curs calc cond
Post on 14-Feb-2018
238 Views
Preview:
TRANSCRIPT
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 1/140
UUNNIIVVEER R SSIITTAATTEEAA PPEETTR R OOLL--GGAAZZEE DDIINN PPLLOOIIEEŞŞTTII
FFAACCUULLTTAATTEEAA IINNGGIINNEER R IIEE MMEECCAANNIICCĂĂ ŞŞII EELLEECCTTR R IICCĂĂ
SSttuuddiiii ddee mmaasstteerraatt î î nn ddoommeenniiuull IInnggiinneerriiee mmeeccaanniiccăă,, ssppeecciiaalliizzaarreeaa
IINNGGIINNEER R IIAA SSIISSTTEEMMEELLOOR R DDEE TTR R AANNSSPPOOR R TT ŞŞII DDEEPPOOZZIITTAAR R EE AA HHIIDDR R OOCCAAR R BBUUR R IILLOOR R
PPLLOOIIEEŞŞTTII--22001100 ¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤
SUPORT DE CURS
Conf. dr. ing. Mihai ALBULESCU
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 2/140
PREFAȚĂ
Lucrarea cuprinde una din cele mai importante aplicații ale Mecanicii Fluidelor
și anume transportul lichidelor și gazelor prin conducte.
Prin tratarea acestor probleme, cu aplicație specială la transportul produselor
petroliere și gazelor, am urmat nu numai să dăm noțiunile necesare studenților ci și
să punem un material utilizabil și modern la îndemâna inginerilor mecanici și nu
numai care se ocupă de problema transportului și distribuției fluidelor.
Sperăm, de asemenea, că, pe ansamblu, lucrarea poate fi consultată cu folos de
inginerii din mai multe specialități.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 3/140
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Cuprinsul 1
CUPRINS
pag.
1. INTRODUCERE PRINCIPALELE PROPRIETĂŢI ALE FLUIDELOR
1.1. PROPRIETĂŢILE ŢIŢEIURILOR ......................................................................................4
1.2. U NELE PROPRIETĂŢI ALE PRODUSELOR PETROLIERE ...................................................13
1.3. PROPRIETĂŢILE GAZELOR NATURALE ...........................................................................22
2. TRANSPORTUL FLUIDELOR PRIN CONDUCTE
2.1. SUPORTUL TEORETIC .........................................................................................27
2.2. CALCULUL GRAFIC AL CONDUCTELOR ..........................................................................30
2.3. CALCULUL CONDUCTELOR COMPLEXE .................................................................33
2.3.1.Conducte în serie ......................................................................................332.3.2.Conducte în paralel ...................................................................................342.3.3.Conducte cu ramificaţii (colectoare sau distribuitoare) ...................................36
2.4. DETERMINAREA PARAMETRILOR OPTIMI AI CONDUCTELOR ............................................38
2.5. APLICAŢII ..........................................................................................................42
3. STUDIUL PROCESULUI DE POMPARE A FLUIDELOR PRIN CONDUCTE
3.1. ALEGEREA TRASEULUI CONDUCTEI ..............................................................................453.2. STAŢII DE POMPARE ...................................................................................................46
3.3. SISTEME DE POMPARE .................................................................................................50
3.4. DETERMINAREA NUMĂRULUI ŞI AMPLASAMENTULUI STAŢIILOR DE POMPARE ...........52
3.5. CURBE CARACTERISTICE ............................................................................................56
3.5.1. Determinarea regimului de functionare al staţiilor de pompare ....................563.5.2. Mărirea capacităţii de transport a unei conducte pentru lichide
prin creşterea presiunii de pompare ..........................................................................59
4. TRANSPORTUL SUCCESIV AL PRODUSELOR PETROLIERE
4.1. CONTAMINAREA PRODUSELOR ÎN TRANSPORTUL SUCCESIV .........................................61
4.2. DETERMINAREA VOLUMULUI DE AMESTEC ..................................................................63
4.2.1. Determinarea variaţiei concentraţiei medii ....................................................644.2.2. Coeficientul efectiv de difuzie ......................................................................664.2.3. Calculul volumului de amestec ....................................................................67
4.3. DETERMINAREA NUMĂRULUI OPTIM DE CICLURI DE POMPARE .................................71
4.4. CALCULUL HIDRAULIC AL CONDUCTEI DE TRANSPORT SUCCESIV ................................75
4.5. MĂSURI PENTRU MICŞORAREA VOLUMULUI DE AMESTEC LA TRANSPORTUL SUCCESIV ...754.6. APLICAŢII ....................................................................................................................78
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 4/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
2 Cuprinsul
5. TRANSPORTUL PRODUSELOR CONGELABILE
5.1. GENERALITĂŢI ............................................................................................................81
5.2. METODE DE TRANSPORT ...........................................................................................825.2.1. Transportul cu diluanţi .................................................................................825.2.2. Transportul cu adaosuri .................................................................................835.2.3. Hidrotransportul ........................................................................................845.2.4. Transportul ţiţeiurilor vâscoase sau congelabile tratate termic ........................84
5.3. TRANSPORTUL LA CALD ...........................................................................................85
5.3.1. Determinarea variaţiei temperaturii în lungul conductei .........................865.3.2. Determinarea numărului şi amplasamentului staţiilor de încălzire .................915.3.3. Decongelarea conductelor şi combaterea depunerilor de parafină ...................925.3.4. Calculul hidraulic al conductelor pentru transportul la cald .............................935.3.5. Răcirea lichidului din conductă în cazul opririi pompării ................................97
6. TRANSPORTUL FLUIDELOR NENEWTONIENE PRIN CONDUCTE
6.1. GENERALITĂŢI .............................................................................................................99
6.2. MIŞCAREA FLUIDELOR BINGHAMIENE PRIN CONDUCTE ..........................................100
6.3. TRANSPORTUL FLUIDELOR CU PRAG DE TENSIUNE .....................................................105
6.4. TRANSPORTUL FLUIDELOR PSEUDOPLASTICE .............................................................107
6.5. DEPENDENŢA DEBIT-CĂDERE DE PRESIUNE ...................................................................111
7. TRANSPORT FLUIDELOR COMPRESIBILE
7.1. MIŞCAREA GAZELOR PRIN CONDUCTE ..........................................................................115
7.2. R EZISTENŢE LOCALE ...............................................................................................121
7.3. CALCULUL HIDRAULIC AL CONDUCTELOR PENTRU GAZE ..........................................123
7.4. CALCULUL HIDRAULIC AL CONDUCTELOR COMPLEXE DE GAZE ...............................128
7.4.1. Conducte de gaze în serie ..............................................................................1297.4.2. Conducte de gaze în paralel ..........................................................................130
7.4.3. Conducte cu ramificaţii ................................................................................1317.5. MĂRIREA CAPACITĂŢII DE TRANSPORT A UNEI CONDUCTE DE GAZE ..........................132
7.5.1. Montarea unei intercalaţii ............................................................................1327.5.2. Montarea unei derivaţii ..............................................................................1337.5.3. Creşterea numărului de staţii de comprimare .............................................134
7.6. CALCULUL ECONOMIC AL CONDUCTELOR DE GAZE .....................................................135
7.6.1. Metoda grafo-analitică ................................................................................1357.6.2. Metoda comparaţiei variantelor ...................................................................1367.6.3. Metoda analitică ............................................................................................136
BIBLIOGRAFIE
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 5/140
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 1 3
Capitolul 1INTRODUCERE.
PRINCIPALELE PROPRIETĂŢI ALE FLUIDELOR
Fluidele sunt medii continui vâscoase şi deformabile. În această categorie intră lichidele şi
gazele, respective hidrocarburile şi apa. Transportul şi distribuţia acestora către utilizatori
(consumatori) se face, în general prin reţele de conducte.
Necesitatea studierii problemelor transportului şi distribuţiei hidrocarburilor lichide apare
datorită importanţei acestora în economia naţională. În cadrul proceselor de transport şi distribuţie
apar mai multe probleme importante, prima dintre acestea fiind realizarea unui cost minim al
procesului respectiv.
Un alt aspect economic este reducerea pierderilor de hidrocarburi transportate. Stabilirea
variantei optime în realizarea unui sistem de transport, inclusiv capacitatea de depozitare reprezintă
scopul final al consideraţiilor de natură economică.
Alte probleme care apar şi trebuie să fie studiate sunt mărirea capacităţii unui sistem de
transport, realizarea transportului şi distribuţiei în condiţii de exploatare speciale fie datorită climei,
fie ca urmare a proprietăţilor hidrocarburilor vehiculate.
Cel mai răspândit mijloc de transport pentru hidrocarburile lichide îl reprezintă conductele.
Lungimea acestora poate varia de la câteva sute de metri, în interiorul rafinăriilor sau bazelor de
depozitare, până la câteva mii de kilometri. De asemenea, diametrul interior al conductelor variază
de la câteva zeci de milimetrii la 1,2 m.
În afara transportului prin conducte se utilizează pe scară largă, mai ales pentru ţiţeiuri,
transportul pe apă atât cel fluvial cât şi cel maritim. Pentru realizarea acestui gen de transport sunt
necesare nave de construţie specială numite petroliere, dane de acostare a acestora şi instalaţii de
încărcare şi descărcare.
În cazul când se transportă, pe uscat, cantităţi mici de ţiţei sau produse petroliere pot fi
utilizate vagoanele cisternă sau autocisternele pentru care sunt necesare unele instalaţii specifice şi
anume rampele de încărcare şi descărcare.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 6/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
4 Capitolul 1
1.1. PROPRIETÃŢILE ŢIŢEIURILOR
Ţiţeiul este un petrol degazeificat a cãrui calitate, reprezentatã prin proprietãţile sale fizice si
chimice, diferã atât areal, de la o unitate hidrodinamicã la alta aparţinând aceleiaşi structuri, cât si
pe verticalã ca urmare a unei neuniformitãţi receptate prin analizarea investigaţiilor hidrodinamice
sau geofizice de sondã.
1. COMPOZIŢIA ŢIŢEIURILOR
Ţiţeiurile sunt fluide neomogene care conţin, în principal, hidrocarburi fluide. Proporţia lor
variazã cu natura ţiţeiurilor; la ţiţeiurile parafinoase conţinutul în hidrocarburi este de 90….98 % iar
la cele naften-aromatice de circa 50 %.
Hidrocarburile şi nehidrocarburile din ţiţeiuri se aflã în proporţii aleatoare astfel încât
proprietãţile fizice şi chimice variazã foarte mult de la un zãcãmânt la altul, mult în cadrul unitãţilor
hidrodinamice ale aceleiaşi structuri şi mai puţin pentru ţiţeiul din aceeaşi sondã pe parcursul
producerii acesteia.
Hidrocarburile au fost împãrţite în trei categorii: parafinice, naftenice şi aromatice. Înfracţiunile medii şi superioare se gãsesc hidrocarburi cu structurã mixtã. Cu mici excepţii
hidrocarburile sunt saturate din punct de vedere chimic.
Nehidrocarburile conţin, în general, acizi petrolici, compuşi cu sulf, compuşi cu azot şi
compuşi de naturã asfalticã.
Hidrocarburile parafinice, predominante în ţiţei, sunt cele mai bogate în hidrogen (CnH2n+2).
Sunt caracterizate prin structuri cu catene deschise formate din atomi de carbon cu legãturi simple.
Ele se împart în douã serii: normale parafine caracterizate printr-o catenã liniarã şi izoparafine cu ocatenã principalã şi una sau mai multe catene laterale. Ţiţeiurile parafinoase conţin mai multe
normal parafine dar proporţia acestora scade cu creşterea numãrului de atomi de carbon din
moleculã.
Hidrocarburile naftenice (CnH2n… CnH2n-6 ) au o structurã ciclicã în care o parte din atomii
de carbon sunt legaţi prin lanţuri închise având legãturi covalente simple. Aceastã clasã de
hidrocarburi prezintã o mare varietate de structurã datoritã variaţiei numãrului de carbon conţinuţi
în acelaşi ciclu, numãrului de cicluri prezente în aceeaşi moleculã precum şi a numãrului şi lungimii
catenei laterale. Catenele cu 5 sau 6 cicluri de carbon sunt singurele stabile. Naftenele policlice pot
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 7/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 1 5
conţine cicluri izolate (legate printr-o catenã) sau condensate (cu o catenã comunã). Cele mai des
întâlnite sunt structurile policiclice condensate (cu o catenã comunã). S-a observat că:
Proporţia de hidrocarburi naftenice în ţiţei este de 10….60 %;
La acelaşi numãr de atomi de carbon, naftenele au valori mai mari ale densitãţii şi a punctului
de fierbere decât hidrocarburile parafinice;
Creşterea numãrului de cicluri în molecule conduce la valori mãrite ale parametrilor mai sus
menţionaţi.
Hidrocarburile aromatice sunt caracterizate prin prezenţa în molecule a unor nuclei
benzenici. Pe lângã nucleii benzenici aromatele pot conţine atomi de carbon legaţi prin cicluri
naftenice si atomi de carbon în catene parafinice. Aromatele pot avea structuri policiclice legate sau
condensate. Starea lor fizicã, în condiţii standard, este lichidã sau solidã; sunt mai puţin prezente în
hidrocarburi decât cele parafinice sau naftenice.
Compuşii cu sulf sunt prezenţi în ţiţeiuri în cantitãţi variabile. Prezenţa sulfului şi a
compuşilor sãi conduce la mari neajunsuri atât în domeniul producţiei, transportului dar şi în
prelucrarea şi utilizarea produselor rezultate.
Compuşii de sulf se gãsesc în hidrocarburi atât sub forme anorganice (sulf şi hidrogen
sulfurat) precum şi sub formã de combinaţii organice (mercaptani, tiofenoli etc.).Sulful elementar nu se gãseşte în zãcãmânt. La suprafaţã, în contact cu aerul are loc o reacţie
de oxidare a hidrogenului sulfurat rezultând sulf şi apã; atât sulful elementar cât şi hidrogenul
sulfurat au o puternicã acţiune corozivã fapt pentru care ele trebuie eliminate.
Mercaptanii prezenţi în gazele naturale au aceeaşi structurã chimicã ca a alcoolilor numai cã
oxigenul este înlocuit prin sulf. Datoritã puternicului miros care îl degajã, ei sunt folosiţi în
distribuţia gazelor pentru marcarea scurgerilor de gaze.
Azotul intrã în componenta ţiţeiurilor în cantitãţi ce nu depãşesc 1 %. Cantitãţi mai mari segãsesc în gazele naturale. Structura compuşilor cu azot este puţin cunoscutã. Analiza spectralã a
permis identificarea în ţiţei a unor substanţe complexe cu azot, derivaţi ai parafinei înruditã cu
clorofila din plante şi hemina din sânge.
2. CLASIFICAREA ŢIŢEIURILOR
Metodele de clasificarea a ţiţeiurilor dau posibilitatea unei aprecieri orientative asupra calitãţii
lor. Unele metode au la bazã criterii legate de compoziţia chimicã, iar altele, criterii tehnologice,
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 8/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
6 Capitolul 1
indicând posibilitatea de prelucrare şi de utilizare a principalelor produse ale acestuia.
Metodele de clasificare a ţiţeiurilor se pot baza, în unele cazuri, pe predominanta unor clase
de hidrocarburi. Unele dintre acestea au un caracter tehnic şi comercial, furnizând numai date
calitative asupra ţiţeiului. Alte metode de clasificare chimicã au la bazã distribuţia atomilor de
carbon în structuri parafinice, naftenice şi aromatice.
Una din cele mai complete metode de clasificare aste clasificarea "Carpaticã" elaboratã de
profesorul C. Creangã care a activat în cadrul actualei Universitãţi Petrol-Gaze Ploieşti. Ea are la
bazã fondul de hidrocarburi din ţiţei, exprimat prin indici de sulf, conţinut de cearã, conţinut de
rãşini şi asfaltene şi procent de distilat pânã la 200oC, care definesc grupele de ţiţeiuri.
În transportul ţiţeiului prin conducte intereseazã în mod deosebit clasificãrile tehnologice.
1. Clasificarea dupã densitate (tabelul 1.1)
Aceasta este cea mai veche clasificare, încã utilizatã. Se bazeazã pe observaţia cã o densitatea
scãzutã a oricãrui ţiţei (densitatea API mare) înseamnã o proporţie mai mare de fracţii uşoare,
respectiv o proporţie mai scãzutã de rezidiu. Corelaţia densitãţii cu caracterul chimic al ţiţeiului este
datã în tabelul 1.2.
Dupã aceastã clasificare, ţiţeiurile pot aparţine claselor: ţiţeiuri uşoare, medii, grele.
Tabelul 1.1. Clasificarea ţiţeiurilor dupã densitate:
Densitate relativã la 15oC (kg/m3) Densitate la 60o (oAPI) Clasa ţiţeiului
0,854 34 uşor (light)0,854 - 0,933 34 – 20 mediu (medium)
0,933 20 greu (heavy)
Clasificarea dupã densitate aste arbitrarã; ea nu are valoare din punct de vedere chimic şi nici
suport tehnologic dar este utilizatã pentru a diferenţia ţiţeiuri din aceeaşi sursã.
Tabelul 1.2. Corelarea orientativã a caracterului chimic al ţiţeiului cu densitatea
Caracterul chimic al ţiţeiului Densitatea relativã
Parafinos 0,815 - 0,830Mixt 0,836 - 0,855
Naftenic 0,860 - 0,955
2. Clasificarea dupã temperatura de congelare
Ţiţeiurile sunt împãrţite în trei clase: A, B si C şi apoi subîmpãrţite în mai multe subclase şi
tipuri. Criteriul de împãrţire în cele trei clase menţionate îl constituie temperatura de congelare a
pãcurii obţinutã la distilarea atmosfericã:
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 9/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 1 7
Clasa A este un ţiţei neparafinos (asfaltos) al cãrui rezidiu DA (pãcurã) are temperatura de
congelare sub -15oC, iar conţinutul în parafinã este sub 1 %. Ţiţeiurile din clasa A se subîmpart în
patru categorii:
A1 - ţiţei octanic, uleios - având benzina uşoarã (60 % la 100oC, final 155oC) cu CO > 70 si
pãcurã adecvatã producerii de uleiuri cu temperatura de congelare coborâtã;
A2 - ţiţei octanic, neuleios - având benzina uşoarã (60 % la 100oC, final 155oC) cu CO > 70 si
pãcurã improprie producerii de uleiuri
A3 - ţiţei neoctanic, uleios - având benzina uşoarã cu CO < 70 şi pãcurã adecvatã producerii
de uleiuri;
A4 - ţiţei neoctanic, neuleios - având benzina uşoarã cu CO < 70 şi pãcurã improprie
producerii de uleiuri.
La rândul lor ţiţeiurile din categoriile A1, A2, A3, A4 se subîmpart în trei subtipuri dupã
proporţia de benzinã uşoarã (60 % la 100oC, final 155oC): a - cu minim 10 % benzinã uşoarã; b - cu
5 - 10 % benzinã uşoarã; c - cu maxim 5 % benzinã uşoarã.
Clasa B este un ţiţei semiparafinos al cãrui rezidiu de la DA are temperatura de congelare
cuprinsã între -14oC şi +19oC, iar conţinutul în parafinã este cuprins între 1…4%.
Clasa C este un ţiţei parafinos al cãrui rezidiu de DA are temperatura de congelare mairidicatã de +19oC, conţinutul în parafinã fiind mai mare de 4 %.
Ţiţeiurile B şi C se împart la rândul lor în trei tipuri dupã proporţia de benzinã totalã (final
185oC): d - cu minim 20 % benzinã; e - cu 15 - 20 % benzinã; f - cu maxim 15 % benzinã.
Aceastã clasificare este prezentatã sintetic în tabelul 1.3. Aceastã clasificare, utilizatã în
prezent în rafinãrii, dã informaţii numai cu privire la randamentul de benzinã şi nivelul ei octanic
precum şi la calitatea rezidiului apt sau nu pentru producerea de uleiuri. Neajunsurile importante
derivã din faptul cã nu se dau nici un fel de informaţii asupra altor produse importante cum ar fi petrol, motorinã etc.
În practicã, substanţele au fost împãrţite în funcţie de selecţionarea fãcutã în scopuri practice
dupã zona din care provin sau dupã scopul în care sunt utilizate, de exemplu:
A1 special (pentru benzinã având CO > 74);
A3 special (pentru fabricarea de uleiuri sau bitum);
B special (pentru bitum);
C special (pentru parafinã sau pentru uleiuri).În acest mod clasificarea a devenit atât de "stufoasã" încât nu îşi mai atinge scopul pentru care
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 10/140
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 11/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 1 9
Tabelul 1.4. Coeficientul de corecţie (a) în formula de calcul a densitãţii produselor petroliere lichide
d 204 A d
204 A
0,7000-0,7099 0,000897 0,8500-0,8599 0,0006990,7100-0,7199 0,000884 0,8600-0,9699 0,0006860,7200-0,7299 0,000870 0,8700-0,8799 0,0006730,7300-0,7399 0,000857 0,8800-0,8899 0,0006600,7400-0,7499 0,000844 0,8900-0,8999 0,0006470,7500-0,7599 0,000831 0,9000-0,9099 0,0006330,7600-0,7699 0,000818 0,9100-0,9199 0,0006200,7700-0,7799 0,000805 0,9200-0,9299 0,0006070,7800-0,7899 0,000792 0,9300-0,9399 0,0005940,7900-0,7999 0,000778 0,9400-0,9499 0,0005810,8000-0,8099 0,000765 0,9500-0,9599 0,0005670,8100-0,8199 0,000752 0,9600-0,9699 0,0005540,8200-0,8299 0,000738 0,9700-0,9799 0,000541
0,8300-0,8399 0,000725 0,9800-0,9899 0,0005220,8400-0,8499 0,000712 0,9900-1,0000 0,000515
Densitatea amestecurilor de produse petroliere, când se cunosc proprietãţile componenţilor, se
poate calcula cu relaţia
n
i
, ,iam d V d
1
1529315277100
1. (1.4)
Densitatea relativã a fracţiilor înguste (10….20oC) poate fi calculatã cu relaţia
nmT
d
100
15,29315,277 (1.5)
Pentru ţiţeiurile neparafinoase = 0,722 si n = 0,13, T m fiind temperatura medie ponderatã.
Variaţia densitãţii cu presiunea se poate determina cu relaţia
,e 00
p p (1.6)
sau prin dezvoltarea în serie
,1 00 p p (1.7)
relaţie valabilã pânã la presiuni de 500 bar. În aceastã relaţie este coeficientul de compresibilitate.
2. Vâscozitatea ţiţeiurilor . Ca şi la alte lichide, aceasta poate fi calculatã cu relaţia C.Walther
(A.S.T.M.)
,log8,0loglog T B A (1.8)
de unde rezultã
8,010 )log(10 T B A (1.9)
şi
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 12/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
10 Capitolul 1
,310 (1.10)
prin convertire din cSt în cP.
În relaţiile de mai sus: - vâscozitatea cinematicã (cSt); T - temperatura absolutã (K); -
vâscozitatea dinamicã (cP); - densitate (kg/m3); A, B - constante.
Dacã se cunosc valorile a douã vâscozitãţi cinematice ( 1 şi 2) la douã temperaturi diferite
(T 1 şi T 2), constantele A şi B se pot determina din relaţiile:
1
2
1
2
log
8,0log
8,0loglog
T
T B
(1.11)
22 log8,0loglog T B A (1.12)
Domeniul de valabilitate al acestei relaţii este 40…110oC, erorile fiind minime fatã de valorile
experimentale. În intervalul de temperaturã (-100C...+160oC) recomandãm relaţia Makhija şi Stairs
'
''log
T T
B A
,
' T T
' B' A
10 (1.13)
în care valorile parametrilor sunt urmãtoarele: A' = 1,5668; B' = 230,298; T ' = 147,797.
3. Punctul (temperatura) de congelare. Acesta reprezintã temperatura maximã la care ţiţeiul aflat
într-o eprubetã nu-şi schimbã meniscul prin înclinarea acestuia la 45o fatã de orizontalã, timp de un
minut. Valoarea acestei temperaturi depinde de conţinutul în parafine, crescând cu creşterea acestui
conţinut dar şi cu cantitatea de uleiuri aflate în ţiţei.
Valoarea punctului de congelare determinatã în laborator este valoarea limitã luatã în
proiectarea unui sistem de transport; aceastã valoare nu are nici o legãturã cu fenomenul depunerii
parafinei solide pe pereţii conductei, depunere care are loc şi la temperaturi mult mai mari decât cea
a punctului de congelare. Punctul de congelare este o caracteristicã fizicã neaditivã de aceea acesta
nu poate fi calculat prin relaţii matematice. H.Maurin a reuşit sã stabileascã nişte indici de amestec
care au reuşit sã liniarizeze urmãtoarele caracteristici: punctul de congelare, punctul de inflamare şi
vâscozitatea. Experimentele de la CHIMPEX Constanta au arãtat cã pentru ţiţeiurile fãrã aditivi
eroarea este de 20C. Indicii de amestec în funcţie de punctul de congelare şi respectiv de viscozitate
sunt redaţi în tabele.
Tabelul 1.5 redã corespondenta între unitãţile de vâscozitate cinematicã, oE - cSt (STAS 1666
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 13/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 1 11
- 73), iar tabelul 1.6 valorile vâscozitãţilor maxime ale lichidelor pompabile funcţie de temperatura
solului si diametrul conductelor recomandate de cãtre S.C.CONPET S.A. Ploieşti.
