачи магистрального нефтепродуктопровода с целью восстановления качества перекачиваемых последовательно нефтепродуктов осуществляется равномерное распределение (раскладка) смеси, образовавшейся при транспортировке нефтепродуктов, по партиям этих нефтепродуктов. Сущность раскладки состоит в добавлении некоторого количества смеси к нефтепродуктам, из которых она образовалась, осуществляемого за счет имеющегося у нефтепродуктов запаса качества с обеспечением сохранности в допустимых стандартами пределах показателей качества нефтепродуктов, к которым добавляется смесь.

Процесс равномерного распределения (раскладки) смеси по партиям нефтепродуктов, из которых она образовалась, предназначен для обеспечения сохранности качества и ресурсов принятых к транспортировке нефтепродуктов, не является специальным смешением двух марок готовых нефтепродуктов и не представляет собой производство нового нефтепродукта.

Зона смеси нефтепродуктов расположена между последовательно движущимися нефтепродуктами; концентрация (процентное содержание) каждого из них меняется в этой зоне от 0,01 (1%) до 0,99 (99%). Объем V_c (м³) смеси включает зону смеси в указанных пределах концентраций. Эта величина является важным показателем образующейся смеси, однако, она не означает, что такое количество нефтепродуктов подлежит раскладке на конечном пункте МНПП.

1.3 Механизм смесеобразования

В зависимости от режима перекачки смесеобразование в трубопроводе протекает по-разному.

При ламинарном (струйном) течении механизм смесеобразования таков. В начальный момент времени (t = 0) граница раздела жидкостей плоская, смеси нет (рис. 1.1 а). После начала последовательной перекачки позади идущая жидкость Б вклинивается во впереди идущую жидкость А в соответствии с параболическим профилем распределения местных скоростей. Смесью в данном случае является участок трубы, заполненный сразу обеими контактирующими жидкостями. Динамика изменения объема смеси представлена на рис. 1.3.

Рисунок 1.1. Механизм смесеобразования при ламинарном режиме

Рисунок 1.2. Изменение объема смеси при ламинарном режиме последовательной перекачки

Так как при ламинарном режиме перекачки скорость струек на оси трубы в 2 раза выше средней скорости потока, а на стенке скорость жидкости (по условию “прилипания”) равна нулю, то с течением времени вытесняющая жидкость Б будет все больше вклиниваться в вытесняемую жидкость А, а на стенке перемещаться не будет. В момент, когда “голова” клина достигает конечного сечения трубопровода, заканчивается фаза замещения и весь трубопровод заполнен смесью последовательно перекачиваемых жидкостей.

Далее начинается фаза вымывания. Заключается она в том, что постепенно конечного сечения трубопровода достигают струйки, все более удаленные от оси трубы. Этот процесс протекает крайне медленно. Теоретически и экспериментально установлено, что для полного вымывания жидкости А необходимо прокачать вытесняющую жидкость Б в количестве 3...4 объемов трубопровода V_тр. Таким образом, объем образующейся смеси при ламинарном режиме перекачки составляет (4...5)×V_тр.

При турбулентном режиме перекачки механизм смесеобразования иной (рис. 1.4). После начала последовательной перекачки позади идущая жидкость Б вклинивается во впереди идущую жидкость А в соответствии с логарифмическим профилем распределения местных скоростей.

Рисунок 1.3. Механизм смесеобразования при турбулентном режиме

Однако уже в следующий момент времени за счет поперечных пульсаций скорости, характерных для турбулентного режима вклинивающаяся жидкость Б полностью перемешивается с впереди идущей жидкостью А, находящейся у стенки. Далее во впереди идущую жидкость А вклинивается образовавшаяся смесь, а в смесь вклинивается позади идущая жидкость Б.

