中国石油大学《输油管道设计与管理》5.1.pptVIP

严格地说，Fick定律只适用于静止油品被冷却时的扩散情况。流动流体内部的质量传递机理取决于流体的流动状态，紊流时，管内油品的流动可分为三层：层流边层 、紊流核心以及处于两者之间的过渡层。在紊流核心中，流体中充满了旋涡和湍动而使流体质点产生垂直于流动方向的移动，故紊流核心中温度梯度几乎为零，浓度梯度也为零，即温度和浓度均匀一致，但在紧贴管壁的层流边层内质点只沿流动方向移动，垂直于流动方向的质量传递只能靠分子扩散，所以在层流边层内仍可用Fick定律。 对于埋地管道，凝油层厚度的变化还随季节而不同，当地温逐渐下降时，凝油层逐渐增厚；当地温逐渐上升时，凝油层又逐渐减薄。当输量和油温稳定时，在某一季节，凝油层厚度常保持在某—范围内。 以上分析了各因素单独对管壁结蜡的影响。实际运行的管道结蜡的情况受到上述诸因素的综合影响。 * * 第一节 热油管道的运行特性 第二节 热油管道的启动投产 第四节 热油管道的停输温降及再启动 第五章 热油管道的运行管理 第三节 热含蜡原油管道蜡沉积 含蜡原油多采用加热输送。 热输含蜡原油管道的特点： 沿程油温降低 原油中石蜡析出并沉积在管壁上 流通截面减少，摩阻增大，管道输送能力降低； 同时又增大了油流至管内壁的热阻，使总传热系数下降。 如铁大线某站间自1975年投产到1979年底未进行清蜡，管壁的当量结蜡厚度达26mm，摩阻上升1.2MPa，管道效率下降了20％，1980年清管后，在同样的输油压力下输量比1979年提高了100万吨。 第三节 热含蜡原油管道蜡沉积 管内壁结蜡给管输原油带来了许多问题。 以往大庆和胜利油田采用保持输油温度不低于40℃的措施来控制管内壁结蜡，这虽然是减少结蜡的措施，但增加了管道的热损失。为了在经济加热温度较低时确保管道的输油能力，国内外对管内壁石蜡沉积的条件和机理进行了不少实验研究工作。下面就管内壁的结蜡机理、影响管内壁石蜡沉积速率的因素、管壁结蜡对温降和摩阻的影响以及减少结蜡和清蜡措施作简单介绍。 含蜡原油加热输送的特殊问题 一、原油析蜡和管壁结蜡过程 1、温降过程中石蜡的析出 原油中的石蜡是指十六烷以上的正构烷烃的混合物，其中中等分子量的蜡组分含量最多，低分子量和高分子量的蜡所占的比例都比较小。 含蜡原油在温降过程中，其中所含的蜡总是按分子量的高低，次第析出。 由于蜡晶粒刚开始析出时，不易形成稳定的结晶核心，故原油常在溶蜡量达到过饱和时，才析出蜡晶。 原油中刚开始析出蜡晶粒时的温度称为蜡的初始结晶温度。 析蜡温度的判定： ①原油中蜡晶粒的析出量已开始影响原油的粘温曲线，是其发生转折时的温度，可由实测粘温曲线来判断。 ②热容—温度曲线开始随温度的下降而上升时的温度。 含蜡原油加热输送的特殊问题 蜡结晶大量析出的温度范围称为析蜡高峰区，随原油的组成而不同。 2、管壁“结蜡”现象 通常所说的“结蜡” 是指在管道内壁上逐渐沉积了某一厚度的石蜡、胶质、凝油、砂和其它机械杂质的混合物。在长输管道的沉积物中，原油的含量要高些。 含蜡原油加热输送的特殊问题 大口径长输管道的“结蜡”特点： 管壁上的沉积物有明显的分界，紧贴管壁的是黑褐色发暗、类似细砂的薄层，其组成主要是蜡，是真正的结蜡，有一定的剪切强度，这一层的厚度一般只有几毫米，与管壁粘结较牢固。 在蜡层上面是厚度要大得多的黑色发亮的沉积物，主要是凝油，即在蜡和胶质、沥青质构成的网络结构中包含着部分液态粘油。 在管道中途某一温度范围内是结蜡高峰区，过了结蜡高峰区后结蜡层有减薄现象，在末端结蜡层厚度又上升，这是由于油流带来的前面冲刷下来的“蜡块”重新沉积的缘故。 含蜡原油加热输送的特殊问题 3、管壁结蜡的机理 管内壁结蜡是石蜡的沉积和油流的冲刷共同作用的结果。 含蜡原油在管内输送过程中，油温不断降低，当油温降低到某一温度时，由于管壁温度总是低于油温，靠近管壁处的溶解石蜡首先达到饱和状态，如果油温再降低，则会出现过饱和，借助管内壁提供的结晶中心(粗糙突起、杂质)而首先析出。管壁处石蜡的析出，使其浓度降低，这样便会在管壁和紊流核心之间产生浓度梯度(Concentration gradient)。该浓度梯度使溶解在原油中的石蜡分子从管中心向管壁扩散，为管壁上的继续结蜡创造条件。 (1)分子扩散 Fick扩散方程： 石蜡分子向管壁的扩散速率可用Fick扩散方程计算： 含蜡原油加热输送的特殊问题 ① 式中：WmL—单位时间扩散通过单位面积的蜡分子的质量，即由分子扩散引起的蜡沉积速率，kg/(s m2) ρL—蜡的密度，kg/m3, Dm—分子扩散系数，m2/s； —温降1℃析出的蜡晶量的百分数，即蜡结晶在原油中的溶解度系数，1/℃ —管壁处径向温度梯度，℃/m 含