Tabelul 1.5. Conversia din unitãţi de vâscozitate cinematicã în unitãţi de vâscozitate Engler
cSt E cSt E cSt E cSt E2,00 1,119 6,75 1,543 18,50 2,70 48 6,372,10 1,129 7,00 1,546 19,00 2,75 50 6,622,20 1,140 7,25 1,586 19,50 2,81 55 7,282,30 1,150 7,50 1,608 20,00 2,87 60 7,932,40 1,160 7,75 1,630 20,50 2,92 65 8,582,50 1,169 8,00 1,651 21,00 2,98 70 9,232,60 1,179 8,25 1,673 21,50 3,04 75 9,892,70 1,189 8,50 1,696 22,00 3,10 80 10,542,80 1,198 8,75 1,718 22,50 3,16 85 11,202,90 1,207 9,00 1,740 23,00 3,22 90 11,86
3,00 1,217 9,25 1,763 23,50 3,28 95 12,513,10 1,226 9,50 1,785 24,00 3,34 100 13,173,20 1,235 9,75 1,808 24,50 3,40 105 13,833,30 1,244 10,00 1,831 25,50 3,52 110 14,483,40 1,253 10,20 1,849 26,00 3,58 120 15,803,50 1,262 10,40 1,868 26,50 3,64 130 17,113,60 1,271 10,60 1,886 27,00 3,70 135 17,773,70 1,280 10,80 1,906 27,50 3,76 140 18,433,80 1,289 11,00 1,924 28,00 3,82 145 19,083,90 1,298 11,20 1,942 28,50 3,88 150 19,744,00 1,307 11,40 1,961 29,00 3,94 160 21,064,10 1,315 11,60 1,980 29,50 4,00 170 22,374,20 1,324 11,80 1,999 30,00 4,07 180 25,00
4,30 1,333 12,00 2,020 31,00 4,19 190 25,004,40 1,341 12,50 2,070 32,00 4,32 200 26,304,50 1,350 13,00 2,120 33,00 4,44 210 27,604,60 1,359 13,50 2,170 34,00 4,57 220 28,904,70 1,367 14,00 2,220 35,00 4,70 230 30,304,80 1,376 14,50 2,270 36,00 4,82 240 31,604,90 1,384 15,00 2,320 37,00 4,95 250 32,905,00 1,393 15,50 2,370 38,00 5,08 260 34,205,25 1,414 16,00 2,430 39,00 5,21 270 35,505,50 1,436 16,50 2,430 40,00 5,33 280 36,805,75 1,457 17,00 2,480 42,00 5,59 290 38,206,00 1,479 17,50 2,530 44,00 5,85 300 39,406,25 1,500 18,00 2,590 46,00 6,11
6,50 1,521 2,640Peste 300 cSt (mm2/s) se aplicã relaţia = 7,6 E
Tabelul 1.6. Vâscozitãţi maxime admise în transportul ţiţeiurilor prin conducte
Temperatura la sol, oC 14"+20"+28", oE 24", oE0 3,560 4,0501 3,700 4,3002 3,900 4,7503 4,085 5,0004 4,266 5,1505 4,600 5,3506 4,828 5,750
7 5,080 6,1008 5,435 6,4509 5,680 6,850
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 14/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
12 Capitolul 1
10 6,090 7,40011 6,473 7,75012 6,888 8,100
13 7,333 8,60014 7,760 9,15015 8,357 9,80016 8,857 10,50017 9,392 11,20018 9,928 12,00019 10,464 12,80020 11,000 = 80 cSt 13,700 = 100 cSt
Punctul de congelare se ia cu 7 mai mic decât temperatura solului.
4. Cãldura specificã masicã. Pentru ţiţeiurile şi fracţiile de hidrocarburi în stare lichidã aceasta se
poate evalua cu relaţiile:
C.S. Cragoe:204
38,35,762
T c
; (1.14)
W.R.Gambil :1515
4,31685
T c
(1.15)
Se pare cã experimentele au dovedit cã relaţia lui Cragoe dã rezultate mai bune.
5. Conductivitatea termicã. Aceasta reprezintã fluxul de cãldurã care poate trece prin unitatea de
suprafaţã pe o distantã de un metru. Ea variazã în intervalul (0,05…0,3) W/mK.
Cu un grad redus de eroare, aceastã valoare poate fi calculatã cu relaţia
15,29315,277
51031,6134,0
T . (1.16)
Pentru roci (soluri), conductivitatea termicã poate fi estimatã prin
675,127
2,251
T . (1.17)
6. Coeficientul de dilatare volumicã. Acesta reprezintã creşterea de volum a lichidului, la presiune
constantã, datoritã creşterii temperaturii.
Valoarea sa pentru ţiţei se poate aproxima cu relaţia experimentalã
T
2204
204 596563402583
1. (1.18)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 15/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 1 13
1.2. UNELE PROPRIETÃŢI ALE PRODUSELOR PETROLIERE
1. CONSIDERAŢII GENERALE
Dupã cum s-a afirmat petrolul sau ţiţeiul brut este un produs natural lichid, de culoare galben
închisã pânã la negru, constituit din hidrocarburi, din compuşi cu oxigen, sulf şi azot, compuşi cu
caracter asfaltic, urme de compuşi organometalici şi sãruri. Prin fracţionare el se separã în: gaze
sãrace, gaze bogate, gazolinã, benzinã, petrol lampant, motorinã, uleiuri parafinice, bitum, etc. care
ar putea fi prezentate astfel:
combustibili gazoşi care constau din gaze naturale şi gaze "reziduale" din procesul de
prelucrare al petrolului;
gazele lichefiate, constituite din butan şi procente mai mici de propan, utilizate drept
combustibil denumit "aragaz";
benzinele, caracterizate prin cifra octanicã (C.O.=75-100) şi distilare (40o –185oC);
petrolul reactor, combustibilul motoarelor cu reacţie al avioanelor, caracterizat prin domeniul
de distilare (65o – 290oC) şi temperatura de congelare scãzutã (sub – 50oC);
petrolul lampant , care serveşte în general la iluminat sau în scopuri casnice;
motorina, combustibilul motoarelor diesel, se caracterizeazã prin cifra octanicã şi prin
conditiile de distilare (min. 85 - 90% la 350oC);
combustibili distilati, se consumã în arzãtoare pentru încãlzitul rezidenţial;
combustibili reziduali, de focare, se ard în cuptoarele industriale şi în cazanele
termocentralelor, având un domeniu de distilare peste 330oC – 360oC şi caracterizându-se
mai ales prin vâscozitate;
cocsul de petrol, este utilizat ca atare, drept combustibil casnic şi industrial;
uleiurile lubrefiante şi unsorile consistente, pentru motoare, uleiurile industriale şi uleiurile
speciale pentru maşini şi mecanisme, fac posibilã funcţionarea pieselor în contact, cu
frecãri reduse, deci cu consum de energie redus. Se produc într-o largã paletã de calitate.
2. PROPRIETÃŢI
1. Masa molecularã. La amestecurile de compoziţie cunoscutã, masa molecularã medie M se
calculeazã cu relaţia
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 16/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
14 Capitolul 1
,sau
1
1
1
n
i i
i
n
i
in
i
ii
M g
g
M x M M (1.19)
în care: M i este masa molecularã a componentului i; xi este fracţia molarã a componentului i şi g i
este fracţia masică a componentului i.
2. Densitatea. Densitatea este o proprietate importantã, care intervine în procesele de transfer de
cãldurã, masã şi moment, iar cunoasterea ei în condiţiile variaţiei de temperaturã şi presiune este
absolut necesarã în proiectarea sistemului de transport.Pentru hidrocarburi pure, variatia densitãţii cu temperatura poate fi exprimatã cu urmãtoarea
relaţie
,)()( 20044
0 t t bt t ad d t t (1.20)
în care: T este temperatura la care se cere valoarea densitãţii; T 0 este temperatura la care este datã
densitatea; iar a, b sunt constante, calculate prin regresie, plecând de la densitãţi obţinute pe cale
experimentalã.
Pentru produsele petroliere se foloseste relaţia),20(0
44 T C d d t t (1.21)
în care "C " este factorul de corecţie cu temperatura prezentat în STAS 35-81.
Densitatea lichidelor este influenţatã, în micã mãsurã, de presiune; efectul acesteia se face
simţit la temperaturi mari, caz mai rar întâlnit în transportul produselor petroliere.
3. Vâscozitatea. Vâscozitatea dã indicaţii asupra frecãrii interne a lichidelor (transfer de impuls
între strate adiacente) şi prezintã o importanţã deosebitã în proiectarea instalaţiilor de transport.Majoritatea produselor petroliere sunt considerate fluide newtoniene, la care vâscozitatea este
dependentã numai de presiune şi temepraturã. Fluidele newtoniene se supun legii lui Newton,
conform cãreia
nd
dv (1.22)
unde: este tensiunea tangenţialã,nd
dveste gradientul de vitezã iar este vãscozitatea dinamicã
(absolutã).
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 17/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 1 15
Vâscozitatea cinematicã ( ) este raportul dintre vâscozitatea dinamicã şi densitatea lichidului
la temperatura şi presiunea determinãrii
(1.23)
În mod practic, vâscozitatea fluidelor se mãsoarã în unitãţi convenţionale cu aparate numite
vâscozimetre; în industrie se utilizeazã urmãtoarele unitãţi conventionale: Engler, Redwood,
Saybolt Universal, Saybolt Furol etc.
Transformãrile valorii vâscozitãţii cinematice a unui lichid în sistemele convenţionale mai sus
menţionate sunt urmãtoarele:
din "grade" Engler în cSt:
30
11
0 6,7 E E (1.24)
din "grade" Saybolt în cSt:
S S
195226,0 (pentru intervalul 32-100 secunde) (1.25)
S S
135220,0 (pentru t >100 secunde) (1.26)
din "grade" Redwood în cSt
R R
179260,0 (pentru intervalul 32-100 secunde) (1.27)
R R
50247,0 (pentru t >100 secunde) (1.28)
Vâscozitatea ţiţeiurilor parafinoase se menţine scãzutã, pânã la o anumitã temperaturã, putin
superioarã temperaturii de congelare, dupã care, la scãderea temperaturii, creşte brusc la valori
foarte ridicate. În cazul ţiţeiurilor uleioase, variaţia vâscozitãţii cu temperatura este mai puţinaccentuatã. La temperaturile normale de pompare (20oC – 70oC), vâscozitatea lor este însã
superioarã aceleia a ţiţeiurilor parafinoase.
Explicaţia acestei comportãri rezidã din faptul cã ţiţeiurile parafinoase conţin un procent
ridicat de produse albe de micã vâscozitate dar şi parafinã. Atât timp cât parafina rãmâne în soluţie,
vâscozitatea ţiţeiului este determinatã numai de vâscozitatea componenţilor şi de proporţiile lor
relative. Deci, în aceastã perioadã vâscozitatea ţiţeiului parafinos va fi mai micã şi va creşte încet
când temperatura scade. În momentul când parafina începe sã iasã din soluţie, ca urmare a rãcirii, prezenţa cristalelor de parafinã produce o creştere rapidã a vâscozitãţii. Pe mãsurã ce numãrul de
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 18/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
16 Capitolul 1
cristale creşte, creşte şi vâscozitatea, care ajunge la valori foarte mari pânã când ţiţeiul congeleazã.
În schimb, ţiţeiurile uleioase, conţinând proporţii mai mari de produse negre, vâscoase, vor
avea, chiar la temperaturi ridicate, o vâscozitate mai mare decât a unui ţiţei parafinos. Aceastã
vâscozitate va creşte continuu şi încet atunci când temperatura scade.
În general, atunci când nu sunt date experimentale suficiente, variaţia vâscozitãţii unui produs
petrolier cu temperatura se poate determina cu ajutorul relaţiei lui Walter (1.8).
5. Limitele de explozie. Acestea delimiteazã domeniul în care se produce explozia unui gaz
inflamabil, cuprins între limita inferioarã si limita superioarã, exprimatã în procente în volum de gaz
inflamabil în amestec cu aerul. Limitele de explozie ale unor hidrocarburi, produse petroliere şi altesubstanţe sunt prezentate în tabelul 1.7. Domeniul de explozie se lãrgeşte cu creşterea temperaturii.
Limitele de explozie se restrâng când sunt prezente în amestec gaze inerte.
Tabelul 1.7. Limite de explozie în amestec cu aerul
Hidrocarbura Hidrocarbura în aer , %vol. Hidrocarbura Hidrocarbura în aer , %vol.metan
etan
etilenã
acetilenã propan
n-butan
n-pentan
n-hexan
ciclohexan
n-heptan
n-decan
benzen
5,00 - 15,00
2,00 - 13,00
3,02 - 34,00
2,50 - 80,002,10 - 9,50
1,80 - 8,40
1,40 - 8,30
1,20 - 7,70
1,30 - 8,35
1,00 - 7,00
0,78 - 2,60
1,30 - 7,90
toluen
naftalinã
diclormetan
clorbenzenmetanol
etanol
acetonã
etilenoxid
ebnzinã
petrol
hidrogen
hidrogen sulfurat
1,27 - 7,00
0,90 - 5,90
13,00 -18,00
1,30 - 11,005,50 - 36,50
3,10 - 20,00
2,10 - 13,00
3,00 -100,00
1,30 - 6,00
1,16 - 6,00
4,10 - 74,20
4,30 - 45,20
6. Temperatura (punctul) de inflamabilitate. Aceasta reprezintã temperatura la care o probã de
produs petrolier încãlzitã dã naştere la o cantitate de vapori care formeazã cu aerul un amestec
inflamabil. Temperatura de inflamabilitate caracterizeazã un produs din punctul de vedere al
pericolului de aprindere în timpul depozitãrii sale. Trebuie fãcutã deosebirea între temperatura de
inflamabilitate şi temperatura de aprindere, aceast din urmã fiind temperatura la care lichidul emite
o cantitate suficientã de vapori, care odatã aprinsã continuã sã ardã, fãrã intervenţia unei surse
exterioare de cãldurã.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 19/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 1 17
7. Temperatura (punctul) de congelare. Temperatura de congelare a unui produs petrolier este
aceea la care el îşi pierde mobilitatea, comportându-se ca un corp plastic atunci când este cercetat în
anumite condiţii fixate convenţional. Se considerã ca temperaturã de congelare, aceea la care
aplecând la 450 o eprubetã cu dimensiuni standard, ce conţine lichidul considerat, suprafaţa acestuia
rãmâne imobilã timp de un minut.
Temperatura de congelare a produsului, astfel determinatã în laborator, nu este constantã, ci
depinde de tratamentele termice la care produsul a fost suspus înaintea determinãrii. De aceea,
cifrele temperaturii de congelare, obtinute în laborator, nu pot fi considerate ca absolute.
8. Conductivitatea electricã
Conductivitatea electrică a uleiurilor rafinate, are valori foarte mici. Deoarece mobilitateaionilor este oarecum proporţionalã cu fluiditatea produsului, conductivitatea electricã creşte cu
temperatura, în mãsura în care scade vâscozitatea. De asemenea, conductivitatea creşte prin
oxidarea produsului iar creşterea este mai mare în prezenţa sãrurilor, acizilor organici, decât a
acizilor corespunzãtori.
9. Constanta dielectricã (permitivitatea relativã). Constanta dielectrică este raportul dintre
capacitatea unui condensator la care spaţiul dintre electrozi şi din jurul acestora este umplut înîntregime cu produsul petrolier şi capacitatea aceluiaşi condensator considerat în vid (capacitatea
condensatorului în aer poate înlocui, cu suficientã precizie, capacitatea condensatorului în vid).
Valoarea permitivitãţii relative a produselor petroliere uzuale scade la creşterea temperaturii, dar
variaţia este micã în domeniul de lucru.
3. EXEMPLIFICÃRI ALE VALORILOR PROPRIETÃŢILOR PRODUSELOR PETROLIERE
1. Gaze lichefiate. Gazele petroliere lichefiate provin din gazele naturale sau din cele de rafinãrie şi
sunt, de obicei, constituite din propan, butan sau din amestecurile acestora. Ele se obţin prin
fracţionarea gazolinei brute rezultatã la degazolinarea gazelor naturale bogate în hidrocarburi mai
grele decât etanul. În general, gazele lichefiate destinate uzului casnic nu conţin hidrocarburi
nesaturate, pentru a evita depuneri la arderea lor şi mirosul neplãcut.
De obicei se discutã de patru tipuri de gaze lichefiate, de la propan pânã la butan, cu presiunea
de vapori la temperatura de 37,80C de la 4,85 bar pânã la 14,3 bar. În România se produce un tip de
gaz lichefiat care conţine practic numai butan (maxim 12% propan si 1% pentan).
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 20/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
18 Capitolul 1
Tabelul 1.8. Caracteristicile principale ale hidrocarburilor care se pot gãsi în gazele naturale şi de rafinãrie
Hidrocarbura Masa
molecularã
Punct de
fierbere,oC Densitatea la 15,6 oC şi presiunea atmosfericã
g/l Aer = 1metan
etilenã
etan
propilenã
propan
butadienã-1-2
butadienã-1-3
butenã-1
cis-butenã-2
trans-butenã-2
izo-butenã
n-butan
izo-butan
16,043
28,054
30,068
42,081
44,097
54,088
54,088
56,108
56,108
56,108
56,104
58,124
58,124
-161,5
-103,7
-88,6
-47,7
-42,1
10,9
-4,4
-6,3
37,0
0,9
-6,9
-0,5
-11,7
0,6786
1,1949
1,2795
1,8052
1,8917
2,3451
2,3491
2,4442
2,4543
2,4553
2,4442
2,5320
2,5268
0,5547
0,9768
1,0460
1,4757
1,5464
1,9172
1,9203
1,9981
2,0063
2,0063
1,9981
2,0698
2,0656
Pe baza compoziţiei hidrocarburilor componente (tabelul 1.8) se pot calcula caracteristicile
diferitelor amestecuri. De obicei, în gazele lichefiate metanul este absent, etanul sub formã de urme
iar pentanul sub 1%. Compoziţia gazelor lichefiate se poate determina prin distilare fracţionatã sau,mai practic, prin cromografie.
2. Solvenţi, combustibili casnici, petrol lampant. Solvenţii petrolieri sunt constituiţi din fracţiuni
obţinute la distilarea atmosfericã a ţiţeiului sau a gazolinei din schelã şi din procesele de prelucrare
a hidrocarburilor. Proprietãţile principale ale solvenţilor sunt: curba de distilare, vâscozitatea,
culoarea, rezistenţa la oxidare, conţinutul de sulf.
Vâscozitatea este în general micã şi creşte cu temperatura de distilare: la -18oC valoarea sa în
cazul unei fracţiuni uşoare (35-115oC) este 0,71 cSt, iar pentru white spirit (2,4 cSt; la 15,6oC)
valorile corespunzãtoare pentru cele douã exemple sunt: 0,51 cSt si 1,4 cSt. Petrolul lampant are la
aceleaşi temperaturi 4,7 cSt, respectiv, 2,1 cSt.
Standardizate sunt douã tipuri de combustibili. Primul, pentru uz casnic şi iluminat, trebuie sã
distile cel putin 18% la 200oC si 98% la 280oC, cu înãlţimea flãcãrii fãrã fum de minim 18 mm,
temperatura de tulburare sub -12oC, cu conţinut de sulf sub 0,1%, punct de inflamabilitate peste
38oC, vãscozitate maximã 2,5 cSt la 20oC. Al doilea tip este un produs mai greu, fãrã condiţie
pentru flacãra de fum, fiind folosit pentru ardere în aparate cu evacuare la coş a gazelor arse.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 21/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 1 19
3. Benzine. Benzinele pentru motoarele cu aprindere prin scânteie se pot împãrţi în douã categorii:
pentru motoarele care funcţioneazã la nivelul solului (automobile, ambarcatiuni etc.) şi motoarele
de aviaţie. Benzina provine din procesele de prelucrare a ţiţeiului: distilare atmosfericã, cracare
termicã etc., precum şi din gazolina extrasã din gazele de sondã.
Arderea bruscã a amestecului vapori de benzinã şi de aer în cilindrul motoarelor, care are loc
în urma aprinderii prin scânteie, produce "detonaţia" un fenomen care reduce eficienţa motoarelor.
Autodetonaţia se mãsoarã printr-o unitate convenţionalã numitã cifrã octanicã (C.O.). Ea a
fost stabilitã în raport cu douã hidrocarburi etalon: izooctanul (224 - trimetilpentanul) cãruia i s-a
atribuit cifra octanicã C.O. = 100 şi normal heptanul, care este foarte detonant şi cãruia i s-a atribuit
cifra octanicã zero (C.O. = 0). Cifra octanicã reprezintã procentul în volume de izooctan dintr-unamestec de izooctan şi n-heptan, care are aceeaşi tendinţã la detonatie ca şi combustibilul de
încercat. În România se livreazã partu tipuri de benzine pentru automobile (tabelul 1.9).
Tabelul 1.9. Unele caracteristici ale benzinelor româneşti pentru automobile
Caracteristici
Tipul benzinei
Premium Regular Normalã
I IICifra octanicã, COR 96-98 min.95 min.87 min.75Tetraetilplumb,ml/l,max distilat,% în vol.la0oC,max 0,3 0,6 0,6 -10 70 70 70 79
50 120 125 125 14590 180 180 185 195Punct final 205 205 205 205Perioada de inducţie,min.,max. 600 550 550 300Presiune de vapori, torr,max. 500 500 500 500Sulf, % max. 0,05 0,1 0,1 0,15Gume actuale, mg/100 ml,max 3 3 4 7Conţinut de metanol şi stabilizator, % max. 12 - - -
Tabelul 1.10. Caracteristicile benzinelor pentru automobile comercializate în 15 ţãri europene
Caracteristici Premium Regular
Minimum Maximum Minimum Maximum
Densitate, 6,156,15d 0,7260 0,7741 0,7143 0,7523
Presiune de vapori,bar 0,5000 0,8000 0,5000 0,9300Saturate,%vol. 41,30Olefine, %vol. 0,00Aromatice,%vol. 20,60Conţinut de plumb,g/l 0,12Cifra octanicã:Cercetare,R 96,40Motor,M 85,60
Benzina pentru motoarele de aviaţie este constituitã mai ales din izoparafinice, naftene şi o
micã proportie de aromatice. Aceasta fierbe între temperaturile 30 şi 70oC, nu conţine butan şi are
tetraetilplumb.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 22/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
20 Capitolul 1
În tabelul 1.11. sunt prevãzute patru tipuri de benzinã de aviaţie .
Tabelul 1.11. Unele caracteristici ale benzinelor româneşti pentru aviaţie
Tipul benzinei , COM, min. 76 80 90 95Cifra de performantã, min. - - 115,0 130,0Tetraetilplumb, g/kg, max. - - 2,7 3,3Distilat, % vol. la 0C, max.10% 82 70,050% 105 105,090% 145 145,097% 180 175,0
Toate patru au punctul iniţial de fierbere de minimum 40oC, tensiunea de vapori 220 - 360
torr, temperatura de început de cristalizare max. -60oC, cifra de iod max. 2 mg/100 g, gume actuale
max. 2 mg./100 ml, conţinut de sulf max. 0,05%, coroziune pe cupru negativã.
4. Motorine. În categoria combustibililor Diesel intrã fracţiunea de motorinã rezultatã la distilarea
atmosfericã a ţiţeiului, fracţiunile corespunzãtoare din diferite procese, precum şi fracţiunile grele
sau chiar reziduuri de distilare.
Motorinele sunt constituite din hidrocarburi parafinice, naftenice, aromatice şi mixte, cu
domeniul de fierbere între 200 şi 400oC.
Absenţa apei şi a impuritãtilor solide, cu un conţinut cât mai mic de sulf, adicã puritatea, este
o caracteristicã deosebit de importantã pentru funcţionarea motorului.
Numeroasele motorine utilizate drept combustibil se pot încadra în trei tipuri principale
(tabelul 1.12).
Tabelul 1.12. Tipurile şi caracteristicile combustibililor diesel conform specificaţiei ASTM D 975-78
Caracteristici 1-D 2-D 4-DPunct de inflamabilitate,0C min. 38,00 52,00 55,00Apã şi sediment, % în volum max. 0,05 0,09 0,50Cifra de cocs (la reziduu de 10%) %max. 0,15 0,35 -
Cenusã, % max. 0,01 0,01 0,10Distilare ASTM:
90% distilatã la: 0C min - 282,00 -0C max 288,00 338,00 -
Vâscozitatea la 400C, cSt 1,30-2,40 1,90-4,10 5,50-24,00Sulf, % max. 0,50 0,50 2,00Coroziunea lamei de Cu nr.3 nr.3 -Cifra cetanicã, min. 40,00 40,00 30,00Punct de tulburare Se specificã în funcţie de temperatura ambiantã din diferite zone ale ţãrii
Tipul 1-D este un distilat relativ volatil, destinat pentru motoarele rapide, care funcţioneazã cu
schimbãri frecvente de vitezã şi sarcinã, tipul 2-D este un distilat de volatilitate joasã, pentru
motoare de serviciu industrial sau mobil greu, iar tipul 4-D pentru motoare cu viteze mici sau medii.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 23/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 1 21
5. Uleiuri (lubrefiante şi cu utilizãri diverse)
Uleiurile sunt cele mai numeroase şi mai variate dintre produsele petroliere prin compoziţia,
proprietãţile şi prin întrebuinţãrile lor.
Pentru uleiurile industriale, I.S.O. a elaborat o clasificare bazatã pe vâscozitatea la 400C,
temperatura cea mai apropiatã de condiţiile de exploatare.
Uleiurile de motoare sunt clasificate dupã vâscozitate şi dupã tipul serviciului. Clasificarea
SAE, este practic singura acceptatã în prezent, pentru caracterizarea sistematicã a acestor uleiuri,
dupã vâscozitatea lor în funcţie de temperaturã (tabelul 1.13).
Tabelul 1.13. Clasificarea SAE a uleiurilor pentru motoarele autovehiculelor
Clasa SAE Vâscozitatea maximã la -180C,cP*)
Vâscozitatea la 1000C, cSt
minimã maximã
5 W10 W15 W20 W
20304050
125025005000
10000----
3,84,15,65,65,69,3
12,516,3
----
9,312,515,321,9
*)vâscozimetru "Cold Cranking Simulator"
Se observã valorile pentru vâscozitatea aparentã la -18oC a uleiurilor de iarnã (W),
determinatã cu aparatul "Cold Cranking Simulator" si exprimatã în cP. Noua clasificare SAE (1982)
cuprinde zece clase din care şase clase W, cu condiţii pentru pompabilitatea sub 0oC.
Uleiurile pentru transmisiile mecanice (angrenaje) ale autovehiculelor sunt mai vâscozse
decât cele de motoare. Din punct de vedere al vâscozitãţii, uleiurile respecutive se încadreazã cel
mai bine în clasificarea SAE adoptatã şi de STAS 871-81 (tabelul 1.14).
Tabelul 1.14. Clasificarea SAE a uleiurilor pentru transmisiile mecanice ale autovehiculelor
Clasa SAETemperatura maximã pentru
1500 P,0C
Vâscozitatea la 1000C, cSt
minimã maximã
75 W80 W85 W
90140250
-40-26-12
---
4,17,0
11,013,524,041,0
---
2441-
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 24/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
22 Capitolul 1
1.3. PROPRIETĂŢILE GAZELOR NATURALE
Gazele naturale sunt hidrocarburi uşoare parafinice (alcani), care în condiţii normale de
presiune şi temperatură se află în stare gazoasă. Gazele neasociate, pentru care se utilizează de
obicei denumirea de gaze naturale, sunt hidrocarburi gazoase care se găsesc sub formă de gaze
libere în condiţiile iniţiale de presiune şi de temperatură ale unui zăcământ care nu conţine petrol.
Gazele asociate sunt definite ca hidrocarburi gazoase ce se găsesc sub formă de gaze libere,
în condiţii de zăcământ şi în contact cu o zonă saturată cu petrol din care se produce sau se poate
produce acesta din urmă.
Gazele dizolvate sunt hidrocarburi gazoase care, în condiţii iniţiale de zăcământ, se găsesc
dizolvate în petrol.