И опять за счет поперечных пульсаций скорости в зоне обоих контактов происходит полное перемешивание жидкостей. Этот процесс протекает и в дальнейшем. В результате длина образовавшейся смеси постепенно увеличивается в обоих направлениях.  Благодаря существованию поперечных пульсаций скорости вытесняющая жидкость Б не может сколь угодно долго вклиниваться в вытесняемую жидкость А. Кроме того, при турбулентном режиме за счет поперечных турбулентных пульсаций жидкость А вымывается из пристенной области и смесь движется как своеобразный поршень. Поэтому объем образующейся смеси относительно невелик. Согласно приближенной теории смесеобразования, разработанной В.С. Яблонским и В.А. Юфиным, этот объем при турбулентном режиме перекачки не превышает 1 % от объема трубопровода, пройденного серединой смеси.

1.4 Приближенная теория смесеобразования при последовательной перекачке

Распределение концентрации одного продукта в другом описывается линейным уравнением второго порядка в частных производных

                                                 ,                                        (1.1)

где К_Б - концентрация вытесняющей жидкости Б; D_Э - эффективный коэффициент продольного перемешивания, - время .

Уравнение (1.1) при начальных условиях :

имеет вид представленный на рисунке 1.5.

В соответствии с ним концентрация К_Б = 1 имеет место при Z ® - ¥, а К_Б = 0 при Z ® + ¥, то есть смесь занимает как бы весь трубопровод. Это дефект используемой математической модели.

Для инженерных целей под областью смеси понимают зону, где концентрация продукта Б в продукте А изменяется от 99 до 1 %. Значение аргумента интеграла вероятности Z при К_Б = 0,01 равно 1,645, а при   К_Б  = 0,99 равно - 1,645.

Рисунок 1.5. Распределение концентрации продукта Б по длине смеси

Длину области смеси определяется как разность х₂ и х₁:

.            (1.3)

Если учесть, что время образования смеси , то можем переписать (1.3)

                                                 ,                                                (1.4)

где L - пройденный смесью путь;   u_см - скорость смеси.

Соответственно объем смеси будет равен

                                     ,                                    (1.5)

где F - площадь сечения трубопровода.

Из полученных формул видно, что длина и объем смеси меняются пропорционально корню квадратному из пройденного смесью расстояния и зависят также от площади сечения трубопровода и коэффициента продольного перемешивания (диффузии) D_э .

Длину и объем смеси, часто выражают, через безразмерное число Пекле , что дает:                                              .                                  (1.6)

Объем примеси одного продукта в другом  описывается формулой

                                                 .

Если взять отношение объема примеси к объему смеси, то получим:

                                                 ,

то есть объем примеси составляет около 1/12 объема смеси, определенной в пределах концентрации от 1 до 99 %. В рассмотренном примере этот объем равен 19 м³ в каждом из продуктов.

Для расчета эффективного коэффициента диффузии имеется ряд эмпирических формул. - формула Асатуряна

                                     ;                                                     (1.8)

- формула Нечваля - Яблонского

                                     ;                                         (1.9)

- формула Съенитцера

                                     .                        (1.10)

Кинематическую вязкость в данных формулах определяют следующим образом. При n_А/n_Б £ 5 пользуются формулой Кадмера:

                                                 .

Если же , то

                                     .                          (1.11)

Выражая величину числа Пекле с использованием формулы Съенитцера и подставив его в формулу для нахождения объема смеси, получим:

.                      (1.12)

Из этой формулы, в частности, видно, что чем меньше значение коэффициента гидравлического сопротивления l, тем меньше объем образующейся смеси. Поскольку для всякой жидкости коэффициент l уменьшается при увеличении средней скорости потока u_ср, то мы приходим к важному выводу: чем больше скорость перекачки, тем меньше образуется смеси. Строго говоря, полученная формула для V_см справедлива лишь для нефтепродуктов, обладающих одинаковой вязкостью. Если вязкость нефтепродуктов различны, то, используя формулы (1.10), (1.11), получаем [1-3]:

                                     . (1.13)

Формула (1.13) используется для расчетов смесеобразования согласно регламентам приведенным в начале раздела.

На образование смеси оказывают влияние режим перекачки, остановки перекачки, конструктивные особенности обвязки перекачивающих станций и резервуарных парков, объем партии, соотношение вязкостей и плотностей перекачиваемых жидкостей.