Masa specifică a gazelor poate fi definită dacă se precizează condiţiile de presiune şi
temperatură, deoarece volumul gazelor variază în funcţie de acestea. În condiţii normale, respectv
p N = 1,013·105 Pa, T N = 273,16 K, se defineşte masa specifică normală
,V
M
N , M
N (1.29)
exprimată în kilograme pe normal metru cub, M şi V M,N având semnificaţiile precizate anterior. La presiunea p şi temperatura T , gazul are masa specifică
,V / m (1.30)
m fiind masa de gaz şi V – volumul ocupat de acesta.
Starea normală fizică este caracterizată de temperatura normală fizică T N = 273,15 K (0ºC) şi
presiunea normală fizică p N = 101325 Pa = 1,01325105 N/m2 = 1,01325 bar.
Starea standard este caracterizată de temperatura standard T S = 288,15 K (15ºC) şi presiunea
standard pS = p N .Starea normală tehnică este caracterizată de temperatura normală tehnică T n = 293,15 K
(20C) şi presiunea normală tehnică pn = 98066,5 N/m2 = 0,980665 bar.
Densitatea relativă a unui gaz este raportul dintre masa sa specifică şi cea a aerului, în
aceleaşi condiţii
, ,
M
M
M g
a
g
a
g
9728
(1.31)
indicii g şi a referindu-se la gaz, respectiv la aer.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 25/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 1 23
Gazele naturale sunt amestecuri de hidrocarburi gazoase. Cunoscând fracţiile volumice sau
molare ale componenţilor gazului, se poate calcula masa specifică cu
, yV
V
V
m N
iii
N
i i
ii N
i i
iam
111 (1.32)
unde i este masa specifică a componentului i. Aceasta se poate calcula cu
,T R Z
M p
M i
iii (1.33)
iar i Z se determină aşa cum s-a arătat mai înainte. Presiunea parţială rezultă din
p y p ii . (1.34)
De asemenea se poate utiliza şi formula
,T R Z
M p
M am
aam (1.35)
unde a M se calculează cu una dintre formulele (1.13), iar am Z cu formula (1.18).
Vâscozitatea este proprietatea pe care o au fluidele (lichide şi gaze) de a opune rezistenţă
atunci când două straturi adiacente ale fluidului se deplasează cu viteze diferite. Într-un fluid aflat în
mişcare, pe lângă eforturile normale, apar şi eforturi tangenţiale, care se manifestă prin forţe defrecare internă, având tendinţa să frâneze mişcarea şi să împiedice deplasările fluidului, adică să se
opună deformaţiilor.
Vâscozitatea dinamică (absolută) a gazelor () reprezintă proprietatea pe care o au fluidele ca
între două straturi vecine care se deplasează cu viteze diferite să se creeze o forţă care să
încetinească mişcarea stratului mai rapid şi să accelereze stratul mai lent.
Viscozitatea dinamică a gazelor prezintă caracteristica de a scădea atunci când masa molară
creşte. Atunci când presiunea nu depăşeşte 70 bar, viscozitatea creşte odată cu temperatura. Pentru
valori ale presiunii mai mari sau egale cu cea menţionată, curba de variaţie a viscozităţii cu
presiunea prezintă un minim, creşterea pentru valori mai mari ale temperaturii fiind mai puţin
semnificativă.
Se observă că la presiuni foarte mari, viscozitatea scade foarte mult cu temperatura în
domeniul temperaturilor mici, după care rămâne practic constantă. De asemenea, viscozitatea creşte
odată cu presiunea pentru orice valoare a temperaturii, mai accentuat însă pentru temperaturi mai
mici. În domeniul presiunilor inferioare valorii amintite mai sus, viscozitatea dinamică în funcţie de
temperatură se poate determina cu ajutorul formulei
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 26/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
24 Capitolul 1
,23
0
00
T
T
T
C T (1.36)
datorată lui W. Sutherland, în care 0 este valoarea viscozităţii dinamice la temperatura T 0, iar C
este o constantă specifică gazului respectiv (pentru metan C = 198, pentru etan C = 226, pentru
propan C = 318, pentru aer C = 124 etc.).
Pentru determinarea viscozităţii amestecurilor de gaze pot fi folosite metode grafice şi metode
analitice. Ca metode grafice se pot utiliza nomogramele construite de: Bromley şi Wilke, Carr,
Kobayashi şi Burrows etc. Ca metode analitice se pot folosi metodele propuse de Bicher şi Katz,
Herning şi Zipperer etc. Formula empirică propusă de Herning şi Zipperer pentru calcularea
viscozităţii amestecurilor de gaze are următoarea expresie:
n
icriii
n
icriiiiam T M nT M n
11/ , (1.37)
în care ni, M i, T cri şi μi reprezintă: fracţiile volumice în %, masele moleculare, kg/kmol,
temperaturile critice, K şi viscozităţile dinamice, Pa·s.
Pentru amestecuri de gaze, viscozitatea cinematică se determină cu ajutorul formulei
N
i i
i
am
y
1/1 (1.38)
viscozitatea dinamică fiind amamam . Unităţile de măsură pentru vâscozitate în S.I. sunt:
= Ns/m2=Pa.s; 1 cP=10-3 Pa.s; v = m2/s; 1cSt=10-6 m2/s.
Căldura specifică se defineşte pentru gaze în funcţie de natura procesului termic. Există
astfel căldură specifică izobară masică c p J/(kg·K), molară C p,m J/(kmol·K) şi volumică C p
J/(Nm3·K), respectiv căldură specifică izocoră masică cv J/(kg·K), molară C v,M J/(kmol·K) şi
volumică C v J/(Nm3·K). Între aceste două feluri de căldură specifică există relaţiile:
,C
C
C
C
c
c
v
p
M ,v
M , p
v
p (1.39)
unde este exponentul adiabatic şi are valorile: 1,67 pentru gaze monoatomice, 1,40 pentru gaze
biatomice, respectiv 1,33 pentru gaze poliatomice. De asemenea există relaţiile:
.V
C C ,
V
C C ,
M
C c ,
M
C c
N , M
M ,vv
N , M
M , p p
M ,vv
M , p p (1.40)
Între căldurile specifice izobară şi izocoră se pot scrie relaţiile:
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 27/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 1 25
Rcc p v , M M M , p RC C v, . (1.41)
Pentru amestecuri de gaze, se utilizează formulele de exprimare a căldurilor specifice ale
amestecurilor în funcţie de fracţiile componenţilor:
, g cc , g cc N
iii ,vv
N
iii , p p
11 (1.42)
, ycC , ycC N
ii M ,v M ,v
N
ii M , p M , p ii
11
(1.43)
. ycC , ycC N
iii ,vv
N
iii , p p
11 (1.44)
În tabelul 1.15 sunt prezentate principalele proprietăţi fizico-chimice ale hidrocarburilor
gazoase care intră în componenţa gazelor naturale.
Tabelul 1 .15
Caracteristica metan etan propan izobutan Nbutan
Formula chimică CH4 C2H6 C3H8 iC4H10 nC4H10 Masa molară 16 30 44 58 58Masa specifică în condiţii normale kg/m3 0,72 1,34 1,97 2,60 2,60Densitatea relativă în raport cu aerul 0,554 1,038 1,523 2,007 2,007Constanta de gaz perfect, J/(kg·K) 519,62 277,13 188,95 143,34 143,34Căldura specifică în condiţii normaleJ/(kg·K)
2218 1728 1573 1494 1494
Exponentul adiabatic 1,31 1,198 1,161 1,144 1,144Temperatura critică, K 191 306 370 407 425Presiunea critică, bar 44,93 47,67 42,57 37,47 35,02
Solubilitatea este proprietatea gazelor de a se dizolva în lichide. Conform legii lui Henry, la o
anumită temperatură, solubilitatea gazelor în lichide este direct proporţională cu presiunea
, x
x p K N
1 (1.45)
unde N este concentraţia masică a gazului în lichid, p – presiunea la care se produce procesul de
dizolvare, K – coeficientul de solubilitate care depinde de temperatură, x – fracţia masică de gaz
dizolvat. Trebuie menţionat faptul că legea lui Henry nu mai este valabilă la presiuni mari, unde K
nu mai este constant, ci scade mult. Este cunoscut faptul că tensiunea de vapori a componenţilor
unui amestec depinde de temperatură şi de presiune. Influenţa presiunii asupra tensiunii de vapori a
unui component din amestec se numeşte fugacitate.
Legea lui Raoult exprimă dependenţa fugacităţii parţiale a unui component din amestec, ' i f ,
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 28/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
26 Capitolul 1
de fugacitatea acestuia curat la presiunea şi temperatura amestecului, i f şi de concentraţia sa
molară, i x , sub forma
. x f f i' ii (1.46)
Laminarea care se manifestă la curgerea gazelor prin secţiuni înguste (duze, diafragme,
ajutaje etc.), însoţită totodată de scăderea presiunii statice a acesteia, este un proces ireversibil care
se caracterizează prin menţinerea cantitativ constantă a entalpiei (i = ct.).
Joule şi Thomson au demonstrat că laminarea gazelor reale, la curgerea acestora prin duze sau
diafragme, este însoţită totdeauna de scăderea presiunii şi de variaţia temperaturii, fără producere de
lucru mecanic din exterior (destindere izoentalpică). Coeficientul de laminare, denumit şi coeficient Joule – Thomson, ( p,T ) şi se defineşte:
V T
V T
c p
T T , p
ct p pct i
1 (1.47)
unde i este entalpia sistemului; c p – căldura specifică molară la presiune constantă; p, V , T –
parametrii de sistem, presiune, volum şi temperatură.
Variaţia totală a lui T în procesul de laminare izoentalpică pentru o scădere finită a lui T este:
2
1
2
1
dT1
d,21
p
p p p
p
pii pV T
V
c pT pT T T . (1.48)
Dacă ( p,T ) > 0 – laminarea este însoţită de o scădere a temperaturii gazului, deci are loc o
răcire a gazului (T 1 > T 2). Dacă ( p,T ) < 0 – laminarea este însoţită de o creştere a temperaturii
gazului, deci are loc o încălzire a gazului (T 1 T 2), iar dacă ( p,T ) = 0 – laminarea nu mai este
însoţită de o variaţia a temperaturii. În acest punct, gazul real se comportă ca un gaz ideal,
caracterizat de faptul că laminarea este un proces izoentalpic, izotermic, iar punctul respectiv se
numeşte punct de inversiune.
Temperatura corespunzătoare acestui punct se numeşte temperatură de inversiune, T inv. La
temperaturi ale sistemului mai mari decât temperatura de inversiune, T > T inv, laminarea produce o
creştere a temperaturii gazului, deci o încălzire, iar la temperaturi ale sistemului mai mici decât
temperatura de inversiune, T T inv, laminarea produce o scădere a temperaturii gazelor.
Curba de inversiune a efectului Joule-Thomson uneşte stările pentru care ( p,T ) = 0. În
domeniul delimitat de curba de inversiune şi de axa temperaturilor, laminarea are efect de răcire a
gazului, 0, iar în domeniul situat în afara curbei de inversiune, efect de încălzirea gazului, 0.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 29/140
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 2 27
Capitolul 2
TRANSPORTUL LICHIDELOR PRIN CONDUCTE
2.1. SUPORTUL TEORETIC
Punctul de plecare al calculului hydraulic al conductelor de transport lichide îl constituie
ecuaţia
p gz p gz p 22
22
211
21
1 2
v
2
v (2.1)
care se deduce din ecuaţia lui Bernoulli prin introducerea pierderilor de presiune p.
Indicele 1 se referă la secţiunea de intrare în conductă, iar indicele 2 la cea de ieşire.
Coeficienţii Coriolis 1 şi 2 au fost introduşi deoarece ecuaţia a fost scrisă pentru un curent linear,
la care se va face corecţia energetică. Cotele z1 şi z2 se măsoară din centrele secţiunilor respective
până la un plan orizontal care de obicei se consideră a fi nivelul mării.Pentru o conductă cu secţiune transversală constantă, vitezele medii v1 şi v2 sunt egale. Deci,
se obţine
1221 z z g p p p (2.2)
în termenul p înglobându-se atât căderea de presiune longitudinală cât şi pierderile locale; rezultă
aşadar
n
i id
l
p 1
2
.2
v
(2.3)
unde i reprezintă coeficienţii de pierderi locale . Pentru cazul când nu este posibil ca acestea să fie
neglijate, se introduce lungimea echivalentă , dată de expresia
n
ie i
d l
1. (2.4)
astfel că formula (2.3) se scrie
d
l l
p
e
2
v2
. (2.5)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 30/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
28 Capitolul 2
În calculele ulterioare se mai presupune că lungimea l e este inclusă în lungimea totală l . Cu
această observaţie, formula (2.2) devine
12
2
21 2
v z z g
d
l p p m (2.6)
şi se mai poate scrie sub forma
12
221
2
v z z
d
l
g g
p p m
, (2.7)
toate mărimile fiind exprimate în unităţi de lungime.
Mărimea adimensională
d g i m
2
v 2
(2.8)
se numeşte panta hidraulică a conductei şi reprezintă căderea de presiune (în unităţi de lungime) pe
unitatea de lungime a conductei. În loc de viteza medie vm este mai util să se introducă debitul Q,
obţinându-se formulele
1252
2
218
z z g l d
Q p p
, (2.9)
respectiv
1252
221 8
z z l gd
Q
g
p p
. (2.10)
Panta hidraulică are, în acest caz, expresia
52
28
d g
Qi
(2.11)
şi formula (2.10) se poate scrie sub forma
1221 z z l i
g
p p
. (2.12)
Dacă notăm
1221 z z
g
p ph p
(2.13)
se ajunge la formula compactă
l ih p (2.14)care poate fi utilizată în unele calcule.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 31/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 2 29
O formulă echivalentă se obţine dacă se introduce mărimea
gd d
k
2
4
2
(2.15)
numită modul de debit. Cu ajutorul acestei mărimi, formula (2.10) se scrie
122
221 z z l
k
Q
g
p p
(2.16)
sau
l k
Qh p 2
2
, (2.17)
de asemenea utilizabilă pentru simplificarea unor calcule.
Se observă imediat că între panta hidraulică şi modulul de debit există relaţia
iQ
k
2
2 . (2.18)
În câteva cazuri particulare, expresia pentru panta hidraulică poate fi pusă sub o formă care
oferă anumite avantaje în calculele referitoare la unele probleme care vor fi prezentate în cele ce
urmează. Astfel, dacă se ţine seamă de faptul că formula de calcul a lui se mai poate scrie
A
Re
m , (2.19)
în care m=1 pentru regimul laminar (formula lui Stokes), m=0,25 pentru regimul turbulent în
conducte hidraulice netede cu Re<105 (formula lui Blasius) şi m=0 pentru regimul turbulent în
conducte rugoase (formula lui J.Nikuradze). Pentru constanta A aceasta ia respectiv valorile 64 şi
0,3164. Ca urmare, expresia pantei hidraulice devine
m
mm
d
vQ
i
5
2
, (2.20)
unde
g
Amm
24
8, (2.21)
valorile acestei constante fiind 4,153 pentru regimul laminar, 0,0246 pentru regimul turbulent în
conducte hidraulic netede cu Re<105 şi 0,0826. În stabilirea formulelor precedente s-a presupus
implicit că temperatura lichidului transportat este constantă. În realitate, această temperatură variază
de la un anotimp la altul, fapt care atrage după sine şi o variaţie corespunzătoare a vâscozităţii şi a
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 32/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
30 Capitolul 2
masei specifice a lichidului. Din acest motiv, se consideră o temperatură de calcul care este aceea
minimă a solului la adâncimea de îngropare a conductei. În formulele prezentate mai sus sunt
introduse valorile vâscozităţii şi masei specifice care corespund acsetei temperaturi.
2.2. CALCULUL GRAFIC AL CONDUCTELOR
Dacă se scrie formula (2.12) pentru o lungime x de conductă ( x<l ) rezultă succesiv
11
z z xi g
p p
(2.22)
z z g xi g p p 11 , (2.23)
p şi z fiind presiunea, respectiv cota, la distanţa x de intrarea în conductă.
Faptul că presiunea este o funcţie liniară de x permite trasarea unui grafic util în proiectarea
conductelor. Acest grafic se întocmeşte reprezentând în abscisă lungimea conductei, la o scară
convenabil aleasă, iar în ordonată, cotele diferitelor puncte de pe traseu, începând cu cel iniţial şi
terminând cu cel final, la o altă scară (de 100 ori mai mare decât pentru lungimi). Unind apoi
diferitele cote se obţine profilul deformat al traseului conductei (figura 2.1).
Fig. 2.1. Diagrama variaţiei presiunii
în lungul conductei
Pentru trasarea graficului, se consideră cunoscută presiunea p2 din secţiunea finală a
conductei, a cărei valoare este impusă din considerente tehnologice în legătură cu manipularea în
continuare a lichidului transportat. În continuarea cotei z2 a punctului final se trasează un segment
de lungime p2/ g , paralel cu axa ordonatelor şi la aceeaşi scară ca şi cotele.
Separat, se construieşte un triunghi dreptunghic, cu catetele paralele cu axele de coordonate şi
având unghiul dintre ipotenuză şi paralela la axa absciselor dat de relaţia
l
hi parctg.arctg . (2.24)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 33/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 2 31
Determinarea acestui unghi presupune deci calculul prealabil al pantei hidraulice. Lungimile
celor două catete sunt evident arbitrare; pentru uşurarea construcţiei, se fixează lungimea l 1 a catetei
AB , iar lungimea l 2 a catetei AC este atunci tg12 l l . Bineînţeles, lungimea l 2 astfel calculată se
înmulţeşte cu raportul dintre scara ordonatelor şi scara absciselor şi deci în construcţia triunghiului ,
unghiul apare deformat. După ce s-a construit triunghiul abc, din punctul 'B se duce o paralelă la
ipotenuza BC a acestuia. Această paralelă intersectează axa ordonatelor în punctul 'A , iar
segmentul 'AA astfel determinat are lungimea p1/ g . Segmentul de dreaptă 'B'A reprezintă
variaţia presiunii în lungul conductei. Dacă observăm că formula (2.12) permite să se scrie
l i g
p z g
p z 2211 (2.25)
este uşor de verificat corectitudinea construcţiei grafice descrisă mai sus. Determinarea pe această
cale a presiunii de pompare este mai puţin precisă decât cea realizată prin calcul, dar construcţia
grafică prezintă totuşi interes. Astfel, pe această cale, sunt puse imediat în evidenţă unele situaţii
care prin calcul se depistează mai greu. Un exemplu în acest sens este cel din figura 2.2 din care se
observă că presiunea maximă nu este în punctul iniţial (presiunea de pompare), ci în punctul M.
Fig. 2.2. Valoarea maximă a presiunii
din conductă
Tot în figura 2.2 se mai constată că pomparea se poate asigura cu o presiune iniţială astfel
aleasă încât dreapta care indică variaţia presiunii să fie tangentă la profilul traseului în punctul N.Din acest punct şi până în B lichidul curge prin cădere liberă, presiunea din conductă ajungând egală
cu cea atmosferică. În realitate, dreapta care indică variaţia presiunii este paralelă cu tangenta la
profil în punctul N, deoarece în acest punct presiunea din conductă trebuie să fie cea atmosferică. În
continuare, prin cădere liberă lichidul se accelerează şi deoarece debitul este constant, secţiunea
transversală nu mai este plină.
Dacă se doreşte evitarea acestui fenomen, care duce la pierderi prin evaporări, sau dacă
presiunea din punctul final al conductei p2 are o valoare impusă mai mare, dreapta se deplasează însus paralel cu ea însăşi, până ce trece prin 'B .Punctul N se numeşte punct de culme al conductei ; în
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 34/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
32 Capitolul 2
cazul în care există un astfel de punct şi condiţiile de exploatare permit curgerea în continuare prin
cădere liberă, calculul hidraulic se efectuează numai pentru porţiunea AN din lungimea l c numită
lungime de calcul.
Se mai poate întâmpla ca, după ce se determină panta hidraulică şi se trasează dreapta de
variaţie a presiunii să se constate că profilul traseului este de aşa natură încât nu permite obţinerea
debitului indicat de calculul analitic al căderii de presiune.La această situaţie se ajunge atunci când
dreapta variaţiei presiunii intersectează profilul traseului (figura 2.3).
Fig. 2.3.
O soluţie constă în mărirea presiunii iniţiale , ceea ce revine la deplasarea dreptei 'B'A
paralel cu ea însăşi până ce devine tangentă la profil. Problema se rezolvă însă şi altfel şi anume prin
micşorarea pantei hidraulice pe o porţiune a conductei la o valoare i0=tg (i0<i). După cum se va
arăta mai departe, o astfel de scădere a pantei hidraulice se poate realiza fie prin montarea unei
intercalaţii cu diametrul mai mare , fie prin montarea unei derivaţii. Lungimea acestei derivaţii sau
intercalaţii se poate determina uşor pe cale grafică, după ce se calculează panta i0.
Astfel dacă se trasează din punctele 'A şi N câte o parelelă la ' bc şi din punctul N o paralelă
la 'B'A , se obţin punctele de intersecţie R şi S. Prin urmare, între ;'A şi N, presiunea poate varia
fie după dreptele R 'A şi RN, fie după dreptela S'A şi SN. Rezultă de aici două aşezări posibile
pentru intercalaţie sau derivaţie, dintre care este preferabil să se aleagă cea din zona în care
presiunea în conductă este mai mică, pentru a putea utiliza ţevi cu pereţi mai subţiri. Lungimea
întercalaţiei sau a deviaţiei se obţine în proiecţiile de pe axa absciselor 'r 'a sau 'n's 'n's'r 'a .
Precizăm însă că la o conductă nou construită este preferabil să nu se recurgă la intercalaţii
sau la deviaţii, care pot produce unele dificultăţi în exploatare. Dacă nu este posibil să se mărească
presiunea iniţială, se poate recurge la alegerea unui diametru interior mai mare pentru toată
conducta, realizându-se astfel o micşorare a pantei hidraulice, prin care este posibilă transportarea
debitului prevăzut.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 35/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 2 33
2.3. CALCULUL CONDUCTELOR COMPLEXE
Conductele pentru care l /d 50 au fost denumite conducte lungi. La acestea, pierderile de
presiune locale sunt neglijabile faţă de cele lineare. Celelalte conducte care au l /d <50 au fost
denumite conducte scurte şi la acestea pierderile locale de presiune pot fi mult mai mari decât cele
lineare. După importanţa legăturilor pe care le asigură şi după funcţia pe care o îndeplinesc,
conductele se împart în conducte auxiliare, conducte locale şi conducte magistrale.
Conductele auxiliare sunt utilizate în punctele de lucru din interiorul rafinăriilor, parcurilor de
depozitare şi tratare. Conductele locale asigură transportul petrolului brut sau al produselor
petroliere pe distanţe scurte (30-40 Km) la presiuni relativ scăzute (5-25 bar). Conductele magistrale
sunt utilizate la transportul petrolului brut sau al produselor petroliere pe distanţe mari de sute de
kilometri şi funcţionează la presiuni ridicate (20-60 bar). O altă clasificare a conductelor este aceea
în conducte simple şi complexe. Conductele simple sunt formate dintr-un singur fir de ţevi, cu
diametrul interior constant şi având debitul Q de asemenea constant.
2.3.1. Conducte în serie
O conductă în serie este formată dintr-un singur fir de ţevi, alcătuit însă din tronsoane cu
lungimi şi diametre interioare diferite (figura 2.4).
Fig. 2.4Debitul Q fiind acelaşi pentru toată conducta, putem scrie pentru un tronson oarecare i
iii
i
iii z z g l
d
Q p p
152
2
1.8
(2.26)
şi prin însumare obţinem
111
52
2
11.8
z z g l d
Q p p ni
n
i i
in
, (2.27)
respectiv
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 36/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
34 Capitolul 2
in
i i
i
nn
l d
z z g
p p
g Q
15
1111
.2
4 (2.28)
Se poate defini o conductă simplă echivalentă cu conducta în serie care transportă acelaşi
debit Q sub aceeaşi diferenţă de presiune p1- pn+1. Avem deci
1152
2
11.8
z z g l d
Q p p ne
e
en
, (2.29)
unde
n
iie l l 1 , iar d e şi e reprezintă diametrul conductei echivalente şi al acesteia. Putem scrie
51
5
..
e
een
i i
ii
d
l
d
l
, (2.30)
formulă din care se poate calcula diametrul conductei echivalente dacă se cunoaşte regimul de
curgere pentru a se putea introduce expresia corespunzătoare a coeficientului de rezistenţă e.
Dacă utilizăm formula (2.17) putem da rezultatelor precedente o formă mai compactă. Astfel,
pentru un tronson oarecare i, avem:
i
i
pi l k
Qh
2
2
, 11
ii
ii pi z z
g
p ph (2.31)
Prin însumare obţinem
n
i i
i p
k
l Qh
12
2 , (2.32)
adică
1111 nn p z z g p ph (2.33)
2.3.2. Conducte în paralel
Conductele în paralel au lungimi şi diametre diferite ramificându-se dintr-un punct şi
reunindu-se în alt punct (figura 2.5).
Notând cu Qi debitul pe una din cele n conducte (i=1, 2, 3, ..., n), debitul total al sistemului are
expresia
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 37/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 2 35
n
iiQQ
1. (2.34)
Fig.2.5
Pentru fiecare conductă putem scrie
12522
21.8 z z g l
d
Q p p i
i
ii
, (2.35)
presiunile p1 şi p2 ca şi cotele z 1 şi z 2 fiind aceleaşi pentru toate conductele. Din această formulă
rezultă
512
21
.2
4 iii
i d l
z z g
p p
g Q
(2.36)
şi prin urmare, dacă ţinem seamă de (2.12)
n
i ii
i
l
d z z
g
p p g Q
1
5
1221
.2
4, (2.37)
respectiv
122
1
52
2
21
.
8 z z g
l
d
Q p p
n
i ii
i
i
. (2.38)
Atunci când lungimile l i şi diametrele interioare d i ale celor n conducte sunt date şi se
cunoaşte debitul total Q, necunoscutele sunt cele n debite parţiale Qi şi una dintre presiunile p1 şi
p2, cealaltă fiind fixată. În cazul în care amândouă presiunile sunt date, necunoscutele problemei
devin cele n debite parţiale Qi şi debitul total Q. În ambele situaţii, numărul necunoscutelor este
deci n+1 şi coincide cu numărul ecuaţiilor deoarece ecuaţia (2.36) se scrie de n ori şi se adaugă
ecuaţia (2.35).
O soluţie mai simplă a problemei se poate obţine atunci când admitem că în toate cele nconducte regimul de mişcare este turbulent rugos. În acest caz, coeficienţii de rezistenţă i pot fi
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 38/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
36 Capitolul 2
calculaţi cu uşurinţă deoarece depind numai de rugozitatea relativă.
Regimul de mişcare în fiecare conductă nu poate fi stabilit corect decât numai după ce se
calculează numărul lui Reynolds corespunzător. Deoarece valoarea acestuia depinde de debit,
problema este nedeterminată. Soluţia se poate găsi prin încercări, presupunând regimul de mişcare
din fiecare conductă, fapt care permite să se introducă în formule expresia corespunzătoare pentru
coeficientul de rezistenţă i. După ce debitele Qi au fost calculate pe această cale, se verifică dacă
regimul de mişcare a fost ales corespunzător şi în caz contrar se reia calculul.
2.3.3. Conducte cu ramificaţii (colectoare sau distribuitoare)
Conductele cu ramificaţii sunt conducte în serie alcătuite din tronsoane la care nu se schimbă
numai lungimea şi diametrul interior ci şi debitul (figura 2.6). La intrarea în fiecare tronson debitul
creşte în cazul unei conducte colectoare sau scade în cazul unei conducte distribuitoare.
Fig. 2.6
Esenţial pentru calculul hidraulic este faptul că debitul se schimbă, formulele fiind deci
identice pentru ambele situaţii. Pentru un tronson oarecare i (i = 1, 2, ..., n) putem scrie
iii
i
iiii z z g l
d
Q p p
152
2
1.8
(2.39)
şi prin însumare obţinem
111
5
2
211.8
z z g l d
Q p p ni
n
i i
iin
. (2.40)
Dacă se cunoaşte presiunea p1, presiunea la sfârşitul unui tronson oarecare m rezultă din
formulă
2118
m p p 11
15
2 . z z g l
d
Qmi
m
i i
ii
, (2.41)
iar dacă se cunoaşte presiunea pn+1, din formulă rezultă
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 39/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 2 37
2118
nm p p 11
15
2 .
mni
n
i i
ii z z g l d
Q. (2.42)
Dacă pentru fiecare tronson se cunoaşte lungimea, diametrul interior şi debitul, calculul
căderii totale de presiune sau al presiunilor din punctele de ramificaţie nu ridică probleme. Atunci
când conducta are un diametru interior constant d , formula (2.36) devine
111
25211 .
8 z z g l Q
d
g p p n
n
iiiin
. (2.43)
De obicei, sunt cunoscute lungimile tronsoanelor şi debitele respective, diametrele putând fi
alese. Atunci când debitul variază mult de la un tronson la altul, nu este recomandabil, din motive
economice, să alegem un diametru constant. Este indicat ca atunci când debitul creşte de la un
tronson la altul să crească şi diametrele, acesta fiind cazul conductelor colectoare. Invers, atunci
când debitul scade, aşa cum se întâmplă la conductele distribuitoare, apare util să micşorăm
diametrele.
Pentru ca această schimbare a diametrelor să nu se facă arbitrar, se recomandă împărţirea
căderii totale de presiune proporţional cu lungimea fiecărui tronson.
Considerând diferenţa totală de presiune p1- pn+1 dată, pentru tronsonul oarecare i putem scrie
l
p p
l
p p n
i
ii 111
, (2.44)
unde
n
iil l
1 este lungimea totală a conductei. Se observă uşor că în acest caz presiunea dintr-un
punct oarecare m are expresia
1
1
111
m
ii
nm l
l
p p p p , (2.45)
sau
n
mii
nnm l
l
p p p p 11
1 . (2.46)
Prin urmare, dacă în afară de căderea de presiune p1- pn+1 se fixează şi presiunea iniţială p1,
presiunile pm (m=2,3,...,n+1) se calculează cu ajutorul formulei (2.45), iar atunci când se fixează
presiunea finală pn+1 presiunile rezultă din formula (2.46). Odată calculate presiunile în toate
punctele de ramificaţie, din formula (2.41) obţinem
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 40/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
38 Capitolul 2
ii
iiii
i
i
l Q
z z g p p
d 211
2
5 8
.
. (2.47)
Presupunând un anumit regim de mişcare în tronsonul respectiv, putem introduce formula
corespunzătoare pentru coeficientul de rezistenţă i şi determina apoi diametrul interior d i . Cu acest
diametru se verifică regimul de mişcare şi dacă acesta nu a fost ales în mod corespunzător se reface
calculul.
2.4. DETERMINAREA PARAMETRILOR OPTIMI AI CONDUCTELOR
În general, la proiectarea unei conducte sunt cunoscute caracteristicile lichidului, debitul,
traseul şi lungimea conductei şi presiunea finală. Alegerea diametrului fiind oarecum arbitrară se
caută să se asigure varianta care mai favorabilă din punct de vedere economic. Acest obiectiv se
atinge atunci când costul transportului are cea mai mică valoare posibilă. Pentru obţinerea acestei
eficienţe economice maxime este necesar să se determine valorile optime ale principalilor
parametrii care sunt diametrul interior şi grosimea peretelui conductei, presiunea de pompare şinumărul de staţii de pompare.
Această problemă poate fi tratată în mai multe moduri, unele dintre acestea comportând calule
destul de complexe. În cele ce urmează, se vor expune două metode relativ simple care pot fi
utilizate nu mai multă uşurinţă.
1. Metoda comparaţiei variantelor
În această metodă, se consideră câteva variante posibile de conducte, care se disting între ele
prin valoarea diametrului interior. Pentru fiecare dintre acestea se efectuează un calcul complet,detrertminându-se grosimea peretului conductei, presiunea de pompare şi numărul de staţii de
pompare. Diametrele interioare în număr de n, aranjate în ordinea crescătoare d 1,d 2, … , d m sunt
alese după criteriul vitezei medii admisibile pentru fiecare produs transportat.
În continuare, această metodă prezintă mai multe variantă. În prima dintre acestea, criteriul de
optimizare este valoarea costurilor reduse (anuale).
E I AC a , (2.48)
în care I reprezintă costul investiţiei, A – un coeficient de amortizare anuală a acesteia,iar E –cheltuielile anuale de exploatare.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 41/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 2 39
Costul investiţiei se compune din acela al conductei proriu-zise şi acela al staţiilor de pompare
şi poate fi scris sub forma
nbl a I (2.49)
unde a este costul unităţii de lungime de conducta, b costul unei staţii de pompare, l reprezintă
lungima, iar n numărul de staţii de pompare.
În ceea ce priveşte cheltuielile anuale de exploatare E [lei/an], acestea pot fi exprimate cu
următoarea relaţie
s sc sc C R R A A E , (2.50)
în care Ac este amortizarea conductei (lei/an), A s – amoritzarea staţiilor de pompare (lei/an), Rc –
reparaţii curente ale conductei (lei/an), R s – reparaţii curente ale staţiilor de pompare (lei/an), iar C s
reprezintă cheltuielile totale anuale cu staţiile de pompare (lei/an).
Unele ditre aceste cheltuieli depind de parametrii conductei, iar altele nu. Pentru fiecare dintre
cele n variante neconsiderate, se calculează expresia (2.48) a costurilor anuale şi se alege varianta
care conduce la cea mai mică valoare a acestora. În cazul în care două sau mai multe variante sunt
foarte apropiate din acest punct de vedere, alegerea se poate face pe baza unui alt criteriu ca, de
exemplu, consumul cel mai mic de metal sau consumul cel mai mic de energie. În principiu,
numărul n de variante nu trebuie să fie prea mare putând fi limitat la 3 sau 4.
Într-o altă variantă a acestei metode, se consideră separat cheltuielile de investiţie pentru cele
n diametre şi cheltuielile de exploatare conform relaţiei (2.50).
Din şirul de cheltuieli de investiţie se consideră cea mai mică, notată cu i I , cheltuielile de
exploatare corespunzătoare fiind i E . Tot astfel, din şirul de n cheltuieli de exploatare anuale se
consideră cea mai mică, notată cu j E , cheltuielile corespunzătoare de investiţie fiind j I
Fig. 2.7
Cunoscându-se i j I I şi ji E E se pot calcula diferenţele
jii j E E E I I I ; , (2.51)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 42/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
40 Capitolul 2
al căror raport
t E
I
(2.52)
reprezintă timpul, exprimat în ani, în care excesul de cheltuieli de investiţie pe care îl comportă
alegerea varintei j este compensat prin economia la cheltuielile de exploatare. Dacă acest timp este
de 5 sau 6 ani se alege acestă variantă, deoarece conducta va funcţiona în continuare cu cheltuielile
de exploatare cele mai mici. În caz contrar, se alege varianta care asigură cele mai mici cheltuieli de
investiţie.
În sfârşit, într-o altă variantă se calculează pentru cele n diametre costul conductei propriu-
zise C i (i =1,2,…,n), costul staţiilor de pompare S i (i =1,2,..,n) şi cheltuielile anuale de exploatare E i
(i =1,2,…,n). În fiecare dintre aceste trei şiruri de valori va apărea câte o valoare maximă, notată cu
C max , S max , respectiv E max. Cu ajutorul acestora, se calculează coeficienţii:
maxmax
22
max
11 ,.......,,
C
C c
C
C c
C
C c n
n , (2.53)
maxmax
22
max
11 ,.......,,
S
S s
S
S s
S
S s n
n , (2.54)
maxmax
22
max
11 ,.......,,
E
E e
E
E e
E
E e n
n . (2.55)
În continuare, se atribuie cheltuielilor considerate ponderile pc , p s , pe , determinate pe baza
datelor existente de la diferite conducte construite, astfel ca să se obţină
1 e sc p p p . (2.56)
Cu ajutorul acestor ponderi se calculează coeficienţii
),....,2,1( nie p s pc ph iei sici , (2.57)
cel mai mic dintre aceştia corespunzând variantei optime din punct de vedere economic.
Se observă că şi în cazul în când ponderile sunt stabilite cu oarecare aproximaţie, rezultatul
este corect, deoarece eroarea afectează în acelaşi sens toţi coeficienţii.
În cazul în care doi sau mai mulţi coeficienţi au valori egale, alegerea se efectuază pe baza
unor criterii de genul celor amintite mai înainte.
2. Metoda analitică
Pentru calculele de proiectare este mai indicată metoda prezentată mai înainte, în oricare
varinată a ei. Metoda analitică oferă posibilitatea de a se face un studiu mai general al problemei.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 43/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 2 41
Se consideră astfel expresia costurilor reduse (anuale) şi se exprimă fiecare din cei doi termeni
în funcţie de parametrii ce urmează a fi optimizaţi.
),,,(),,,( n pd E n pd AI C a . (2.58)
Cheltuielile de investiţie sau de exploatare care nu depind de diametrul interior al conductei,
de presiunea de pompare p de numărul n de staţii de pompare şi de grosimea a peretelui conductei
nu sunt luate în considerare în expresia precedentă. Parametrii d,p şi n sunt legaţi prin formula
212 )( p z z g gil n p , (2.59)
p fiind presiunea de pompare p s. Această formulă se mai poate scrie
0),,( n pd f , (2.60)deoarece panta hidraulică i depinde numai de diametru dacă debitul Q este fixat. Grosimea a
peretelui conductei este legată de presiune şi de diametru printr-o formulă care va fi stabilită ulterior
şi care se presupune cunoscută.
Minimul funcţiei (2.58) se obţine aplicând metoda multiplicatorului lui Lagrange, adică
formând funcţia
f C a (2.61)
şi calculând derivatele parţiale ale acestuia în raport cu d , p şi n, fiind considerat constant.
Rezolvarea simultană a ecuaţiilor
0,0,0
n pd (2.62)
şi a ecuaţiilor de legătură duce la determinarea valorilor optime ale parametrilor conductei.
În stabilirea expresiei (2.58) apar unle erori inevitabile deoarece exprimarea corectă a
costurilor în funcţie de parametrii ce trebuie optimizaţi este dificilă. De asemenea, valorile optime
rezultate din cacule pot să fie uneori depărtate de cele impuse de condiţiile reale.Metoda analitică nu este însă inutilă deorece dă unele indicaţii utile asupra influenţei reciproce
a parametriilor conductei. Astfel, o dată cu creşterea debitului, presiunea optimă de pompare se
micşorează, numărul staţiilor de pompare creşte, iar diametrul interior optim se măreşte. În cazul în
care creşte presiunea de pompare, scade diametrul interior al conductei şi numărul staţiilor de
pompare. De asemenea mărirea diametrului interior duce la micşorarea presiunii şi la scăderea
numărului de staţii de pompare.
În expresia pantei hidraulice mai intervine şi viscozitatea produsului transportat, atunci cândcoeficientul de rezistenţă depinde de numărul lui Reynolds. În acest caz, se constata că, la o
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 44/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
42 Capitolul 2
creştere a vâscozitaţii corespunde o marire a diametrului interior şi a numarului de staţii de
pompare, respectiv o micşorare a presiunii de pompare.
2.5. APLICAŢII
Aplicaţia 1. O conductă are diametrul interior d =0,2064m şi lungime l =14000m. Se
preconizează transportul prin cădere liberă al unui ţiţei cu vâscozitatea cinematică =4,26.10 -6
m2/s. Ştiindu-se că diferenţa de nivel dintre capetele conductei este z=70m, să se determine
debitul.
Rezolvare.Presupunând că regimul este laminar, coeficientul de rezistenţă are expresia
(2.52) şi după înlocuire, în care nu se cunsideră termenul g
p
2 rezultă
509633,0701026,410014128
2064,081,9z
l128
dgQ
6
44
m3/s.
Cu această valoare a debitului se obţine
7374071026,42064,0
509233,04
d
Q4Re
6
,
ceea ce înseamnă că regimul de curgere este turbulent şi deci aplicarea formulei (2.52) nu este
potrivită. Utilizând pentru formula lui Blasius rezultă
z
d ,l
gd Q
,
, ,
250
25052751
31640
4
8,
adică
3
2506
25052751 10467558270
206401026431640
4
100148
20640819
,
, , ,
, ,Q
,
, ,
şi prin urmare 21023494,3Q m3/s. Cu această valoare a debitului se obţine
468441026,42064,0
1023494,34Re
6
2
ceea ce arată că aplicarea formulei lui Blasius este corectă.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 45/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 2 43
Aplicaţia 2. Un sistem de conducte în paralel este format din două conducte, prima cu
lungimea l 1=900 m şi diametrul interior d 1=0,104 m şi a doua cu lungimea l 2=1200 m şi diametrul
interior d2=0,127 m. Prin acest sistem se transportă petrol brut cu densitatea =800 kg/m3 şi
vâscozitatea cinematică =0,25 10-4 m2/s, debitul total fiind Q =0,080 m3/s. Să se determine
căderea de presiune şi debitele pe fiecare conductă, considerându-se diferenţa de nivel dintre
capetele sistemului egală cu zero.
Rezolvare. Admiţând pentru ambele conducte coeficientul de rezistenţă hidraulică =0,003,
formula (2.38) devine
255
2
2
2
2
52
1
512
2
21
1200030
1270
900030
1040
08080088
,
,
,
.
,
l
d
l
d
Q p p
adică bar.63415 N/m1563427 221 , p p Din (2.36) rezultă
/sm0330
900030800
104010684152
4
2
43
55
1
5121
1 , ,
, ,
l
d p pQ
şi prin urmare
/sm04700330080 312 , , ,QQQ .Se obţin:
16160104,01025,0
033,044Re
41
11
d
Q
18848127010250
0470444
2
22
, ,
,
d
Q Re .
Deoarece Re1<105 şi Re2<105 şi nu s-au dat valorile înălţimii rugozităţilor, putem utiliza
formula lui Blasius care dă
0281016160
3164031640250250
11 ,
,
Re
,.
, , ; 02700
18848
3164031640250250
22 ,
,
Re
,.
, , .
Cu aceste valori se aplică din nou formula (2.36) şi se obţine
255
2
2
21
12000270
1270
90002810
1040
0808008
,
,
,
.
, p p
adică bar.30214 N/m1430168 221 , p p Cu această valoare debitele sunt:
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 46/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
44 Capitolul 2
/sm0326090002810800
104010302142
43
55
1 , ,
, ,Q
; /s.m04740032600800 32 , , ,Q
De aici rezultă
15964104010250
03260441
, ,
, Re ; 19008
127010250
04740442
, ,
, Re
precum şi
0281,015964
3164,0.
25,01 ; 0269,019008
3164,0.
25,02 ,
căderea de presiune fiind deci
255
2
2
21
120002690
1270
90002810
1040
0808008
,
,
,
.
, p p
adică
bar.27214 N/m1427150 221 , p p
Diferenţa dintre această valuare şi aceea calculată anterior fiind foarte mică (sub 2%),
rezultatele cerute sunt:
p1- p2=14,272 bar ;
Q1=0,0326 m3/s ;
Q2=0,0474 m3/s.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 47/140
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 3 45
Capitolul 3
STUDIUL PROCESULUI DE POMPARE A FLUIDELOR
PRIN CONDUCTE
3.1. ALEGEREA TRASEULUI CONDUCTEI
Stabilirea traseului unei conducte trebuie făcută astfel încât să se ajungă la varianta cea mai
favorabilă din punct de vedere economic ţinând seamă atât de valoarea investiţiei cât şi de
cheltuielile de exploatare.
Punctul iniţial şi punctul final al conductei fiind date, traseul unei conducte trebuie să se
apropie , în general, cât mai mult de linia dreaptă care uneşte aceste două puncte.În unele cazuri însă
traseul se abate sensibil de la această linie pentru a trece pe lângă punctele obligatoriu fixate prin
tema de proiectare sau din alte considerente pe care le vom preciza în cele ce urmează.
Punctele obligatorii de trecere pot fi staţii de cale ferată, porturi fluviale, centre de consum
(localităţi şi platforme industriale sau chiar staţii de pompare sau compresoare existente), care pot fi
utilizate şi pentru noua conductă.
În ceea ce priveşte considerentele de altă natură care conduc la abaterea traseului de la linia
dreaptă, acestea sunt
traseul conductei trebuie să evite trecerea peste culmi sau vârfuri prea înalte, căutându-se
trecerea prin pasuri; în felul acesta se uşurează construcţia conductei şi se evită presiuni prea
mari de pompare, în cazul transportului lichidelor;
traseul conductei trebuie să evite unele obstacole naturale a căror trecere este dificilă sau
costisitoare ca, de exemplu lacurile, bălţile, regiunile mlăştinoase, albiile prea largi ale
râurilor;
traseul trebuie să caute puncte de trecere uşoare pentru traversările de drumuri, căi ferate şi
râuri;
traseul trebuie să respecte distanţele de siguranţă, evitând trecerea prin localităţi, prin
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 48/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
46 Capitolul 3
apropierea platformelor industriale, a staţiilor de cale ferată, a podurilor;
prin alegerea traseului trebuie să se permită o amplasare convenabilă a staţiilor de pompare
sau de compresoare, pe un teren cât mai puţin accidentat, sănătos, cu drumuri de acces
convenabile;
traseul trebuie să urmărească, pe cât posibil, apropierea de drumurile existente, ceea ce
uşurează atât construcţia conductei cât şi exploatarea acesteia;
traseul trebuie să evite pantele prea abrupte, terenurile fugitive sau cu seismicitate mare.
Primele studii ale traseului se efectuează pe hartă, de obicei la scara 1/100.000 şi apoi fixarea
în detaliu se face pe hărţi la scara 1/20.000. Urmează recunoaşterea traseului pe teren care conduce
la fixarea definitivă a acestuia. Etapa următoare o constituie ridicarea topografică a traseului şi
pichetarea acestuia.
Este util ca odată cu ridicarea topografică să se efectueze măsurători pentru determinarea
agresivităţii solului şi a naturii acestuia din punct de vedere al posibilităţilor de săpare a şanţului în
care se îngroapă conducta.
Consideraţiile precedente sunt valabile, aşa cum se poate uşor constata, atât pentru conductele
destinate transportului lichidelor câţ şi pentru conductele de gaze.
În ultimul timp au fost dezvoltate metode matematice de alegere a traseului conductei, în
vederea realizării unei alegeri optime din punct de vedere economic.
3.2. STAŢII DE POMPARE
Presiunea necesară transportului petrolului brut sau produselor petroliere se realizează în
staţiile de pompare. Aşa cum s-a precizat la conductele lungi şi cu debite mari nu este suficientă o
singură staţie de pompare. Pe lângă staţia principală, aşezată la intrarea în conductă, mai sunt
necesare una sau mai multe staţii intermediare al căror număr se determină în modul indicat, mai
înainte.
Agregatele de pompare utilizate sunt pompele cu piston sau pompele centrifuge. Alegerea
agregatelor de pompare se efectuează pe baza considerentelor tehnico-economice şi a condiţiilor de
exploatare.
Pompele centrifuge prezintă o serie de avantaje şi anume:
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 49/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 3 47
dimensiuni de gabarit relativ mici la debite mari şi presiuni înalte;
simplitatea cuplării directe a arborelui pompei la un motor cu viteza de rotaţie mare (electric);
cost mai redus, în comparaţie cu pompele cu piston, simplitatea exploatării şi a reparaţiilor;
posibilitatea unei reglări largi a regimului fără oprirea agregatului;
posibilitatea de a se transporta petrol brut care conţine impuritatţi solide;
relativa simplitate a automatizării funcţionării staţiilor de pompare.
Principalele dezavantaje ale pompelor centrifuge sunt:
scăderea rapidă a debitului, a presiunii şi a capacităţii de aspiraţie odată cu creşterea
viscozităţii lichidului pompat;
pornirea mai dificilă deoarece este necesară umplerea pompei pentru evitarea fenomenului de
cavitaţie ;
randamentul relativ scăzut la debite mici ;
un interval relativ redus de funcţionare eficient.
La rândul lor, pompele cu piston au câteva avantaje şi anume:
randament mare, neinfluenţat de viscozitatea lichidului pompat;
presiune de pompare practic independentă de debit ;În schimb, din punct de vedere al utilizării lor la transportul petrolului brut şi al produselor
petroliere prin conducte magistrale, pompele cu piston prezintă mai multe dezavantaje:
dimensiuni de gabarit mari, în special la debite mari;
posibilităţi limitate de reglare a regimului fără oprirea agregatului;
cost relativ ridicat;
condiţii de exploatare mai dificil;
necesitatea montării compensatorilor de pulsaţie a debitului; imposibilitatea de a se transporta petrol brut care conţine foarte puţine impurităţi solide;
dificultatea automatizării funcţionării stărilor de pompare.
Pompele utilizate la transportul petrolului brut şi al produselor petroliere prin conducte
magistrale trebuie să asigure presiuni şi debite mari, să funcţioneze economic, să aibă o fiabilitate
ridicată să fie compacte, de construcţie simplă şi uşor de exploatat.
Din aceste motive, cele mai folosite sunt pompele centrifuge, pompele cu piston putând fi
luate în consideraţie numai pentru transportul fluidelor foarte vâscoase.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 50/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
48 Capitolul 3
De asemenea, pompele cu piston se utilizează la transportul intern, în exploatări, sau la
transportul local, prin conducte relativ scurte şi cu debite mici.
Atunci când sunt folosite pompele centrifuge, pentru a se asigura condiţii normale de
aspiraţie, se montează în special în staţiile principale, pompe de alimentare.
Aceste sunt tot pompe centrifuge care asigură presiunea necesară la aspiraţia pompelor
principale. De obicei se utilizează pompe cu ax verical, antrenate electric şi instalate în vecinătatea
rezervoarelor, pentru asigurarea unor condiţii bune la aspiraţie.
Pentru antrenarea pompelor centrifuge din staţiile de pompare sunt folosite în general
motoarele electrice, dar pot fi luate în consideraţie şi turbinele cu gaze sau motoarele cu ardere
internă. În ceea ce priveşte pompele cu piston, acestea sunt antrenate de obicei cu motoare cu ardere
internă, prin intermendiul unui reductor. În compunerea staţiilor de pompare intră ca părţi principale
parcul de rezervoare, casa pompelor, legăturile interne ale staţiei şi instalaţia de măsură.
Parcul de rezervoare constă dintr-un număr de rezervoare prevăzute cu conducte de umplere şi
golire. Capacitatea rezervoarelor din staţia de pompare trebuie să asigure de obicei transportul timp
de trei zile în cazul întreruperii alimentării staţiei. Pentru cazul în care conducta magistrală este
utilizată pentru transporul succesiv al preoduselor petroliere, capacitatea rezervoarelor staţiei
principale depinde de numărul de cicluri de pompare.
În casa pompelor se află agregatele de pompare care sunt, în prezent în cea mai mare parte a
cazurilor , pompe centrifuge. Aceste pompe funcţionează în general în paralel, trebuind să fie legate
încât să fie posibilă trecerea în rezervă a oricăreia dintre ele fără a se afecta funcţionarea staţiei.
Legăturile interne ale staţiei principale formate din acele conducte care asigră primirea
petrolului brut sau a produselor petroliere şi repartizarea lor în rezervoare, legăturile între
rezervoare, legăturile dintre rezervoare şi pompele de alimentare, dintre acestea din urmă şi pompele
principale şi, în sfârşit, dintre pompele principale şi conducta magistrală.
Instalaţia de măsură curpinde filtre şi debitmetre.
În staţia principală de pompare, la intrarea în conducta magistrală se află montată o instalaţie
de lansare a curăţătoarelor.
În figura 3.1 este reprezentată o schemă tehnologică a unei staţii principale de pompare pentru
petrol brut. Acesta este trimis de la o exploatare, trece prin filtrele 6, unde se curăţă de impurităţi
solide, apoi prin debitmetrele 8 şi, după aceea, prin calviatura 12 în oricare dintre rezervoarele 13.
Din acestea, este aspirat prin claviatura 14 de către pompele de alimentare 10 care il refulează la
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 51/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 3 49
aspiraţia pompelor principale 1. Din conductele de refulare ale acestor pompe, petrolul brut trece
prin regulatorele de presiune 5 şi intră în conducta magistrală.
În schemă mai este figurată staţia de lansare a curăţătoarelor de parafină 4. Cu 3 este notată
casa pompelor principale, cu 7, instalaţia de măsură, cu 11, grupul de pompe de alimentare, iar cu 9,
vanele acţionate electric. Dacă este necesar, se instalează şi rezervoarele 9, de colectare a pierderilor
de la pompele principale.
Figura 3.1
Staţiile intermediare de pompare se deosebesc de staţiile principale în primul rând prin aceea
că parcul de rezervoare are o capacitate mai mică sau poate lipsi complet. În acest ultim caz, nu
există nici pompe de alimentare. De asemenea, staţia pentru curăţătoare este de primire şi de lansare
a acestora.
Toate staţiile de pompare sunt dotate cu instalaţii de primire şi distribuţie a energiei electrice,
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 52/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
50 Capitolul 3
de alimentare cu apă potabilă şi cu apă indistrială, instalaţii pentru combaterea incendiilor şi
canalizări pentru colectarea pierderilor de petrol brut sau produse.Sunt prevăzute legături telefonice
şi radio. Într-o staţie mai există clădiri pentru birouri şi ateliere, locuinţe pentru personal, dacă staţia
este izolată, şi drumuri de aces.
Pentru asigurarea funcţionării staţiilor în condiţii de deplină securitate este obligatorie
înlăturarea tuturor surselor posibile de incendiu, asigurarea unui control continuu al funcţionării
agregatelor de pompare şi al legăturilor, precum şi al posibilităţilor de reglare fără dificultăţi.
3.3. SISTEME DE POMPARE
În funcţie de tipul de agregate de pompare instalate şi de existenţa parcurilor de rezervoare în
staţiile intermediare, pot fi utilizate diferite sisteme de pompare. Astfel un sistem mai vechi este
pomparea prin rezervoarele staţiei (fig. 3.2), care presupune existenţa a două grupuri de rezervoare
în staţiile intermediare. Într-unul din acestea este primit petrolul sau produsul pompat din staţia din
amonte, în timp ce al doilea grup aspiră pompele staţiei. Această metodă permite un control uşor al
cantităţii de produse sosită în staţie, dar comportă pierderi mari prin evaporarea în rezervoare.
Figura 3.2
Un alt sistem este pomparea printr-un rezervor (fig. 3.3) în care lichidul pompat din staţia din
amonte intră într-un singur rezervor de unde este aspirat de pompele staţiei. Şi această metodă
conduce la pierderi importante şi ca urmare nu este recomandată pentru pomparea produselor
volatile.
Figura 3.3
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 53/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 3 51
În sistemul de pompare în rezervor tampon (fig.3.4), lichidul intră din conductă direct în
pompele staţiei intermediare. Intrarea sau ieşirea lichidului din rezervorul tampon se produce numai
atunci când funcţionarea staţiilor de pompare nu este sincronizată. Rezervorul tampon joacă aşadar
rolul unui compensator.
Figura 3.4
La sistemele de pompare din pomă în pompă, rezervoarele nu intervin, lichidul trecând din
conductă direct în pompele staţiei de unde este refulat spre staţia următoare (fig. 3.5). Sistemul
comportă sincronizarea perfectă a funcţionării staţiilor, care se realizează mai uşor atunci când
pentru transport se utilizează pompe centrifuge.
Ca măsură de siguranţă se montează supape de siguranţă pe conductele de aspiraţie ale
pompelor. De asemenea, în conductele de aspiraţie trebuie să existe rezervoare pentru golirea
conductei atunci când este necesar (accidente, reparaţii).
Figura 3.5
Această ultimă metodă este recomandată şi în cazul transportului succesiv deoarece reduce
pierderile suplimentare.
Transportul prin conducte poate fi automatizat integral, mai ales atunci când se utilizează
pompe centrifuge acţionate cu motoare electrice. Automatizarea staţiilor de pompare permite
conducerea de la distanţă a funcţionării lor.
La conductele magistrale, este necesară pentru funcţionarea normală o reglare centrală care să
asigure sincronismul funcţionării staţiilor de pompare. Metoda de regalre trebuie aleasă astfel încât
să fie aplicabilă la pompele cu care sunt înzestrate staţiile.
La pompele centrifuge, reglarea debitului se face de obicei prin manevrarea robinetului de la
refulare sau a aceluia de la aspiraţie. O reglare discontinuă a debitului se poate face prin schimbarea
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 54/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
52 Capitolul 3
numărului de trepte ale rotorului. Modificarea schemei de legare a pompelor, în serie sau în paralel,
poate fi , de asemenea, utilizată pentru reglare.
La pompele cu piston, reglarea debitului se poate face prin schimbarea numărului de rotaţii la
motorul care activează pompa. Reglarea debitului se mai realizează şi prin trecerea lichidului de la
refulare la aspiraţie, procedeu utilizat la pompele centrifuge. O reglare discontinuă, cu salturi mari,
este realizabilă prin schimbarea numărului de pompe în funcţionare.
3.4. DETERMINAREA NUMĂRULUI ŞI AMPLASAMENTULUI
STAŢIILOR DE POMPARE
La conductele de lungime mare şi cu debite ridicate, presiunea de pompare nu se poate realiza
într-o singură staţie aşezată în punctul iniţial al conductei. Pe lângă această staţie principală este
deci necesar să existe una sau mai multe staţii intermediare. În toate aceste staţii se montează pompe
identice, astfel încât presiunile date de staţii sunt egale între ele, având valoarea p s. Dacă se notează
cu p p presiunea de refulare din pompe şi cu p
l pierderile locale de presiune în staţii, rezultă
presiunea disponibilă pentru transport
l p s p p p (3.1)
sau, dacă se exprimă în înălţime de coloană din lichidul transportat
g
p ph
l p s
. (3.2)
Presiunea necesară pentru pompare, exprimată tot în înălţime de coloană de lichid, are
expresia
g
p z z il
g
p
2
121 (3.3)
dedusă din (1.12). Prin urmare, numărul staţiilor de pompare necesar este
sh
g
p z z il
n
212
. (3.4)
Admiţând că n este un număr întreg, ceea ce este foarte puţin probabil, amplasarea pe teren astaţiilor de pompare se poate face prin construcţia grafcă reprezentată în fig. 3.6
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 55/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 3 53
Figura 3.6Admiţând, de exemplu, n=3, segmentul 'AA care reprezintă presiunea de pompare p1/g se
împarte în trei părţi egale. Din punctele de diviziune se trasează paralele la dreapta 'B'A care indică
variaţia presiunii. Staţia de pompare principală se găseşte în punctul A, iar cele două staţii
intermediare, în punctele C şi D , unde paralelele menţionate mai sus intersectează profilul traseului.
Distanţele dintre staţii rezultă ducănd din C şi D paralele la axa ordonatelor până ce acestea
intersectează axa absciselor; aceste distanţe sunt A1C1 şi C1D1. Bineînţeles, în punctele C şi D
presiunea în conductă nu este egală cu zero, ci are o valoare care este necesară pentru a se asiguraaspiraţia la pompe în condiţii normale.
Această observaţie este deosebit de importantă atunci când staţiile sunt echipate cu pompe
centrifuge. În acest caz, presiunea la aspiraţie trebuie determinată corect pentru a se evita apariţia
fenomenului cavitaţie în pompe.
De obicei, n nu este un număr întreg şi trebuie deci rotunjit în plus sau în minus la un întreg
n0. În primul caz (n0>n) există un surplus de presiune disponibil care poate fi utilizat pentru mărirea
capacităţii de transport a conductei.Dacă se urmăreşte menţinerea capacităţii de transport cerută prin datele de proiectare, se poate
recurge la reducerea presiunii de refulare la fiecare staţie, deci la reamplasarea staţiilor de pompare.
Grafic, problema se rezolvă aşa cum se arată în fig. 3.7 unde, spre exemplificare, s-a considerat
n=2,7 şi rotunjirea s-a făcut la no=3.
Excesul de presiune (n0-n)h s reprezentat prin segmentul ''A'A se împarte în trei părţi egale şi
se scade din presiunea fiecărei staţii care devine astfel
s s hnnh
0
'311 .
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 56/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
54 Capitolul 3
Figura 3.7
Amplasarea staţiilor de pompare intermediare rezultă apoi prin construcţia grafică descrisă
mai înainte. În general, dacă nu se precizează n şi no, relaţia între s' h şi h s este
s s hn
nh
0
' . (3.5)
În celălalt caz (n0<n), presiunea staţiilor este insuficientă pentru a se asigura capacitatea de
transport a conductei. Atunci când diferenţa (n-n0)h s nu este prea mare, reprezentând cel mult 0,2 h s se poate recurge la creşterea presiunii staţiilor de pompare, fapt care conduce din nou la o
reamplasare a acestora.
Construcţia grafică este reprezentată în fig. 3.8 unde s-a considerat, pentru exemplificare,
n=3,3 şi n0=3.
Figura 3.8
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 57/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 3 55
Surplusul de presiune necesar pentru pompare (n-n0)h s, reprezentat prin segmentul ''A'A se
împarte în trei părţi egale şi se adună la presiunea fiecărei staţii care devine astfel
s s hnnh
0'
3
11 .
Amplasarea staţiilor intermediare de pompare rezultă prin construcţia grafică obişnuită.
Dacă nu se precizează de la început n şi n0, între h s’ şi h s există tot relaţia (3.5).
Atunci când nu este posibil să se mărească presiunea staţiilor, se poate recurge la micşorarea
pantei hidraulice pe o porţiune a conductei prin montarea unei intercalaţii cu diametrul mai mare
sau a unei derivaţii. Lungimea x pe care trebuie redusă panta se obţine dacă se scrie formula (3.4)
sub forma
g
p z z il nh s
212 (3.6)
şi avem de asemenea
g
p z z xi xl ihn s s
2121 (3.7)
unde i1<i este panta hidraulică a porţiunii de lungime x.
Din aceste formule rezultă imediat
shii
nn x
1
0
. (3.8)
Determinarea acestei lungimi se poate face şi grafic, aşa cum se arată în figura 3.9. Este
evident că amplasarea porţiunii cu panta hidraulică micşorată se face oriunde pe traseul conductei.
Figura 3.9
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 58/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
56 Capitolul 3
3.5. CURBE CARACTERISTICE.
3.5.1. Determinarea regimului de functionare al staţiilor de pompare
Dacă se introduc notaţiile
g
p H
1 (3.9)
şi
g
p
z z z 2
12 , (3.10)
formula (3.10) devine
z l gd
Q H
52
28. (3.11)
Deoarece coeficientul de rezistenţă este în general o funcţie de debitul Q, prin intermediul
numărului lui Reynolds, (3.11) reprezintă o relaţie între înălţimea de pompare H şi debitul Q. Pentru
o conductă cu parametrii daţi, această relaţie se numeşte caracteristică.
Atunci când se poate utiliza expresia (1.21) a pantei hidraulice, formula (3.11) devine
z l d
vQ H
m
mm
5
2
(3.12)
sau
z aQ H m 2 , (3.13)
constanta a având o expresie care se deduce imediat din (3.12). Formula (3.13) este valabilă pentru
regimul laminar (m=1) şi pentru regimul turbulent în conducte hidraulic netede cu Re<105
(m=0,25),respectiv în conducte rugoase (m=0). Aşadar, în regim laminar, (3.13) reprezintă ecuaţia unei
parabole. Pentru regimul turbulent în conducte netede cu Re<105, curba reprezentată de ecuaţia
(3.13) este tot de tip parabolic. În celelalte două situaţii posibile şi anume regim turbulent în
conducte netede cu Re>105 sau în conducte mixte, dependenţa H=f(Q) are o formă ceva mai
complicată.
Construind o diagramă în care abscisele reprezintă debitul Q şi ordonatele înălţimea de
pompare H, se obţine curba caracteristică a conductei, trasată în fig. 3.10 pentru cazul z>0.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 59/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 3 57
Figura 3.10 Figura 3.11
Pompele care se utilizează pentru transportul lichidelor au şi ele o caracteristică ce reprezintă
dependenţa dintre presiunea de refulare H , exprimată în înălţime de coloană de lichid şi debitul Q.Pentru o pompă cu piston, care funcţionează cu o turaţie constantă n, debitul este, teoretic,
acelaşi pentru orice înălţime de refulare. În acest caz, în diagrama Q-H , curba caracteristică este o
dreaptă paralelă cu axa ordonatelor. Curba caracteristică reală, reprezentată în figura 3.11 prin linii
întrerupte, se abate de la curba caracteristică teoretică deoarece odată cu creşterea înălţimii de
refulare H scade randamentul volumic al pompei.
În general, la conductele magistrale se utilizează pompe centrifuge. Curba caracteristică reală
a unei astfel de pompe este reprezentată în figura 3.13.
Figura 3.12 Figura 3.13
Pentru a se obţine debite mai mari, în staţiile de pompare se montează în paralel două sau mai
multe pompe centrifuge identice. În cazul în care se montează în paralel două pompe, curbele lor
caracteristice A şi B se suprapun în diagrama Q-H .
Dacă se ţine seamă de pierderile de presiune de pe circuitul de la ieşirea din pompă până în
punctul de racordare a conductelor respective, notate cu pr ,curba caracteristică a fiecărei pompe
este aceea notată cu A1, B1 în figura 3.13. Curba caracteristică a ansamblului, notată cu A1+B1 , se
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 60/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
58 Capitolul 3
obţine prin însumarea absciselor corespunzătoare aceleiaşi înălţimi de refulare.
Pentru a se obţine presiuni de refulare mai mari, în staţiile de pompare se montează pompe
centrifuge în serie. În cazul montării în serie a două pompe, curbele lor caracteristice fiind notate
respectiv cu A şi B (figura 3.14), curba caracteristică a ansamblului, notată cu A+B, se obţine prin
însumarea ordonatelor la acelaşi debit.
Figura 3.14 Figura 3.15
Curba caracteristică a unei staţii de pompare rezultă prin însumarea, în modul precizat mai
sus, a caracteristicilor pompelor montate în paralel sau în serie. O astfel de curbă caracteristică este
prezentată în figura 3.15 pe care s-a trasat şi curba caracteristică a conductei. Intersecţia acestor
două curbe reprezintă punctul de funcţionare al staţiei respective.
Dacă se modifică debitul sau vâscozitatea lichidului transportat, curba caracteristică a
conductei suferă, de asemenea, o modificare şi punctul de funcţionare va fi altul.
Deoarece randamentul unei pompe centrifuge este o funcţie de debit, este necesar ca pompele
să fie astfel alese astfel încât diferitele puncte de funcţionare ale staţiei să se găsească în domeniul
de debit în care randamentul are valori apropiate de cele maxime.
În practica transportului apar situaţii în care lichidele pot fi transportate prin cădere liberă.
Condiţia pe care trebuie să o îndeplinească o conductă în acest caz este aceea ca punctul iniţial să fie
mai sus decât punctul final şi între aceste două puncte să nu existe altele care au cote mai mari decât
cota punctului iniţial.
Din formulele stabilite mai înainte, rezultă că transportul prin cădere liberă este posibil atunci
când este satisfăcută inecuaţia
g p z z l
gd Q
22152
2
8 (3.14)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 61/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 3 59
termenul g
p
2 apărând atunci când în punctul final lichidul se depozitează în rezervoare. Pentru o
conductă cu lungimea şi diametrul interior date, presupunând cunoscute cotele z 1 , z 2 precum şi
presiunea p2 necesară în punctul final, rezultă că debitul trebuie să satisfacă inecuaţia
g
p z z
l
gd Q 2
21
522
8. (3.15)
Aceste consideraţii se aplică şi în situaţia prezentată la punctul 3.3 şi anume la realizarea
curgerii prin cădere liberă după punctul de culme, pe porţiunea finală a conductei, z 1, se înlocuieşte,
în formula precedentă, cu cota punctului de culme. Deoarece în acest caz debitul Q este dat, lichidul
nu umple complet secţiunea transversală a conductei decât atunci când (3.15) este o egalitate.
În caz contrar, apare o curgere cu suprafaţă liberă şi presiunea nu poate depăşi pe aceea
atmosferică.
3.5.2. Mărirea capacităţii de transport a unei conducte pentru lichide prin creşterea presiunii
de pompare
Dacă apare necesitatea ca la o conductă să se realizeze un debit sporit Q'Q , aceasta se poate
realiza prin mărirea presiunii de pompare, ceea ce echivalează cu creşterea pantei hidraulice a
conductei. Pentru simplificarea calculelor, vom scrie formula (3.9) sub forma
l d
Q p p f 52
2
218
, (3.16)
unde
1222 z z g p p f . (3.17)
Atunci când debitul Q
/
>Q, iar presiunea de pompare ia valuarea p1
/
> p1, rezultă
l d
Q p p f 52
/2/
2/1
.8
(3.18)
deoarece coeficientul de rezistenţă se schimbă odată cu debitul.
Prin împărţire, obţinem
2
/2/
21
2/1 .
Q
Q
p p
p p
f
f (3.19)
sau
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 62/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
60 Capitolul 3
/21
2/1
/
.
f
f
p p
p p
Q
Q. (3.20)
Din formula (3.19) se observă că efectul maxim se obţine în regimul laminar în care
coeficientul de rezistenţă este invers proporţional cu debitul şi prin urmare
f
f
p p
p p
Q
Q
21
2/1
/
. (3.21)
În schimb, în conducte rugoase unde =/, formula (3.20) devine
f
f
p p
p p
Q
Q
21
2/1
/
, (3.22)
ceea ce arată că efectul creşterii presiunii este redus.
Pentru celelalte situaţii, eficacitatea acestui procedeu este cuprinsă între limitele indicate mai
sus. Astfel, în regim turbulent în conducte netede, în domeniul în care este valabilă formula lui
Blasius, din (3.20) obţinem
25,0
21
2/1
/
f
f
p p
p p
Q
Q (3.23)
efectul măririi presiunii fiind deci puţin mai mare decât în cazul reprezentat prin formula (3.22).
Creşterea presiunii de pompare se poate realiza montând în staţii noi pompe în serie cu cele
existente.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 63/140
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 4 61
Capitolul 4TRANSPORTUL SUCCESIV AL PRODUSELOR PETROLIERE
În cazul în care dintr-un centru de prelucrare a petrolului brut produsele petroliere se
transportă în cantităţi mari în diverse centre de consum, se impune utilizarea în acest scop a
conductelor.
Dată fiind diversitatea produselor petroliere, nu este recomandabilă construirea de conducte
separate pentru fiecare produs, aceasta nefiind justificată economic decat pentru cantităţi foarte
mari. În general, este recomandabil ca în acest caz să se recurgă la transportul tuturor produselor
prin aceeaşi conductă, într-o anumită succesiune de unde şi denumirea de transport succesiv.
Realizarea acestui gen de transport ridică o serie de probleme care vor fi examinate în cele ce
urmează.
4.1. CONTAMINAREA PRODUSELOR ÎN TRANSPORTUL SUCCESIV
Produsele petroliere fiind miscibile între ele, la contactul lor în conductă, în cadrul
transportului succesiv, se formează un anumit volum de amestec. Mecanismul de formare a acestuia
şi posibilităţile determinare prin calcul a valoriirii lui reprezintă o problemă de o deosebită
importanţă.
În afară de această contaminare normală, se mai produce şi o contaminare suplimentară,
datorită unor cauze diverse şi anume:
contaminarea datorită modului de operare în punctul terminal al conductei;
contaminarea datorită claviaturilor din staţia depompare şi din staţiile intermediare;
contaminarea datorită întreruperii pompării;
contaminarea datorită derivaţiilor conductei, dacă produsele au viteze diferite pe această
derivaţii.
Printr-o proiectarea corectă şi printr-o manipulare corespunzătoare a instalaţiilor,
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 64/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
62 Capitolul 4
contaminarea suplimentară poate fi redusă la minimum.
În ceea ce priveşte mediul în care se produce contaminarea normală, aceasta se realizează, în
cazul regimului laminar, atât datorită diferenţei moleculare, fenomen care intervine şi în stare de
repaos a fluidelor miscibile aflate în contact direct, cât şi ca urmare a difuziei convective care apare
numai în stare de mişcare. În regim turbulent, pe lângă difuzia moleculară şi aceea convectivă, mai
apare şi difuzia turbulentă, datorită fluctuaţiilor vitezei.
În cazul unei conducte,difuzia moleculară şi cea turbulentă în direcţie radială au ca efect, într-
un timp relativ scurt, uniformizarea amestecului în secţiunea transversală a conductei. În continuare,
principalul mecanism de contaminare rămâne difuzia convectivă. Aceasta depinde însă de repartiţia
vitezei în secţiune transversală a conductei, care este mult mai uniformă în regim turbulent decât în
cel laminar. Ca urmare, creşterea în continuare a volumului de amestec este mai accentuată în cazul
regimului de mişcare laminar. Din punct de vedere practic, aceasta înseamnă că este preferabil ca
transportul succesiv să se realizeze în regim turbulent.
Considerând, la un moment dat, că în conductă se află două produse, notate rezpectiv cu 1 şi
2, volumul aV al zonei de amestec dintre acestea are expresia
21 V V V a , (4.1)
1V respectiv 2V fiind volumele celor două produse.
Concentraţiile volumice c1 şi c2 sunt definite prin relaţiile
aa V
V c;
V
V c 2
21
1 (4.2)
şi se observă imediat că
121 cc . (4.3)
De aici rezultă că este suficient să se cunoască repartiţia concentraţiei unui singur produs înzona de amestec dintre acestea.
În continuare, vom ţine seama de această observaţie şi vom considera că produsul 1 se află în
conductă iar produsul 2 este introdus în urma acestuia. Notând cu c concentraţia produsului 2 în
zona de amestec, ne vom ocupa de stabilirea legii de repartiţie a acestuia şi, în continuare, de
determinarea volumului de amestec.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 65/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 4 63
4.2. DETERMINAREA VOLUMULUI DE AMESTEC
Din consideraţiile precedente rezultă că, pentru cazul practic al transportului succesiv prin
conducte, studiul formării zonei de amestec între produse se poate efectua considerând numai
concentraţia medie a amestecului în secţiunea transversală a conductei.
Dacă în zona de amestec există masele m1 şi m2 ale celor două produse, masele specifice
fictive ale acestora au expresiile
222220
2111110
1 , cV
v
V
m
cV
v
V
m
aaaa
(4.4)
Pentru fiecare dintre cele două componente ale amestecului, ecuaţia de continuitate este
,2,1;0)v( 00
i
xt
iii (4.5)
axa Ox coincizând cu axa conductei.
Deoarece produsele sunt incompresibile, din formulele (4.4) se obţine
,2,1;0
)v(
i x
c
t
c iii
. (4.6)
Dacă se adună termen cu termen aceste ecuaţii şi se ţine seama de (4.3) rezultă o nouă ecuaţie
0vv 2211
cc x
. (4.7)
Aşadar, viteza
2211 vvv ccm (4.8)
este constantă pe lungul conductei şi se observă uşor că este chiar viteza medie de transport.
Întroducând această viteză,se poate scrie ecuaţia (4.6) sub forma
2,1;vvv
ic
x x
c
t
cimi
im
i (4.9)
şi se observă că mărimea
,2,1;vv ic j imii (4.10)
este fluxul componentului i, raportat la unitatea de suprafaţă dintr-o secţiune transversală a
conductei, care se deplasează cu viteza vm.
Deoarece este evident că 021 j j , fluxurile j1 şi j2 diferă numai prin semn.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 66/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
64 Capitolul 4
În felul acesta, ecuaţia (4.9) se scrie
x
j
x
c
t
cii
m
i
v (4.11)
şi poate fi utilizată dacă se cunoaşte expresia fluxului.
Din cercetările întreprinse de G. I. Taylor asupra acestei probleme, rezultă
x
c K j i
i
(4.12)
relaţie analogă cu legea lui Fick pentru difuzia moleculară. Din acest motiv, mărimea K se numeşte
coeficient efectiv de difuzie şi include, în regim laminar, atât efectul difuziei moleculare, cât şi pe
cel al difuziei convertive. De asemenea, în regim turbulent, în K este cuprins şi efectul difuzieiturbulente.
Dacă se admite că acest coeficient este constant, ecuaţia (4.11) devine
2
2
v x
c K
x
c
t
cm
, (4.13)
unde am suprimat indicele, deoarece, datorită relaţiei (4.3), este suficient să se determine cum
variază, în funcţie de x şi de t , una din cele două concentraţii medii.
4.2.1. Determinarea variaţiei concentraţiei medii
Pentru găsirea soluţiei ecuaţiei (4.13), se face mai întâi schimbarea de variabile:
t x xt t mv, 11 (4.14)
în urma căreia se obţine
2
2
x
c
K t
c
. (4.15)
Presupunând că în momentul iniţial conducta este umplută cu produsul 1 şi că în secţiunea de
intrare apare produsul 2, pentru stabilirea variaţiei concentraţiei acestuia din urmă, c, se consideră
conducta prelungită la ambele sensuri până la infinit. În aceste condiţii concentraţia c( x,t ) satisface
condiţia iniţială
0x pentru0
0x pentru1)0,x(c . (4.16)
Soluţia ecuaţiei (4.15) cu condiţia iniţială (4.16) se găseşte cu uşurinţă dacă se face
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 67/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 4 65
schimbarea de variabilă
Kt
x
2
1
(4.17)
care duce la ecuaţia diferenţială ordinară
0d
d2
d
d2
2
cc (4.18)
cu condiţiile
01 c ,;c , . (4.19)
Soluţia ecuaţiei (4.18) care satisface condiţiile (4.19) este
d e M C (4.20)
fiind variabila de integrare, iar M o constantă ce trebuie determinată.
Având în vedere rezultatul cunoscut
d e2
(4.21)
dacă se ţine seama de prima condiţie (4.19), se obţine soluţia
d ec
21
. (4.22)
Acest rezultat se mai poate scrie succesiv
0000
d2
12
1d
2
1dd
1 2222eeeec (4.23)
şi dacă se introduce notaţia
erf e0
d2 2
. (4.24)
se ajunge la expresia concentraţiei medii sub forma
)1(2
1 erf c . (4.25)
Deoarece )( erf )( erf , )( erf 1 , este evident că ambele condiţii (4.19) sunt
satisfăcute.
Revenind la variabilele iniţiale se obţine
kt
t x
erf cm
2
v12
1. (4.26)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 68/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
66 Capitolul 4
4.2.2. Coeficientul efectiv de difuzie
Utilizarea rezultatului precedent propune cunoaşterea expresiei coeficientului efectiv de
difuzie K. În literatură există atât formule teoretice, cât şi formule experimentale care pot fi luate în
consideraţie în acest scop.
Astfel, pentru regimul laminar, cercetările menţionate mai înainte ale lui G.I. Taylor au
condus la formula
D
r D K m
48
v 20
2
, (4.27)
unde 0r este raza conductei, iar D - coeficientul de difuzie moleculară. Trebuie precizat că această
formulă a fost stabilită în ipoteza că lichidele care vin în conducte au aceeaşi masă specifică şi
aceeaşi vâscozitate.
Cercetările ulterioare (W.N. Gill, T. Oroveanu) au arătat că, pentru valori mici ale timpului,
coeficientul efectiv de difuzie nu este constant, ci o funcţie crescătoare în timp care tinde spre o
valoare constantă.
Pentru regimul turbulent, tot G.I. Taylor a dedus formula
0v56.3 r K m (4.28)
cu aceleaşi ipoteze ca şi mai sus, fiind coeficientul de rezistenţă hidraulică.
Alte formule, obţinute pe cale similară sunt
Scr K m
Re
194.741v178.3 0 (4.29)
dată de T. Oroveanu şi
320
Re6.1051
Re4.231v56.3
ScScr k m (4.30)
stabilită de V.I. Maran.
În aceste formule, Sc este numărul lui Schmidt, definit prin
DSc
(4.31)
fiind vâscozitatea cinematică şi D având aceeaşi semnificaţie ca şi mai înainte.
Menţionăm şi faptul că, la valori mici ale timpului, coeficientul efectiv de difuzie în regimturbulent este o funcţie de timp, similară cu aceea corespunzătoare regimului laminar, tinzâmd deci
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 69/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 4 67
spre o valoare constantă atunci când timpul creşte.
Pentru eliminarea unor neajunsuri ale formulelor teoretice, au fost propuse, tot pentru regimul
turbulent, numeroase formule, rezultate din prelucrarea datelor experimentale. Menţionăm astfel pe
aceea a lui A.M. Asaturian
3
2
417 Re. K
(4.32)
numărul lui Reynolds Re având expresia obişnuită apoi formula dată de I.H. Hizghilov
54507603000 . Re. K
(4.33)
şi pe aceea stabilită Z. Aunicky
Relg ..d
l lg .
Re
. K g
.817201042017685220
0945229870
(4.34)
în care intervin lungimea l şi diametrul interior d al conductei.
În formulele precedente, vâscozitatea cinematică are expresia
4231
(4.35)
cu precizarea 21 , produsul notat cu 1 având deci vâscozitatea mai mare decât produsul notat cu2.
O formulă, tot cu caracter empiric, dar cu o structură puţin diferită este
141.06.3
07
4v1064.2
d
l r K m (4.36)
şi a fost stabilită de F. Sjenitzer.
4.2.3. Calculul volumului de amestec
Rezultatele precedente permit stabilirea unei formule pentru calculul volumului de amestec
format într-o conductă de transport succesiv.
Se consideră astfel argumentul soluţiei (4.26) şi se notează cu t0 timpul în care secţiunea zonei
de amestec cu concentraţia c=0.5 parcurge întreaga conductă.
Deoarece 0v t l m rezultă
k l
kt t t
kt t l mmm v
21
2)(v
2v 0
, (4.37)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 70/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
68 Capitolul 4
unde s-a introdus relaţia
0t
t
. (4.38)
Mărimea
K
l mvRe (4.39)
este adimensională şi se numeşte numărul lui Péclet de difuzie.
În regim turbulent, lungimea zonei de amestec este mică faţă de lungimea conductei
reprezentând circa 1% din aceasta. Ca urmare, timpul t în care o secţiune oarecare a zonei de
amestec ajunge în secţiunea finală a conductei nu diferă mult de t 0 şi prin urmare, în (4.37) se poate
aproxima 1 ceea ce duce la
z k
l m
Re
2
1v
2
1. (4.40)
Prin urmare, variaţia în timp a concentraţiei medii a produsului 2 în secţiunea finală a
conductei are expresia
Reerf c 2
1
12
1
(4.41)
sau
z erf c 12
1. (4.42)
Această ultimă expresie este reprezentată în figura 4.1
Figura 4.1
Pentru stabilirea volumului de amestec ce curge prin secţiunea finală a conductei, în intervalul
de timp dintre t 1 şi t 2 avem expresia
)t t ( QV a 12 (4.43)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 71/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 4 69
şi mai departe se poate scrie
121201212 )(
1
)(
v
)( t t t t t Al
A
t t V
Q
V
V m
cc
a
(4.44)
unde Vc este volumul conductei şi A - aria secţiunii transversale a acesteia.
Din (4.40) rezultă însă
Re
z 21 (4.45)
şi prin urmare formula (4.44) devine
Re
z z
V
V
c
a 212
(4.46)
Pentru utilizare acestei formule, care dă valoarea volumului de amestec raportată la volumul
conductei, este necesar să se determine valorile z1 i z2.
Se precizează că volumul de amestec nu se consideră pentru valorile extreme ale concentraţiei
c, care sunt 0 şi 1, ci se admite a oarecare contaminare a celor două produse.
Se notează, prin urmare, cu c(1) concentraţia admisibilă a produsului 2 în produsul 1 şi cu 2c
– concentraţia admisibilã la care produsul 2 poate fi considerat curat.
Între aceste limite se determinã volumul de amestec (figura 4.2.), iar din (4.42) rezultã
)( )( c z arg ,c z arg 11
22 2121 (4.47)
Fig. 4.2
Valorile argumentelor z2 şi z1 pot fi obţinute din tabele pentru funcţia arg z2.
În tabelul 4.1. sunt date valorile argumentului z pentru diferite valori ale concentraţiei c,
conform relaţiilor (4.47).
Alegând dintre valorile concentraţiei c pe cele care corespund limitelor c(2) şi c(1) rezultã z2 şi
z1.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 72/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
70 Capitolul 4
Tabelul 4.1
c(1) c(2) z c(1) c(2) z
0,01 0,99 1,645 0,10 0,90 0,9060,02 0,98 1,452 0,15 0,85 0,7330,03 0,97 1,330 0,20 0,80 0,5930,04 0,96 1,238 0,25 0,75 0,4770,05 0,95 1,163 0,30 0,70 0,3710,06 0,94 1,099 0,35 0,65 0,2720,07 0,93 1,044 0,40 0,60 0,1800,08 0,92 0,994 0,45 0,55 0,0890,09 0,91 0,948 0,50 0,50 0
Se observã cã, dacã aceste valori au suma egalã cu unitatea, de exemplu c(2)=0,99 şi c(1)=0,01 ,c(2)=0,98 şi c(1)=0,02 etc.
z z z 221 (4.48)
şi formula (4.46) devine
ec
a
P V
V 14 . (4.49)
Putem arãta acum şi cantitativ de ce este preferabil ca transportul succesiv să se efectueze în
regim turbulent. Aplicând formula (4.46) pentru regimul laminar şi cel turbulent , între aceleaşi
limite de concentraţii admisibile, rezultã
t
e
el
et
t a
t a
K
K
P
P
V
V . (4.50)
Raportult
l
K
K este însã mult mai mare decât unitatea. Astfel dacã se ia în considerare formula
(4.29) în care se neglijeazã termenul aditiv D şi formula (4.30) rezultã
r D
r
K
K m
t
l
88,170
v 0 . (4.51)
Alegând r o=0,25 m, vm = 1 m/s, D= 10-8 m2/s, =0,03, rezultãt
l
K
K =845673 şi
t a
l a
V
V =919.
Aşadar, dacã în regim turbulent volumul de amestec reprezintã 0,01 V c, în regim laminar rezultã un
volum de amestec egal cu 9,19 V c.
Acest exemplu are un caracter strict ilustrativ, rezultatul calculului precedent depinzând atât
de proprietãţile celor douã produse, cât şi de caracteristicile conductei şi de debit.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 73/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 4 71
4.3. DETERMINAREA NUMÃRULUI OPTIM DE CICLURI DE POMPARE
Din consideraţiile precedente, rezultã cã la transportul succesiv, pomparea produselor trebuie
sã se efectueze într-o anumitã ordine, în special pentru a se evita contactul între produse cu
vâscozitãţi sensibil diferite. În felul acesta , se realizeazã o reducere a volumului de amestec.
Dacã pe o conductã se transportã m produse diferite, iar ordinea 1,2,3,…,m-1,m şi apoi în
ordinea inversã m-1,…,3,2, cu respectarea condiţiei ca proprietãţile fizico-chimice ale produselor ce
vin în contact sã fie cât mai puţin diferite, se realizeazã astfel ceea ce se numeşte un ciclu de
pompare (figura 4.3) în care numãrul n de contacte între produse este
n=2(m-1) (4.52)
Figura 4.3
Pentru a face posibile realizarea corectã a ciclurilor de pompare este necesar ca în punctul
iniţial al conductei sã se gãseascã un parc de rezervoare în care se depoziteazã produsele ce urmeazã
a fi pompate. De asemenea, în punctul final al conductei trebuie sã se gãseascã un parc de
rezervoare similar pentru a se asigura alimentarea continuã cu produse a consumatorilor.
În cazul în care numãrul anual de cicluri de pompare este mic, într-un ciclu se transportã
cantitãţi mari din fiecare produs, astfel încât este necesar ca în punctul iniţial al conductei sã existe
capacitãţi mari de depozitare pentru produse. În acelaşi timp, frecvenţa cu care se pompeazã fiecare
produs este micã şi prin urmare alimentarea continuã a consumatorilor nu se poate asigura decât cu
ajutorul unor capacitãţi de depozitare mari în puctul final al conductei.
Se observã însã cã, dacã numãrul annual de cicluri de pompare este mic, numãrul de contacte
dintre produse se micşoreazã şi prin urmare volumul de amestec scade.
În concluzie, un numãr anual mic de cicluri de pompare duce la economii în ceea ce priveşte
depozitarea şi reprelucrarea volumului de amestec, dar sporeşte investiţiile şi cheltuielile de
exploatare pentru parcurile de rezervoare de produse.
În cazul în care numãrul anual de cicluri de pompare este mare, într-un ciclu se transportã
cantitãţi mici din fiecare produs, ceea ce face ca în punctul iniţial al conductei sã fie necesare
capacitãţi de depozitare, de asemenea, mici, pentru produse. Tot astfel, deoarece frecvenţa cu care
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 74/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
72 Capitolul 4
se pompeazã fiecare produs este mare, în punctul final al conductei alimentarea continuã a
consumatorilor se realizeazã cu ajutorul unor capacitãţi de depozitare mici. În schimb, dacã numãrul
anual de cicluri de pompare este mare, numãrul de contacte dintre produse creşte, ceea ce va avea ca
efect sporirea volumului de amestec.
Aşadar, un numãr anual mare de cicluri de pompare duce la economii în ceea ce priveşte
investiţiile şi cheltuielile de exploatare pentru parcurile de rezervoare de produse, dar sporeşte
cheltuielile referitoare la depozitarea şi revalorificarea volumului de amestec.
Din consideraţiile precedente rezultă numărul anual optim de cicluri de pompare se poate găsi
luând în considerare aspectele semnalate. Astfel, dacă se notează cu k T timpul în care se pompează o
singură dată produsul k în cadrul unui ciclu, timpul în care se realizează un ciclu este
1
21121 22
m
k mk mmk t t t t t ....t t T (4.53)
deoarece produsele 1 şi nu se pompează o singură dată în fiecare ciclu (figura 4.3).
Pentru a da tratării acestei probleme o mai mare generalitate, care corespunde de altfel cu
situaţiile reale, se presupune că pe traseul conductei există r centre de consum alimentate cu produse
din conductă.
Se consideră mai întâi necesităţile de depozitare pentru produsul 1. Pe durata unui ciclu,
timpul în care se pompează celelalte produse este
1
21 2
m
k mk k t t t T . (4.54)
Dacă se notează cu i1Q debitul de produs 1 în punctul iniţial, capacitatea de depozitare pentru
acest produs în punctul iniţial este deci
111 t T QV k ii
(4.55)
iar în punctul final
111 t T QV k f f (4.56)
f 1Q fiind debitul de produs 1 în punctul final.
De asemanea, dacă se notează cu j1Q debitul de produs 1 în unul dintre cele r centre de pe
traseu, capacităţile de depozitare pentru acest produs au expresia
r
jk
jr
j
j T T QV 1
111
1 (4.57)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 75/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 4 73
pentru toate produsele, rezultă deci următoarele capacităţi de pompare
m
p pk
i
p
m
p
i
p t T QV 11 (4.58)
în punctul iniţial
r
j
r
j
m
p pk
i p
m
p
j p t T QV
1 1 11
(4.59)
în punctele de pe traseu corespunzând celor r centre de consum
m
p pk
f p
m
p
f p t T QV
11
(4.60)
în punctul final.
Aşadar, volumul total al rezervoarelor pentru cele m produse este
m
p pk
f p
m
p
r
j
m
p pk
j p pk
i p t T Qt T Qt T QV
11 1 10 . (4.61)
Dacă se notează cu K numărul anal de cicluri de pompare, cu 0 N numărul de zile dintr-un an
în care se pompează produse în conductă şi cu p N numărul de zile dintr-un an în care se transportă
produsul 1 p rezultă
K
N t ;
K
N T
p pk 0 (4.62)
şi formula (8.61) devine
k
B N N Q N N Q N N Q
k V
m
p
r
j
m
p
m
p p
f p p
j p P
i P
1 1 1 10000
1 (4.63)
în acest calcul timpul trebuie considerat în zile, iar debitul, în matri cubi pe zi.
Notând cu i f pierderea care rezultă din contactul a două produse în cadrul unui ciclu suma
n
ii f F
1
(4.64)
unde n este numărul de contacte între produse (4.52), reprezintă pierderile totale, datorate
amestecului dintre produse, în cadrul unui ciclu.
Pe de altă parte, volumul aV al rezervoarelor de amastec are expresia
k V V kaa (4.65)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 76/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
74 Capitolul 4
în care kaV este volumul de amestec realizat în cadrul unui ciclu ce nu se poate repartiza în
rezervoarele de produse, în urma secţionării amestecului.
Pentru a stabili numărul optim de cicluri de pompare în cursul unui an, se consideră costurile
reduse (anuale) aC a căror expresie este
k F V V E AI C aa 0 (4.66)
unde I reprezintă costul specific de investiţii pe unitatea de volum utilă a rezervoarelor, A
coeficientul de amortizare anuală a acestora şi E cheltuielile de exploatare anuale raportate la
aceeaşi unitate de volum. După ce se înlocuiesc volumele 0V şi aV cu expresiile lor (4.61) şi (4.65),
se calculează derivata lui Ca în raport cu k şi se egalează cu zero obţinându-se astfel
2
1 1 100
10
1
k N N Q N N Q N N Q E AI
dk
dC r
j
m
p
m
p p
f p p
j p
m
p p
i p
a
0 F V E AI ka (4.67)
sau
02
F V E AI k
B E AI
dk
dC ka
a (4.68)
dacă se ţine seama de notaţia introdusă în (4.63), rezultă de aici
F V E AI
E AI B K
ka
(4.69)
adică numărul de cicluri pentru care expresia (4.66) are valoarea minimă. Se observă imediat că este
vorba de un minim al acestei expresii deoarece;
0222
2
k
B E AI
dk
C d a . (4.70)
Prin urmare numărul optim de cicluri de pompare determinat prin formula (4.69) este cel
optim.
Cunoscând cantităţile din fiecare produs ce trebuie pompat anual, se poate determina numărul
anual p N de zile de pompare pentru toate produsele ( p=1,2,….,m). În continuare, din a doua
formulă (4.62), rezultă timpul afectat pompării fiecărui produs în cadrul unui ciclu. Apoi, formula
(4.53) permite să se calculeze durata unui ciclu şi din prima formulă (4.62) se obţine numărul 0 N de
zile dintr-un an în care se pompează produse.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 77/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 4 75
Din formula (4.61) se determină, în cele din urmă, volumul optim al rezervoarelor pentru
toate produsele şi pentru fiecare produs în parte, în punctul iniţial, în punctul final şi în punctele
care corespund centrelor de consum de pe traseul conductei.
4.4. CALCULUL HIDRAULIC AL CONDUCTEI DE TRANSPORT
SUCCESIV
În cazul transportului succesiv, numărul de staţii de pompare se determină pentru produsul
care dă cea mai mare cădere de presiune pe lungimea conductei. În continuare, determinarea
diametrului interior optim din punct de vedere economic se poate face prin oricare din metodele
utilizabile atunci când se transportă un singur produs.
Atunci când se utilizează metoda comparării variantelor, se efectuază pentru fiecare diametru
în parte şi determinarea numărul optim de cicluri de pompare, respectiv a capacităţilor optime de
depozitare a produselor. Dacă diametrul optim din punct de vedere economic se stabileşte printr-o
altă metodă, numărul optim de cicluri de pompare se determină, evident, numai pentru aceasta.
Pompele din staţii trebuie astfel alese încât punctul lor de funcţionare pentru fiecare produs în
parte, să se găsească în zona din vecinătatea randamentului maxim.
4.5. MĂSURI PENTRU MICŞORAREA VOLUMULUI DE AMESTEC LA
TRANSPORTUL SUCCESIV
Aşa cum s-a menţionat înainte, în cazurile în care transportul succesiv se efectuază în regim
turbulent, volumul de amestec realizat prin contactul direct a două produse reprezintă 0.5 - 1% din
volumul total al conductei. Pentru o conductă de dimensiuni obişnuite dar de lungime suficient de
mare, aceasta poate reprezenta câteva sute de metri cubi. În anumite împrejurări, ca de exemplu la
oprirea transportului, volumul de amestec poate creşte până la două sau trei ori faţă de valoarea
nominală.
Apare deci necesitatea de a se lua măsuri în vederea micşorării volumului de amestec în cazultransportului succesiv. Unele dintre aceste măsuri rezultă din consideraţiile precedente şi anume
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 78/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
76 Capitolul 4
realizarea transportului succesiv în regim turbulent şi alegerea unei succesiuni judicioase a
produselor în cadrul unui ciclu. De asemenea, pentru micşorarea volumului de amestec iniţial, este
necesar să se introducă în instalaţii ventile cu închidere şi deschidere rapidă.
Pentru a reduce şi mai mult volumul de amestec, se utilizează separatoare care nu permit
contaminarea directă între două produse ce se transportă succesiv. Aceste separatoare pot fi lichide
sau solide.
În calitate de separator lichid se poate întrebuinţa un produs oarecare, sau un amestec din două
produse, sau se introduce în conductă sub formă de tampon între produsele care se transportă
succesiv. Acestea difuzează în lichidul care formează tamponul şi dacă acesta este ales în mod
corespunzător, valorificarea amestecului se realizează mai uşor decât în cazul contactului direct.
Volumul V T al unui astfel de tampon se poate determina, orientativ, cu ajutorul formulei
e
cT
' p
V V 2 (4.71)
Separatoarele solide (mecanice), care prezintă o varietate destul de mare de forme
constructive, sunt introduse de asemenea între două produse care se transportă succesiv. Aceste
separatoare trebuie să se afle în contact direct cu suprafaţa interioară a conductei pentru a împiedica
amestecul produselor între care sunt introduse. Eficacitatea separatoarelor solide depinde de astfel în
mare măsură siguranţa realizării contactului cu suprafaţa interioară a conductei în tot timpul
mişcării lor.
Dintre numeroasele forme constructive se utilizează mai frecvent separatoarele sferice şi
separatoarele în manşetă (figura 4.4).
Sferele şi manşetele sunt construite din materiale elastice, rezistente la uzură, în general din
cauciuc rezistent la acţiunea produselor transportate sau din polimeri.
Separatoarele sferice sunt umplute în interior cu un lichid sub presiune determinată, astfel
încât să se asigure contactul cu suprafaţa interioară a conductei.
Figura 4.4
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 79/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 4 77
În figura 4.5 este reprezentată schematic o instalaţie pentru lansarea şi primirea separatoarelor
sferice la o conductă. Camera de lansare 1, înclinată cu un unghi, este închisă cu un capac 2, de
construcţie specială. La capătul opus, camera 1 este racordată la teul 4.
Figura 4.5
Întroducerea succesivă a separatoarelor sferice în teul 3 este realizată cu ajutorul
mecanismului 4, reprezentat în figura 4.6
Figura 4.6
După aceea, separatorul intră în conductă, sub acţiunea gravitaţiei sau a presiunii, trecerea lor
fiind indicată prin semnalizatorul 5. Camera de primire 6 se montează tot înclinat şi are una sau
două linii de derivaţie. Lichidul din camera de primire, după sosirea separatoarelor, este evacuat cu
ajutorul pompei 7. Sosirea separatoarelor este indicată prin semnalizatorul 5.Pentru a se obţine o separare a produselor nu este suficient un singur separator, ci cel puţin
două sau trei, pentru a se separa şi zona amestecului iniţial. Nu se recomandă mărirea numărului de
separatoare peste patru sau cinci deoarece nu se mai obţine o reducere semnificativă a volumului de
amestec. Utilizarea separatoarelor sferice conduce la o reducere cu 20 - 40% a volumului de
amestec sau chiar cu 50% dacă transportul este corect organizat.
Uzarea separatoarelor la contactul cu peretele interior al conductei, existenţa cordoanelor de
sudură a ţevilor şi amestecului iniţial sunt principalele cauze care împiedică o separare completă a produselor transportate succesiv.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 80/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
78 Capitolul 4
4.6. APLICAŢII
Aplicaţia 4.1.
Printr-o conductã cu diametrul interior d =0,5 m şi lungimea l =100 km se transportã succesiv
debitul de Q=0,278 m3/s vâscozitãţile cinematice ale celor douã produse sunt 1=6.10-6 m2/s ,
2=0,54.10-6 m2/s. Coeficientul de difuzie moleclarã are valoarea D=10-8 m2/s . Secţionarea
volumului de amestec se efectueazã la concentraţiile limită 01.0c 1 şi 99.0c 2 . Să se calculeze
acest volum.
Rezolvare. Vâscozitatea cinematicã medie, caculatã cu formula (4.34) este sm /10897,110
4
53,036
4
3 26621
şi deoarece viteza medie are valoarea
415,15,0
278,044v
22
d
Qm m/s
rezultã
37295710897,1
5,0415,1v6
d
Rm
e
regimul fiind turbulent.
La concentraţiile admise, din tabelul 4.1 obţinem z1= 1,645 şi z2=-z1=-1,645 şi în acest caz se
aplicã formula (4.49) care ne dã
'
129198954,19634
'
645,14
'4
ee
c
e
a P P
V P
Z V
deoarece
954,19634104
5,0
45
22
l d
V c m3
Deoarece valoarea rugozitãţii nu a fost indicatã, conducta este presupusã netedã şi coeficientul
de rezistenţã rezultã din formula
8,0Relg21
şi prin încercãri, se obţine = 0,0139.
Avem, deci, dupã (3,28)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 81/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 4 79
148475,00139,025,0415,156,3v56,3 om r K m2/s
şi
953022148475,0
10415,1v 5
K
l P m
e
respectiv
344,132953022
129198129198
e
a P
V m3
Pe de altã parte, numãrul lui Schimdt (4.31) are valoarea
7,18910
10897,1 8
6
DSc
şi dupã (4.29)
01325420139,07,189372957
194,7410139,025,0415,1178,3
K m2/s
respectiv
1067578
132542,0
10415,1 5
e P
şi
042,1251067578
129198aV m4.
De asemenea, din (4.30) coeficientul efectiv de difuzie are valorea
32
0139,07,189372957
1,1051
0139,07,189372957
4,2310139,025,0415,156,3 K
0148466,0 m3
/sşi prin urmare
953080148466,0
10415,1 5
e P ,
iar volumul de amestec este
340,132953080
129198aV m4.
Conform formulei (4.32), coeficentul efectiv de difuzie are valoarea
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 82/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
80 Capitolul 4
171023,03729574,17 3
2
K
de unde rezultã
827374171023,0
10415,1 5
e P
şi
038,142827374
129198aV m4.
Se abservã cã apar diferenţe foarte mari între valorile volumului de amestec obţinute cu
diverse formule pentru coefcientul efectiv de difuzie. Astfel, dacã se ia ca termen de comparaţieformula lui Taylor (4.28), formula (4.29) dã un rezultat cu o abatere de –5,52%, formula (4.30) cu o
abatere de numai –0,3%, iar formula (4.32) cu o abatere de +7,32%. Evident, aceste rezultate sunt
valabile numai în cazul considerat în problemã dar indicã, cel puţin calitativ, raportul dintre diferite
formule.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 83/140
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 5 81
Capitolul 5
TRANSPORTUL PRODUSELOR CONGELABILE
5.1. GENERALITĂŢI
Variaţia temperaturii în conductă au o influenţă sensibilă asupra pompării ţiţeiului sau produselor petroliere. Astfel, vâscozitatea lichidelor variază în sens contrar cu temperatura şi o
scădere accentuată a acesteia din urmă produce o creştere importantă a vâscozităţii. La un ţiţei
vâscos pot apărea, în acest caz, dificultăţi mari de transport. De asemenea, unele ţiţeiuri sau produse
petroliere pot ajunge la punctul de congelare atunci când temperatura din conductă scade. În sfârşit,
la ţiţeiurile parafinoase, în unele cazuri apar depuneri de parafină pe peretele conductei, fapt care
reduce diametrul interior sau conduce la înfundarea conductei.
Problema influenţei pe care o exercită variaţia temperaturii din conductă apare cel maifrecvent la pomparea ţiţeiurilor parafinoase. Acestea conţin un anumit procent de parafină care,
atunci când temperatura este suficient de ridicată, se găseşte complet dizolvată în ţiţei. Dacă
temperatura scade, se poate ajunge la o formă de cristale foarte mici. În cazul în care scăderea
temperaturii continuă mai departe, cristalele se leagă între ele formând plasă sau reţeaua de parafină.
În aceste condiţii, ţiţeiul nu se mai comportă ca un lichid newtonian normal, ci ca o soluţie
coloidală, în care ţiţeiul este faza continuă, iar parafina faza dispersă.
Prin urmare, fenomenul de congelare a ţiţeiului constă, de fapt în separarea parafinei şi cutoate că ţiţeiul rămâne lichid este distribuit atât de uniform în reţeaua de parafină încât ansamblul
formează ceea ce se numeşte gel. Acesta posedă o structură care poate fi deranjată prin agitare dar
se restabileşte în stare de repaos. Aşadar, ţiţeiul parafinos congelabil posedă proprietatea de
tixotropie. Determinarea temperaturii de congelare a unui ţiţei parafinos este deci importantă pentru
a se asigura transportul. Această determinare prezintă dificultăţi deoarece metodele utilizate de
obicei dau rezultate destul de diferite depinzând de tratamentul termic aplicat anterior probei.
Din punct de vedere al conţinutului de parafină, ţiţeiurile se împart în trei grupe, criteriul fiindtemperatura de congelare a fracţiei de ulei, care la temperatura de 323.15 K are vâscozitatea
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 84/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
82 Capitolul 5
cinematică =0,529.10-4 m2/s. Atunci când temperatura de congelare a acestei fracţii este de 257.15
K sau mai joasă, ţiţeiul este considerat puţin parafinos. În cazul în care temperatura de congelare
este cuprinsă între 258.15 K şi 293.15 K, ţiţeiul este parafinos şi în sfârşit dacă această temperatură
depăşeşte 293.15 K, ţiţeiul este foarte parafinos. Trebuie precizat însă că această clasificare nu este
de mare utilitate în problema transportului, deoarece temperatura de congelare a ţiţeiului parafinos
variază între limite destul de largi. În orice caz, pentru evitarea urmărilor neplăcute, este necesar să
se determine temperatura maximă de congelare a ţiţeiului ce trebuie transportat.
Temperatura solului are o influenţă care poate fi destul de importantă, fie în tot timpul anului,
fie numai într-o perioadă a acestuia, în funcţie de raportul dintre această temperatură şi temperatura
de congelare a ţiţeiului transportat. Este deci necesar să se determine curba de variaţie anuală a
temperaturii solului în care este îngropată conducta şi să se traseze pe acelaşi grafic cu dreapta care
reprezint temperatura de congelare a ţiţeiului.
Examinarea acestui grafic permite să se stabilească, în primul rând, dacă există sau nu
pericolul de congelare şi în ce perioadă a anului. Evident, congelarea se poate produce în orice
perioadă în care temperatura solului este inferioară temperaturii de congelare a ţiţeiului. Aşadar, din
punct de vedere al transportului, faptul că un ţiţei este congelabil sau nu se apreciază numai în
funcţie de variaţia temperaturii solului în care este îngropată conducta.
Pentru transportul prin conducte al ţiţeiului cu vâscozitate mare sau congelabil au fost propuse
mai multe procedee, unele utilizate frecvent, altele aflate încă într-un stadiu incepient.
5.2. METODE DE TRANSPORT
5.2.1. Transportul cu diluanţi
Dificultăţile care apar la transportul prin conducte al ţiţeiului vâscos sau congelabil pot fi
înlăturate dacă acesta se pompează după amestecarea cu diluanţi. Ca diluant se poate utiliza
benzina, petrolul lampant, motorina, condensatul, ţiţeiul cu vâscozitate mică etc. Prezenţa
diluanţilor în ţiţei ameliorează proprietăţile de curgere ale acestuia; de asemenea, diluanţii reduc
considerabil concentraţia de parafină din amestec, o parte din aceasta fiind dizolvată în fracţiile
uşoare ale diluanţilor. S-a mai constatat că, dacă diluantul este un ţiţei puţin vâscos, unele
componente ale acestuia împiedică dezvoltarea cristalelor de parafină.
Experienţele au arătat că efectele pozitive ale diluanţilor depind de temperatura la care se face
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 85/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 5 83
amestecarea şi de concentraţia diluanţilor în ţiţeiul. Aceste efecte sunt cu atât mai mari cu cât
temperatura de amestecare şi concentraţia diluanţilor în ţiţei sunt mai ridicate.
Transportul prin conducte al ţiţeiului în amestec cu diluanţi este un procedeu relativ nou care
prezintă însă şi unele aspecte negative. Astfel, dacă se pompează ţiţei parafinos, la o oprire mai
îndelungată a pompării se formează în conductă reţeaua de cristale de parafină care face dificilă
reluarea transportului. De asemenea, dacă diluantul trebuie transportat de la o oarecare distanţă în
punctul iniţial al conductei unde se realizează amestecul, costul instalaţiilor necesare în acest scop
afectează nefavorabil eficienţa economică
5.2.2. Transportul cu adaosuriTot relativ recent a început să fie utilizat şi procedeul transportului ţiţeiului vâscos sau
congelabil cu adaosuri. Astfel de adaosuri pot fi utilizate şi în alte cazuri. De exemplu, la transportul
în regim turbulent al ţiţeiului puţin vâscos, un adaos de polimeri, cu molecule lungi şi rezistente,
reduce pierderile prin frecare şi prin urmare micşorează căderea de presiune. Trebuie menţionat că
în regim laminar aceste adaosuri de polimeri nu au efect.
Un interes deosebit îl prezintă adaosurile la transportul prin conducte al ţiţeiului parafinos,
deoarece cu ajutorul lor se pote realiza o scădere a temperaturii de congelare. Mecanismul acţiuniiacestor adaosuri nu este complet cunoscut până în prezent. Se presupune că moleculele de adaos
sunt absorbite pe suprafaţa cristalelor de parafină şi împiedică dezvoltarea acestora.
Pentru ca tratarea cu diluanţi să fie cât mai eficace, este necesar ca înainte de introducerea
adaosurilor ţiţeiul să fie încălzit până ce cristalele de parafină se topesc complet şi se formează o
soluţie adevărată de parafină în petrol. Drept adaosuri pot fi utilizaţi compuşi macromoleculari ca
polimetilacrilaţii, poliizobutilena, polimerii etilenei, polipropilene. Au fost fabricate adaosuri de
polimeri etilen-parafinici sub denumirea de Paramins -20, -25, -75 sau ECA 4242, 5217, 5234 careau fost folosiţi cu succes. Concentraţia acestor adaosuri în ţiţeiul ce trebuie transportat depinde de
condiţiile concrete de utilizare, fiind cuprinsă între 0.1% şi 0.2% în greutate şi dau posibilitatea de a
se porni conducta după o oprire mai îndelungată şi reduc depunerile de parafină pe peretele
conductei sau pe pereţii rezervoarelor de depozitare.
Transportul prin conducte al ţiţeiului vâscos sau congelabil tratat cu adaosuri este un procedeu
relativ nou cu perspective de extindere. Un dezavantaj îl constituie faptul că adaosurile utilizate
până în prezent nu sunt eficiente şi ieftine.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 86/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
84 Capitolul 5
5.2.3. Hidrotransportul
Pentru reducerea pierderilor de presiune la transportul prin conducte al ţiţeiului cu vâscozitate
mare, se poate recurge şi la transportul împreună cu apă, care se numeşte hidrotransport.
În principiu, acest procedeu se poate realiza în mai multe variante. Prima dintre acestea constă
în realizarea unei curgeri concentrice, ţiţeiul fiind izolat de pereţii conductei printr-un inel de apă.
Pentru obţinerea acestei structuri este necesar să se producă o centrifugare astfel ca apa, cu masă
specifică mai mare decât a ţiţeiului, să fie împinsă spre peretele conductei. Pentru aceasta se
utilizează ţevi spiralate care au pe suprafaţa interioară un filet realizat prin sudarea unor benzi
metalice elicoidale. Prin centrifugare apa este aruncată spre peretele conductei şi datorită
vâscozităţii mai mici a apei se obţine o reducere a căderii de presiune din conductă. Această variantă
de hidrotransport nu şi-a găsit aplicaţie deoarece construcţia ţevilor spirale este dificilă, iar
menţinerea inelului de apă nu este sigură.
O altă variantă constă în transportarea unei emulsii de ţiţei în apă, care are o vâscozitate
sensibil mai redusă decât aceea a petrolului brut. În acest caz, apa vine în contact cu peretele
conductei şi prin urmare pierderile prin frecare sunt mai reduse. Dacă se produce inversarea
emulsiei, trecându-se la emulsia apă în ţiţei, condiţiile de transport se înrăutăţesc, ţiţeiul este acum
lichidul care vine în contact cu peretele conductei. S-a constatat că pentru formarea unei emulsii
stabile de ţiţei în apă, concentraţia apei în emulsie trebuie să fie > de 30%.
5.2.4. Transportul ţiţeiurilor vâscoase sau congelabile tratate termic
Experimental s-a constatat că prin încălzire până la o anumită temperatură, urmată de răcire,
proprietăţile de curgere ale ţiţeiului brut vâscos sau congelabil se ameliorează temporar. Acest
procedeu se numeşte termotratare şi comportă încălzirea prealabilă a ţiţeiului până la o anumită
temperatură şi răcirea lui cu o anumită viteză. Atât temperatura cât şi viteza de răcire depind de proprietăţile ţiţeiului transportat, trebuind să fie stabilite experimental.
Prin încălzire, parafina din ţiţei se dizolvă, iar la răcire, componentele asfalto-răşinoase sunt
absorbite pe suprafaţa cristalelor de parafină ce se formează, împiedicând formarea unei reţele
structurale rezistente. Pentru a se obţine un efect cât mai mare al termotratării este de mare
importanţă alegerea corectă a vitezei de răcire cât şi cantitatea de substanţe asfalto-răşinoase. Cu cât
conţinutul în astfel de substanţe este mai mare, cu cât efectul temperaturii este mai ridicat.
Procedeul este eficace numai atunci când durata de parcurgere a conductei de la punctul iniţial până
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 87/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 5 85
la cel final este suficient de mic în raport cu timpul de refacere a proprietăţilor de curgere
Transportul ţiţeiului termotratat se practică dar nu are o mare răspândire datorită
complicaţiilor tehnologice şi costului relativ ridicat. În figura 5.1 este reprezentată variaţia
temperaturii de congelare în funcţie de viteza de răcire, pentru trei ţiţeiuri diferite. De menţionat
faptul că proprietăţile de curgere ale ţiţeiului termotratat revin în timpla valorile lor iniţiale.
Figura 5.1
5.3. TRANSPORTUL LA CALD
În prezent procedeul cel mai răspândit în practică pentru transportul ţiţeiului vâscos sau
congelabil este pomparea lui după o încălzire prealabilă. Acest procedeu se numeşte de obicei
transportul la cald. Pentru a reduce vâscozitatea sau pentru a evita atingerea temperaturii de
congelare în conductă, ţiţeiul este încălzit înainte de a intra în staţia principală de pompare, la o
temperatură ce nu depăşeşte 343.16 K pentru a se evita creşterea pierderilor prin evaporare.
Încălzirea se realizează fie în rezervoare prevăzute cu serpentine prin care circulă un agent cald, de
obicei abur, fie cu ajutorul unor schimbătoare de căldură.În timpul deplasării prin conductă, deoarece temperatura mediului exterior este mai scăzută,
ţiţeiul cedează o parte din căldura acumulată prin încălzire, răcindu-se treptat. Pentru ca transportul
să decurgă în condiţii normale este însă necesar ca temperatura din conductă să rămână superioară
temperaturii de congelare, dacă se transportă un ţiţei congelabil, sau temperatura admisibilă, atunci
când se transportă un ţiţei cu vâscozitate mare. Răcirea ţiţeiului transportat depinde, aşa cum s-a mai
amintit, de temperatura variabilă a solului sau, mai general, a mediului în care se află conducta. De
asemenea, schimbarea regimului de pompare prin modificarea debitului, pornirea sau oprirea pompării fie planificată, fie în urma unei avarii, pomparea ţiţeiurilor cu caracteristici diferite, produc
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 88/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
86 Capitolul 5
modificări ale regimului termic din conductă. Se poate deci afirma că acest regim prezintă frecvent
un caracter nestaţionar, dar regimul termic din conductă este presupus staţionar.
5.3.1. Determinarea variaţiei temperaturii în lungul conductei
Conform cu precizările prezentate anterior, variaţia temperaturii ţiţeiului transportat se
stabileşte în condiţiile unui regim termic staţionar. Temperatura variază atât în lungul conductei, cât
şi în secţiunea transversală a acesteia, de la axă la perete, pe care o considerăm constantă. Variaţia
temperaturii în lungul conductei rezultă din efectuarea bilanţului termic pentru un element de
conductă de lungime dx. Temperatura lichidului transportat scăzând cu dT (figura 5.2) în acest
element, cantitatea de căldură cedată în unitatea de timp, în elementul considerat, este T Qcd .
semnul negativ apare în această expresie deoarece, fiind vorba de o răcire, variaţia dT a temperaturii
este negativă. Această cantitate de căldură este transferată mediului înconjurător prin suprafaţa
laterală ddx a elementului, d fiind diametrul interior al conductei. Dacă notăm cu 0T temperatura
mediului în care se află conducta şi cu T , temperatura din conductă, cantitatea de căldură cedată are
expresia xT T k dd 0 , unde k este coeficient global de transfer de căldură. rezultă deci egalitatea
T Qc xT T k ddd 0 (5.1)
care exprimă bilanţul termic, în unitatea de timp.Dacă se introduce, relaţia
cQ
d k a
(5.2)
relaţia precedentă se scrie
0
d1d
T T
T
a x
. (5.3)
Figura 5.2
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 89/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 5 87
În general, mărimea a definită prin (5.2) nu poate fi considerată constantă deoarece
coeficientul global de transfer de căldură k este dependent de temperatură. De asemenea, căldura
specifică masică c precum şi densitatea , variază cu temperatura însă produsul Q , debitul masic
este constant. Dacă notăm cu T 1 temperatura iniţială a ţiţeiului, la introducerea în conductă, se
obţine din (5.3) prin integrare
1
0
d1T
T T T
T
a x (5.4)
formulă care reprezintă legea de variaţie a temperaturii în lungul conductei.
Deoarece dependenţa lui a de temperatură nu se exprimă sub o formă simplă, integrala (5.4) se
calculează numeric, fixând valoarea temperaturii iniţiale T 1 dând lui T (T<T 1) un şir de valori
descrescătoare, de pildă din grad în grad. Rezultă astfel valori corespunzătoare ale distanţei x. În
practică, se obişnuieşte să se considere mărimea a constantă şi în acest caz din (5.4) rezultă
axT T
T T
0
01ln (5.5)
axeT T T T 010 . (5.6)
Această lege simplificată de variaţie a temperaturii în lungul conductei arată că temperatura
lichidului tinde spre temperatura mediului în care se află conducta. Teoretic, aceasta se întâmplă
pentru x tinzând către infinit dar în realitate, la o distanţă finită destul de mare, temperatura T este
practic egală cu T 0, observaţie valabilă şi pentru cazul formulei (5.4).
În cazul în care conducta poate fi descompusă în n porţiuni de lungime l j (j=1,2,…n), pentru
fiecare din aceasta coeficientul global de transfer de căldură având o valoare diferită k j (j=1,2,…n),
pentru un tronson oarecare l j se poate scrie
j j
jx
j l k cQ
d T T
T T
01
0ln . (5.7)
La acest rezultat se ajunge prin aplicarea formulei (5.5) în care a are expresia (5.2). Pentru
întreaga conductă rezultă, prin însumare
n
j j j
n
l k cQ
d
T T
T T
101
01ln (5.8)
T 1 fiind temperatura de intrare, iar T n+1 temperatura la ieşirea din conductă. Coeficientul global de
transfer de căldură k din formula precedentă are expresia
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 90/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
88 Capitolul 5
n
i i
i
i D
d
D
Dd
k 1 211
ln2
11 (5.9)
în care 1 este coeficientul de transfer de căldură de la ţiţei la peretele interior al conductei, i
conductivitatea termică a stratului cilindric i (stratul inferior de protecţie, materialul conductei,
izolaţia exterioară etc.), d diametrul interior al conductei, Di diametrul exterior al stratului i, 2
coeficientul de transfer de căldură de la suprafaţa exterioară a conductei la mediul înconjurător şi D
diametrul exterior al conductei.Pentru conductele cu diametru peste 0.5 m, se poate utiliza formula
n
i i
i
k 1 21
111 (5.10)
în care i este grosimea stratului i. Coeficientul de transfer de căldură prin convecţie de la lichid la
peretele interior se poate calcula cu ajutorul numerelor lui Prandtl şi Nusselt
c
Pr ,
d Nu 1 (5.11)
fiind conductivitatea termică a ţiţeiului. Deoarece atât vâscozitatea dinamică cât şi
căldura specifică masică c şi conductivitatea termică ale ţiţeiului, depind de temperatură rezultă
că numerele lui Reynolds, Prandtl şi Nusselt sunt şi ele funcţie de temperatură. Ca urmare, valoareacoeficientului 1 depinde, la rândul ei, de temperatura la care este calculată.
În regim laminar, se poate utiliza formula Sieder - Tate modificată
140
3
1
4750
.
p
Pr Re. Nu
(5.13)
în care şi p reprezintă valorile vâscozităţii lichidului la temperatura din conductă respectiv la
temperatura peretelui interior al acesteia. În regim turbulent, pentru Re 104 , este recomandabilă
formula lui E.N. Seider şi I.E. Tate
140
3
1800270
.
p
. Pr Re. Nu
(5.14)
care, pentru 410Re2000 se scrie, cu un factor de corecţie introdus de I. Ramm, sub forma
81
140
3
180 600000
10270.
.
p
.
Re Pr Re. Nu
. (5.15)
În aceste formule, valorile numerelor Re şi Pr se calculează cu valoarea a vâscozităţii, deci
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 91/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 5 89
pentru temperatura din conductă. Coeficientul de transfer de căldură de la suprafaţa exterioară a
conductei la mediul înconjurător se calculează, pentru conductele îngropate, cu ajutorul formulei
142ln4
1
42
2
200
220
220
2
D
h
D
h Dh D
Dh
s
a
a
(5.16)
în care a este coeficientul de transmisie de căldură de la suprafaţa solului la atmosferă, h0 -
adâncimea de îngropare a conductei măsurată de la axă şi s - conductivitatea termică a solului.
În cazul în care transferul de căldură de la suprafaţă către atmosferă este intens, deci a are
valori mari, iar adâncimea de îngropare este suficient de mare încât 20 D
h, se poate utiliza formula
simplificată a lui Ph. Forcheimer
142
ln
2
2
200
2
D
h
D
h D
s . (5.17)
La rândul său a are expresia
ar aca (5.18)
în care
aac .. v184156 (5.19)
este coeficientul de transfer de căldură prin convecţie, dependent de viteza va a vântului, iar
44
1
100100
a s
a s
sar
T T
T T
c (5.20)
este coeficientul de transfer de căldură prin radiaţie; 1 este un coeficient care exprimă gradul de
închidere al culorii solului, cu valori cuprinse între 0.6 -0.9 pentru conducte neizolate, iar pentru
conducte izolate valorile fiind cuprinse între 0.043 - 0.93,42K m
W685.c s , T s temperatura
suprafeţei solului şi T a temperatura aerului atmosferic. Pentru cazul în care conducta se găseşte
montată de asupra solului, coeficientul de transfer de căldură de la peretele conductei la atmosferă
se raportează la diferenţa de temperatură dintre suprafaţa exterioară a conductei şi aerul atmosferic
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 92/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
90 Capitolul 5
250
38060250
.
pc
a.a
.aa Pr Re. Nu
, (5.21)
în care indicele a arată că respectivii parametri adimensionali se calculează la temperatura aerului,
iar pc este vâscozitatea aerului la temperatura peretelui exterior al conductei.
Pentru componenta radiativă, aceasta se calculează tot cu (5.20) în care T s se înlocuieşte cu T pc
temperatura peretelui exterior al conductei. În intervalul de temperaturi obinuite ale atmosferei, de
la 235.16 K până la 315.16K, formula (5.21) se poate aproxima astfel
60
602210
.a
.a
a
Re. Nu
. (5.22)
Atunci când atmosfera este complet liniştită (va=0), componenta convectivă se determină cu
aaa Pr Gr m Nu (5.23)
în care
a
a
a pca g
DT T Gr
2
3
(5.24)
este numărul lui Grashof. În expresia acesteia, pe lângă mărimile definite mai înainte, intervinvâscozitatea cinematicâ a a aerului, coeficientul de dilatare volumică a al acesteia şi acceleraţia
gravitaţională g. De obicei, pentru conductele magistrale, 510aa Pr Gr şi m=0.53 şi =0.25.
Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură prin convecţie 1 de la lichidul din
conductă la peretele interior al conductei trebuie calculat raportul p / , dintre vâscozitatea
lichidului la temperatura T din axul conductei şi cea de la peretele interior T p.
Pentru eliminarea acestei dificultăţi, se alege o temperatură T p<T şi se calculează 1 cuajutorul formulei care corespunde regimului de curgere din conductă, iar după aceea se determină
coeficientul global de transfer de căldură k . În continuare, se utilizează relaţia
01 T T k T T p (4.25)
care dă
01
T T k
T T p
. (5.26)
Dacă valoarea temperaturii T p care rezultă din această formulă coincide cu aceea admisă
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 93/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 5 91
iniţial, calculul se opreşte aici. În caz contrar se admite o altă valoare a temperaturii T p şi se reia
calculul. Dacă variaţia temperaturii din conductă se stabileşte cu ajutorul formulei simplificate (5.6),
se utilizează valorile medii ale coeficientului global de transfer de căldură k , respectiv al
coeficientului a, pe un tronson de conductă. Lungimea l j a unui astfel de tronson se stabileşte din
formula (5.5)
02
01ln1
T T
T T
al
j
j
j
(5.27)
unde T 1 j, şi T 2 j sunt temperaturile la intrarea, respectiv la ieşirea din tronson, fixate în prealabil.
Coeficientul a se calculează la o temperatură constantă definită prin formula
3
2 21 j j
mj
T T T
. (5.28)
Determinarea temperaturii T p a peretelui interior al conductei se efectuează tot prin procedeul
prezentat mai înainte, cu observaţia că se alege o valoare T p<T mj, iar în formula (5.26), temperatura
T se înlocuieşte cu T mj.
5.3.2. Determinarea numărului şi amplasamentului staţiilor de încălzire
Temperatura de încălzire fiind limitată, aşa cum am precizat mai înainte, atunci când conductaare o lungime mare nu este suficientă o singură staţie de încălzire aşezată în punctul iniţial. Este
deci necesar să se amplaseze una sau mai multe staţii intermediare de încălzire. Numărul acestor
staţii se poate determina dacă se fixează temperatura de încălzire T 1 şi temperatura finală T 2, definită
mai înainte. Această temperatură trebuie să fie cel puţin egală cu temperatura minimă care asigură
transportul în condiţii normale. De obicei, pentru T 2 se consideră o valoare cu 2 - 3 grade superioară
temperaturii minime admisibile. În acest mod, din formula (5.27) se obţine
1
2 0
d1T
T e
T T T
al (5.29)
l e fiind lungimea pe care este eficace o staţie de încîlzire, adică distanţa dintre două staţii succesive.
Raportul
el / l n (5.30)
reprezintă numărul total de staţii de încălzire necesare. De obicei, n este un număr fracţionar care
trebuie rotunjit la numărul întreg imediat superior. O determinare mai puţin exactă a numărului de
staţii de încălzire se poate efectua şi cu ajutorul formulei (5.5) din care rezultă
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 94/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
92 Capitolul 5
02
01ln1
T T
T T
al e
. (5.31)
Dacă intervalul de temperaturi [T 2,T 1] este mare, eroarea poate fi importantă deoarece
coeficientul a se calculează la o valoare medie a temperaturii conform formulei (5.28). Pentru
eliminarea acestei inconvenient este recomandabil împărţirea intervalului [T 2,T 1] în mai multe
subintervale corespunzând la diferenţe mici de temperatură pentru care a are valori constante, dar
diferite. Însumarea lungimilor astfel determinate dă distanţa totală între două staţii succesive.
În figura 5.3 este indicată determinarea grafică a amplasamentului staţiilor de încălzire pentru
cazul n=5. Pentru cazul rotunjirii în plus, distanţa l 1 dintre ultima staţie şi punctul final al conductei
este mai mică decât l e.
Figura 5.3
Se observă că, deoarece numărul staţiilor de încălzire se rotunjeşte în plus, petrolul brut iese
din conductă cu o temperatură superioară celei minime admise care este T 2.
Este remarcabil că amplasarea staţiilor de încălzire să se facă în aceleaşi locuri cu staţiile de
pompare intermediare. În acest fel se realizează exploatare şi o întreţinere mai uşoară a staţiilor de
încălzire.
5.3.3. Decongelarea conductelor şi combaterea depunerilor de parafină
Dacă într-o conductă se produce totuşi o congelare a lichidului transportat, decongelarea se
poate face prin pomparea aceluiaşi lichid sau a altuia mai puţin congelabil, încălzit în prealabil la
temperatura maximă posibilă. Dacă prin congelare s-a astupat conducta complet se poate încerca
desfundarea acesteia prin presiune, cu ajutorul unei pompe cu abur, ridicându-se gradat presiunea
până la limita admisibilă care este presiunea de probă a conductei. În felul acesta se poate desfunda
numai o conductă scurtă, iar dacă operaţia trebuie aplicată la o conductă mai lungă trebuie să se
procedeze pe tronsoane.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 95/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 5 93
Dacă pe pereţii interiori ai conductei se depune parafina, acesta se curăţă prin răzuire,
făcându-se să circule prin conductă un curăţitor de parafină (godevil). Acesta este alcătuit dintr-o
tijă articulată în unul sau două puncte, astfel ca să poată trece prin porţiunile curbate ale conductei.
Pe tijă sunt montate 4 - 6 roţi tăietoare şi un număr de lame elastice din oţel, în formă de spirală, cu
ajutorul cărora se curăţă parafina depusă. Tot pe tijă sunt montate şi două garnituri de etanşare.
Curăţitorul este împins cu ajutorul lichidului etanşarea fiind asigurată de garnituri, iar în timpul
deplasării lamelele spirale din oţel răzuie parafina de pe perete.
Lansarea şi primirea curăţitorului se efectuiază printr-o claviatură specială, numită gară de
lansare a curăţitorului (gara de godevil). După cum se este montată, una şi aceeaşi gară poate servi
la lansarea sau la primirea curăţitorului (figura 5.4).
Figura 5.4
Pentru lansarea curăţitorului, pomparea se face normal, ventilele 1 şi 3 fiind închise şi ventilul
2 deschis. După ce se desface capacul 4 şi se introduce godevilul, se închide ventilul 2 şi se deschid
ventilele 1 şi 5. Lichidul trece prin conducta de ocolire şi împinge curăţitorul. Pentru primirea
curăţitorului, în gara de sosire se deschide ventilele 1 şi 3 şi apoi se închide ventilul 2. Curăţitorul,
împins de lichid, se opreşte între 1 şi 4. Pentru scoaterea lui se închid ventilele 1 şi 3 se deschide
ventilul 2 şi se desşurubează capacul 4.
5.3.4. Calculul hidraulic al conductelor pentru transport la cald
În cazul când printr-o conductă se transportă ţiţei sau orice produs încălzit, calculul căderii de
presiune este mai complicat deoarece panta hidraulică nu mai este, în general, constantă ci poate
depinde de temperatură. Pentru a putea determina variaţia presiunii în conductă în aceste condiţii,
considerăm un element de lungime dx al acesteia pentru care căderea de presiune are expresia
z g xd
Q p dd
8d
52
2
(5.32)
care se mai poate scrie sub forma
z idxh g
pdd
d
(5.33)
dacă utilizăm expresia pantei hidraulice.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 96/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
94 Capitolul 5
Dacă presupunem temperatura din conductă constantă, curgerea fiind izotermică, avem
z xih g
p
iii
i
ddd
d
(5.34)
unde panta hidraulică ii are expresia
52
28
gd
Qi iii
(5.35)
Obţinem prin urmare imediat
i
i
i
i
iiiii
Q
Q
Q
Q
i
i
222
(5.36)
deoarece
iiQQ (5.37)
debitul masic fiind independent de temperatură. Pentru simplificare introducem notaţiile
xi z h H xi z h H iii dddd;dddd (5.38)
şi prin împărţire găsim succesiv
ii
i
ii H H i
i
H ddd
2
(5.39)
xi H ii
i dd2
. (5.40)
Prin integrare între două secţiuni notate cu 1 şi 2 (intrarea, respectiv ieşirea din conducte),
rezultă
xi H H
i
ii d2
1
2
21
(5.41)
sau
xi g
p
g
p
i
ii d2
1
2
2
2
1
1
. (5.42)
Calculul integralei (5.42) nu se poate efectua decât după ce facem schimbarea de variabilă
(5.3) deoarece şi depind de temperatura T . Se obţine astfel
120
2
2
2
1
1 d1
2 z z T T a
T
i g
p
g
p T
T i
i
i
(5.43)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 97/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 5 95
T 1 fiind temperatura de intrare în conductă, iar T 2 temperatura la ieirea din aceasta.
Pentru a se determina căderea de presiune în conductă, se alege curgerea izotermică de
comparaţie, fixând temperatura acesteia, şi calculând iii i ,, cu formulele cunoscute, după care
coeficientul a se calculează în funcţie de temperatură, iar coeficientul de rezistenţă funcţie de
temperatură se face utilizând formula (1.16). Cunoscând valorilor T 1 şi T 2 integrala din membrul
drept al formulei (5.43) se calculează numeric. Legătura dintre lungimea l şi temperatură este
1
20
d1T
T T T
T
al (5.44)
şi conduce la stabilirea temperaturii T 2 dacă T 1 şi lungimea l sunt cunoscute sau la stabilirea lui T 1
dacă T 2 şi l sunt cunoscute.
Dacă se urmăreşte stabilirea variaţiei presiunii în lungul conductei, se utilizează formula
10
2
1
1 d1 z z T T a
T i
g
p
g
p T
T i
ii
(5.45)
integrarea efectuându-se tot numeric, pentru diferite valori T <T 1 ale temperaturii. În continuare, din
1
0
d1T
T T T
T
a x (5.46)
se stabileşte relaţia dintre temperatură şi distanţa de la intrarea în conductă. În figura 5.5 este
reprezentată curba de variaţie a presiunii în lungul conductei obţinută pe această cale.
Figura 5.5
În regimul laminar sau în regimul turbulent în conducte netede cu Re<105 se obţine prin
transportul la cald cea mai mare reducere a pantei hidraulice, în schimb, în regimul turbulent cu
conducte rugoase, se obţine un efect negativ, de uşoară creştere a pantei hidraulice.
Totuşi, dacă prin transportul la cald se ajunge în regim turbulent în conducte rugoase, rezultă
un avantaj deoarece, la rugozităţi obişnuite, coeficientul de rezistenţă în conducta rugoasă este
mai mic decât în conducta mixtă cu aceeaîi rugozitate relativă decât în regim laminar. În ceea ce
priveşte transportul petrolului brut congelabil, încălzirea urmăreşte un alt obiectiv. Temperatura
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 98/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
96 Capitolul 5
fiind variabilă în lungul conductei şi anume descrescătoare, numărul lui Reynolds variază şi el,
scăzând odată cu creşterea distanţei faţă de secţiunea de intrare în conductă, motiv pentru o
schimbare a regimului de curgere din conductă.
Prin urmare, este necesar ca în intervalul [T 2,T 1] să se determine temperatura T t la care se
produce o tranziţie de felul celor menţionate mai sus. Acest lucru se poate face calculând raportul
iii
ii Q
Q
Re
Re (5.47)
în funcţie de temperatură. Valoarea Rei a numărului lui Reynolds din curgerea izotermică de
comparaţie fiind cunoscută, la fel ca valoarea Ret la care se produce tranziţia rezultă temperatura T t .
Pentru valoarea acestei temperaturi, T t , se determină poziţia secţiunii transversale a conductei
1
0
dT
T t t T T a
T x . (5.48)
Pentru o astfel de situaţie, pentru 0<x<xt se utilizează în (5.45) o formulă pentru coeficientul
de rezistenţă , corespunzător regimului, iar pentru x x lt o altă formulă, de asemenea
corespunzătoare regimului schimbat. Presiunea t p corespunzătoare schimbării regimului este
10
2
1
1 d1 z z T T a
T i g
p g
p t T T
i
ii
t
t t
. (5.49)
Pentru cazul în care pentru transport sunt necesare mai multe staţii de pompare, amplasarea
lor se poate stabili şi grafic similar cazului izotermic. În figura 5.6 este reprezentată amplasarea
staţiilor de pompare pentru n=3, în cazul în care între două staţii succesive se atinge temperatura T t .
Precizăm, de asemenea, că în construcţia din figura 5.6 s-a presupus că staţiile de încălzire au
aceeaşi amplasare ca şi staţiile de pompare.
În cazul în care există staţii de încălzire între staţiile de pompare, curba de variaţie a presiunii poate prezenta o discontinuitate a tangentei în punctele în care se află aceste staţii de încălzire.
Figura 5.6
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 99/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 5 97
5.3.5. R ĂCIREA LICHIDULUI DIN CONDUCTĂ ÎN CAZUL OPRIRII POMPĂRII
În cazul transportului la cald, dacă dintr-un motiv oarecare se opreşte pomparea, lichidul aflat
în conductă începe să se răcească. Dacă temperatura scade destul de mult, la reluarea pompării pot
să apară dificultăţi, fie din cauza creşterii vâscozităţii, fie pentru că s-a produs fenomenul de
congelare.
Este util să se determine variaţia în timp a temperaturii din conductă, într-o secţiune oarecare,
după oprirea pompării. Considerăm un element de volum situat la distanţa x de intrarea în conductă,
în care se află masa de lichid dx / d 42 . În momentul opririi pompării (t =0) temperatura xT se
poate determina cu una din formulele (5.4) sau (5.6).
La momentul oarecare t temperatura masei considerate este xT T , iar ecuaţia de bilanţ va da
t xT T d k t xcd
dddd4 0
2
(5.50)
c, k şi 0T având semnificaţiile cunoscute, sau
0
d
4
1d
T T
T
k
cd t
. (5.51)
Aşa cum am precizat mai înainte, ,c şi k sunt funcţii de temperatură prin urmae, timpul încare temperaura scade de la xT la T este
xT
T T T
T
k
C d t
0
d
4 (5.52)
Integrarea se poate efectua numeric, dând temperaturii xT T T , un şir de valori
descrescătoare şi găsind astfel timpului t . Pentru cazul în care , c şi k pot fi admise constante, din
(5.52) rezultă
0
0ln4 T T
T T
k
cd t x
(5.53)
sau
cd
kt
x eT T T T
4
00 . (5.54)
Formulele (5.53) şi (5.54) pot fi utilizate pentru a se determina timpul maxim admisibil de
staţionare a lichidului în conductă. Pentru aceasta se înlocuieşte temperatura T cu valoarea ei
minima admisibilă.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 100/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
98 Capitolul 5
Coeficientul global de transfer de căldură se calculează tot cu formulele (5.9) sau (5.10) în
care coeficientul 1rezultă din formula
nr r P GC Nu (5.55)
unde numărul lui Prandtl r P şi numărul lui Nusselt Nu au expresiile (5.11) respectiv (5.12) iar
numărul lui Grashoff r G este
g
d T T G P
r 2
3
(5.56)
fiind coeficientul de dilatare volumică al lichidului.
Coeficientul C şi exponentul n depind de valorile produsului r r P G aşa cum se arată în tabelul
5.1.
Tabelul 5.1
G Pr r C n
10 5 103 3 .... 1.18 1/8
5 10 2 103 7 .... 0.57 1 4/
2 10 107 13 .... 0.135 1/3
Temperatura pT a peretelui interior al conductei se determină tot cu ajutorul formulei (5.26)
prin acelaşi procedeu.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 101/140
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 6 99
Capitolul 6TRANSPORTUL FLUIDELOR NENEWTONIENE PRIN
CONDUCTE
6.1. GENERALITĂŢI
În general, fluidele nenewtoniene sunt acelea la care nu există proporţionalitate directă între
eforturile unitare si vitezele de deformaţie. Există o mare varietate de astfel de fluide şi ca urmare
mai multe clasificări posibile. Toate fluidele care nu respectă legea lui Newton, nu au o vâscozitate
constantă, sunt numite nenewtoniene.
În general, vâscozitatea scade cu valoarea tensiunii sau a vitezei de deformaţie: materialele se
fluidizează, devin mai maleabile. Aceasta se explică prin alinierea, orientarea particulelor
(asimetrice) în suspensie, desfăşurarea lanţurilor de polimeri, astfel încât să opună o rezistenţă mai
mică la curgere. Asemenea fluide, dacă diagrama de scurgere trece prin origine, se numesc pseudo-
plastice (fig. 6.1 si 6.2)
Fig. 6.1 Fig. 6.2
Mai rar se întâlnesc fluide a căror vâscozitate creşte cu viteza de deformare. Asemenea
comportare se întâlneşte în sistemele cu concentraţie mare si dispersie grosieră, aceste materialenumindu-se dilatante.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 102/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
100 Capitolul 6
Sunt două grupe de fluide, şi anume fluide dependente de timp şi fluide independente de timp.
La fluidele dependente de timp, vitezele de deformaţie depind de mărimea şi de durata eforturilor
unitare, precum şi de istoria solicitărilor. În cazul în care efectul timpului este reversibil apar, fie o
comportare tixotropică, la care eforturile unitare tangenţiale scad în timp, fie o comportare
reopatică, la care eforturile tangenţiale unitare cresc în timp.
La fluidele independente de timp, vitezele de deformaţie într-un punct depind doar de
eforturile unitare în acel punct. O astfel de comportare caracterizează de altfel şi fluidele
newtoniene.
Fluidele nenewtoniene independente de timp (figura 6.1) pot fi clasificate în fluide cu prag de
efort unitar şi fluide fără prag de efort unitar.Primele mai sunt cunoscute şi sub denumirea de fluide monoplastice, cel mai cunoscut fluid
din această categorie fiind acela al lui Bingham. Fluidele fără prag de efort unitar au, fie o
comportare psudoplastică, fie o comportare dilatantă (figura 6.2). Cel mai simplu model de fluid
pseudoplastic este acela denumit Ostwald de Waele. În sfârşit, mai există şi fluide vâscoelastice,
care poseda simultan proprietăţile elastice şi proprietăţile vâscoase. Cel mai cunoscut model de
lichid vâscoelastic este acela al lui Maxwell.
6.2. MIŞCAREA FLUIDELOR BINGHAMIENE PRIN CONDUCTE
Uneori, petrolul brut are o comportare deosebită de aceea a unui fluid newtonian, adică
proporţionalitatea dintre viteza de deformaţie şi tensiunea care o produce. Apar situaţii în care, chiar
un fluid newtonian, cum ar fi apa, împreună cu suspensii mecanice, (granule de argilă, nisip)
formează un fluid cu o comportare nenewtoniană, Un model de fluid nenewtonian, des întâlnit în practică cu o comportare foarte apropiată de cea monoplastică, este acela de fluid plastic Bingham
sau binghamian. Acest model conţine două constante reologice, şi anume pragul de curgere p , care
este efortul unitar tangenţial sub a cărui valoare nu apar viteze de deformaţie şi vâscozitatea plastică
(structurală) p. Pentru curgerea laminară printr-o conductă de secţiune circulară, relaţia dintre
efortul unitar tangenţial şi viteza de deformaţie are pentru acest fluid expresia:
d
d p
v
r
(6.1)
Există diverse clasificări ale fluidelor reale pe baza comportării lor reologice, O clasificare
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 103/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 6 101
posibilă, după Metzaner, este următoarea:
1.fluide "pur" vâscoase sau independente de timp newtoniene: vâscozitatea este independentă
de tensiunea de forfecare nenewtoniene: vâscozitatea este o funcţie de tensiunea de
forfecare
2.fluide dependente de timp
3.fluide vâscoelastice: viteza de deformare şi vâscozitatea depind de tensiuni şi de mărimea
deformaţiilor
4.fluide reologice complexe: posedă caracteristici comune categoriilor anterioare.
Cu observaţia că 0dv
dr legea de variaţie a vitezei în secţiunea transversală rezultă din
echilibrul dinamic al unui dop de fluid de rază r
1
222
4 4 2 p
p p
p p d d v r r
l
(6.2)
1 2 p p p fiind căderea de presiune pe lungimea 1 a conductei de diametru interior d .
Viteza medie definită cu ajutorul relaţiei :
2
20
8
a
mV v r dr d
(6.3)
are expresia
2
32 6 p p
m
p p
sV d d
l
(6.4)
în interiorul tubului există un cilindru de rază2 p
d r pe care viteza fluidului devine constanta, ceea
ce înseamnă că, în acest punct
0dv
dr , de unde se deduce raza
l s
r p
p p
2 (6.5)
Aceasta înseamnă că formula (6.4) este valabilă pentru2 p
d r r , după cum fluidul se deplasează
cu o viteză constantă dată de relaţia:
2
4 2 p
p
p pr r
p
s d
v v r l
(6.6)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 104/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
102 Capitolul 6
Se observă că această rază depinde de constanta p
şi pentru un fluid newtonian r p=0. Debitul
de fluid prin întreaga secţiune transversală a conductei are expresia:
222
p
d
p p
r
Q v r dr r V
(6.7)
V p fiind viteza din interiorul tubului de rază r p dată de (6.6). După efectuarea calculelor rezultă
44 4 44 11
128 3 3 p p p
p p p
d s l l Q
l d s d s
(6.8)
relaţie care poartă numele de formula lui Buckingham. Aceasta mai poate fi scrisă sub forma
430
0 0
4 11
32 3 3 p p
p
d Q
(6.9)
0 fiind efortul unitar tangenţial la peretele conductei.
Dacă se introduce viteza medie V m în secţiunea transversală a conductei rezultă
4
0
0 0
8 4 11
3 3 p pm
p
V
d
(6.10)
mărimea8
mV
d
fiind numită şi funcţia de curgere. Dacă se introduc parametrii adimensionali
Re ;mb
p
V d
p
m p
d Y
V
2
2
p
e
p
d H
(6.11)
care sunt respectiv numărul Reynolds modificat, factorul de forfecare şi numărul lui Hedstrom,
coeficientul de rezistenţă B la mişcarea fluidului binghamian se poate scrie în două moduri:
Re , ; Re , B B b B B b eV H
(6.12)
Aceste două funcţii au expresiile:
4
3 4
1 48
Re 64 6 Re 3 Re B
B B B B
Y Y
(6.13)
4
3 4
1 48
Re 64 6 Re 3 Ree B
B B B B
H Y
(6.14)
Relaţia (6.14) este mai simplă, dar are dezavantajul de a conţine viteza medie atât în factorul
de forfecare, cât şi în numărul modificat al lui Reynolds, în timp ce relaţia (6.14) conţine viteza doar
în numărul modificat al lui Reynolds. Pentru fluide newtoniene, 0e
H şi 0 ambele ecuaţii
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 105/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 6 103
(6.13) şi (6.14) se reduc la dreapta lui Stokes:
64
Re
(6.15)
Distribuţia de viteze, tensiuni şi viteze de deformare sunt prezentate în figura 6.3, iar în figura
6.4 este ilustrat efortul tensiunii critice de forfecare p asupra vitezelor de curgere pentru o tensiune
de forfecare ia 0 dată.
Fig. 6.3. Distributia de viteze , tensiuni de forfecare si a vitezelor de deformare la scurgerealaminara prin conducte circulare a fluidelor laminare
Fig. 6.4. Efectul tensiunii critice de forfecare asupra profilului vitezelor la curgerea laminară
Tranziţia de la regimul laminar la cel turbulent se produce pentru membrana critică (Re B )C a
numărului lui Reynolds calculată din formula propusă de Hanks.
44 1Re 1
8 5 4
e B c cC
c
H x x
x
(6.16)
unde xc este valoarea critică a lui x, definită prin formula
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 106/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
104 Capitolul 6
3 168001
c e
c
x H
x
(6.17)
Cu x este notat raportul dintre tensiunea tangenţială r p şi membrana tensiunii tangenţiale la
peretele tubului cilindric r 0.
Dependenţa dintre B ,Re B şi Y din figura 6.4, precum şi variaţia coeficientului de rezistenţă
X B B în funcţie de numărul lui Reynolds modificat şi numărul lui Hedstrom redată în figura 6.5
arată că tranziţia de la mişcarea laminară la cea turbulentă se produce pentru un fluid binghamian la
valori mai mari ale numărului lui Reynolds decât pentru un fluid newtonian.
Dacă analizăm relaţia (6.16) şi neglijăm termenul ce îl conţine pe x4c , înlocuind tensiunea
tangenţială la perete 0 în funcţie de coeficientul de rezistenţă se obţine
641
6 p p
B
m p m
d
V d V
. (6.18)
Această formulă este echivalentă ce aceea pentru un fluid newtonian dacă se introduce
termenulc
sub forma
16
p
B p
p m
d
V
(6.19)Admiţând valoarea critică a numărului lui Reynolds, cuprinsă în intervalul 2100..3000 rezultă
2100...3000
16
m
p
p
p m
V d
d
V
(6.20)
Pentru un tub cu diametrul interior relativ mare termenul6
p
p m
d
V
este mult mai mare decât
unitatea ceea ce face ca viteza media critică să aibă aproximativ valoarea
18.70..22.36 p
m C V
(6.21)
Această relaţie, deşi aproximativă, este importantă deoarece arată că dacă p
este mai mare
decât 4,478 N/m2 , viteza critică depăşeşte viteza normală de transport. Aceasta înseamnă că
mişcarea turbulentă a unui fluid binghamian, având o tensiune p
mai mare decât 4,478 N/m2 poate
fi întâlnită numai rareori. Pentru conducte netede, în regim turbulent, coeficientul de rezistenţă se
poate calcula cu formula lui Tonuta
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 107/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 6 105
12.27 lg( ) 0.8 Re
(6.22)
de aceeaşi formă cu cea valabilă pentru fluidele newtoniene, sau cu formula lui Terrance
12.27 lg( ) 1.83 Re
(6.23)
În ceea ce priveşte mişcarea turbulentă a unui fluid bingham printr-o conductă rugoasă, se
recomandă utilizarea formulei lui Nikuradze.
6.3. TRANSPORTUL FLUIDELOR CU PRAG DE TENSIUNE
Un model de fluid cu prag de tensiune este şi acela numit Herschel-Bulkley. Pentru curgerea
printr-o conductă de secţiune circulara 0dr / dv , efortul tangential unitar este
n
p
dvk
dr
. (6.24)
Modelul are trei constante reologice, şi anume p, k şi n. În afara dopului rigid cu raza
pr 2 pd r r
, viteza are expresia
1 1
1 2 1 21
21 2
2
4 2
n n
n n
p p
p p d p p r nV
l l k p p
, (6.25)
iar raza r p este dată tot de formula (6.5). Viteza donului risid este
11
1 2
1 2 2
n
n n
p p
p pn d V r
n kl
(6.26)
şi se observă că dacă înlocuim k= p şi n=1 regăsim formulele (6.2) respectiv (6.8).
2 2
230 0
013
1 2
28
3 1 2 1 1 p p p p
p
n
nl Q
n n nk p p
(6.27)
şi pentru k p şi n=1 se reduce la formula lui Buckingham (6.9).
Dacă definim numărul lui Reynolds prin forma
2 1
1Re8
n n
mn
V d k
(6.28)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 108/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
106 Capitolul 6
coeficientul de rezistenţă în regim turbulent, pentru conducte netede, rezultă din formula lui
Terrance
21 2.27 2.27 0.34 0.02lg(1 ) lg Re (5 8) 0.79
n
x nn n n n
(6.29)
unde0
p x
. Pentru conducte rugoase, tot Terrance a propus formula
1 2.03 1.32lg 3
2
d
n k n
. (6.30)
Exemplu de calcul nr. 1. Un fluid Bingham curge printr-o conductă cu diametrul interior d =0,2m
şi lungimea l = l000m cu debitul Q = 0,02 m3/s. Densitatea fluidului este =1200 kg/m3,
vâscozitatea plastică p = 0,05 Ns/ m2 şi pragul de curgere p = 20 N/m2. Să se stabilească dacă
mişcarea este laminară sau turbulentă şi să se calculeze apoi căderea de presiune. Să se găsească
apoi raza dopului rigid. Rezolvare: Se calculează mai întâi numărul lui Hedstrom din (6.11)
2 2
2 2
1200 20 0.238400
0.05 p
e
p
d H
iar relaţia (17) devine
3
38400022.857
16800 168001c e
c
x H
x
Această ecuaţie de gradul al treilea are două rădăcini complexe conjugate şi o rădăcină reală,
xc=0.688, care este valoarea căutată a lui xc.
Calculăm acum din (6.16) valoarea critică a numărului lui Reynolds care este
4 44 1 384000 4 1Re 1 1 0.6888 0.6888 10916
8 5 4 8 0.6888 3 3
e
B c cC c
H x x
x
Pe de altă parte, din (6.11) se obţine
4 4 1200 0.2Re 3056
0.05 0.2m
b
p p
V d Q
d
Şi deoarece Re < Rec regimul de mişcare din conductă este laminar.
Coeficientul de rezistenţă se calculează, deci, din relaţia (13) care devine
4 4
4 7 7 4 4
1 Re 1 64 3056 384000 64 384000 20.9464 0.186347.75
64 6 Re 3 Re 64 6 3056 6 3056
e e H H
şi conduce la ecuaţia de gradul al patrulea 4 30.4595 0.0039 0 . Această ecuaţie are două
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 109/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 6 107
rădăcini reale şi două complexe conjugate.
Cele două rădăcini sunt 1 0.2775 si 2 0.3973 şi pentru a constata care este aceea valabilă, se
calculează căderile de presiune corespunzătoare
2 2 2
211 2 1 2 5 2 51
8 8 1200 0.02 0.22791000 337886 /
2 2 0.2m
V Ql p p l N m
d
2 2 2
221 2 2 2 5 2 5
8 8 1200 0.02 0.39732 1000 403059 /
2 2 0.2m
V Ql p p l N m
d
şi razele respective ale cuplului rigid
1 1 2 1
21 2 2
202 2 1000 0.118
33788620
2 2 1000 0.083483059
p
p
p
p
r l m p p
r l m p p
Deoarece r p1>r 0 , unde 0 0.12
d r m este raza interioară a conductei, rezultă că soluţia valabilă este
5 21 2 p 4.83 10 / p N m ; respectiv 0.083 p
r m .
Viteza doplului rigid are, conform (6.6), valoarea
2
21 2 4830590.1 03083 0.698 /
4 2 4 0.05 1000 p p
p
p p d V r m s
l
. Ca verificare, se calculează
efortul unitar tangenţial la perete 31 20
4830590.2 24.153 /
4 4 1000
p pd N m
l
şi se utilizează apoi
formula (6.10) care dă
4 4
0
0 0
8 4 1 24.153 4 20 1 201 1 25.430 /
3 3 0.05 3 24.153 3 24.153 p pm
p
V l s
d
Pe de altă parte, cu datele problemei rezultă3 3
8 32 32 0.0224.465 /
0.2m
V Ql s
d d
şi eroarea faţă de
această valoare exactă este de 0,14% ceea ce arată că soluţia aleasă este valabilă.
6.4. TRANSPORTUL FLUIDELOR PSEUDOPLASTICE
Numeroase fluide nenewtoniene încadrează în categoria fluidelor pseudoplastice; pentruacestea, relaţia cea mai simplă, între efortul unitar tangenţial şi viteza de deformaţie este
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 110/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
108 Capitolul 6
ndv
k dr
(6.31)
şi corespunde modelului de fluid Ostwald de Waele, care are două constante reologice, k şi n.
Legea de variaţie a vitezei în secţiunea transversală, obţinută prin integrarea ecuaţiei de
mişcare în coordonate cilindrice pentru anumite condiţii limită [1], este
11 1
1 2
1 2 2
n
n
n
n n p pn d v r
n kl
(6.32)
În figura 6.5 este ilustrat efortul exponentului n asupra profilului vitezei şi al vitezei de
deformare. Depărtarea lui n faţă de unitate implică o aplatizare a distribuţiei de viteze.
Fig. 6.5. Efectul exponentului n asupra profilului vitezei şi al vitezei de deformare
Debitul volumic se calculează cu relaţia
1 3 1
2 1 2
0
23 1 2 2
d n
n n p pn d Q v r dr n kl
(6.33)
Dacă se defineşte numărul lui Reynolds prin formula
2
Re 81
n n n
mV d n
n k
, (6.34)
coeficientul de rezistenţă în regim laminar are expresia
64
Re
(6.35)
Trecerea de la regimul laminar la cel de tranziţie se produce la valoarea critică a numărului lui
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 111/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 6 109
Reynolds
212
6464Re
13 1
2
c nn
n
nn
(6.36)
Dacă se consideră diagrama = Re
trasată de Dodge şi Metzner în figura 6.6, Re definit
prin (6.34), după prelucrarea ei, se admite că la Re < 3470 -1370n curgerea este laminară, Re [3470
-1370n, 4270 -1370n] curgerea este tranzitorie Re > 4270 -1370n curgerea este turbulentă.
Fig. 6.6. Rezistenta hidraulica pentru fliude Ostwald- de Waele si Metzner-Reed
Pentru calcularea coeficientului de rezistenţă în regim turbulent, în conducte netede, se poate
utiliza formula (6.29) în care se introduce x=0, obţinându-se astfel formula lui Chapp:
21 2.27 0.34 0.02
lg Re 5 8 0.79n
nn n n
(6.37)
Pentru conducte rugoase, formula (6.30) este aplicabilă şi în acest caz.
În ceea ce priveşte fluidele vâscoelastice, în cazul regimului laminar, gradientuî de presiune
nu este afectat de proprietăţile elastice. Ca urmare, pentru curgerea prin conducte a acestor fluide
rămân valabile ecuaţiile fluidelor pseudoplastice. în regim turbulent, vâscozitatea are ca efectreducerea frecării, respectiv a căderii de presiune.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 112/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
110 Capitolul 6
Exemplul de calcul nr. 2. Printr-o conductă cu diametrul interior d = 0.15 m şi lungime 1 = 1200
m, curge un fluid Ostwald de Waele cu densitatea = 1300 kg/m3 şi proprietăţile k = 0,6, n = 0,7.
Debitul fiind Q = 0.01m3/s să se calculeze căderea de presiune presupunând conducta netedă.
Rezolvare: Pentru a stabili, în primul caz, care este regimul de curgere din conductă, se calculează
din (6.36) valoarea critică a numărului lui Reynolds
2 0.7 2
1 0.7 12 2
6464 6464 0.7Re 2280
1 13 1 3 0.7 1
2 0.7 2
c n
n
n
nn
din formula (6.34) rezultă
2 2 3 4
2
2 0.7 30.7 4
2 0.7
Re 8 1281 4 6 2
1300 0.01 0.50.7128 476
4 6 0.7 2 0.6
nn n n n n
m m
n
n
V d Q d n n
n k n k
şi deoarece Re < Rec regimul este laminar. Coeficientul de rezistenţă are, deci, valoarea
64 640.1345
Re 476
dată de formula (6.35), iar căderea de presiune este
2 2 22
1 2 2 5 2 5
8 8 1300 0.01 0.1345223965 /
2 0.15m
V l Q l p p N m
d d
Viteza maximă, în axa conductei, se obţine din formula (6.32) în care se introduce r =0, rezultă
1 1 10.7 1
2 0.71 2 2
max
0.7 2239650.075 1.032 /
1 2 2 0.7 1 2 0.6 1200
n
n p pn d V m s
n kl
In al doilea caz, proiectând puţin diferit, se calculează mai întâi viteza medie
2 2
4 4 0.084.527 /
0.15m
QV m s
d
şi apoi numărul lui Reynolds direct din formula (6.34)
0.72 2 0.7 0.70.7 1300 4.527 0.15Re 8 8 7105
6 2 6 0.7 2 0.6
n n n
mV d n
n k
şi deoarece Re > Rec regimul este turbulent. Pentru a se calcula coeficientul de rezistenţă , se
utilizează formula (6.37) care, cu datele problemei, devine
313.242857 lg 7105 3.004286
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 113/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 6 111
şi, prin încercări, dă
0.0264
Căderea de presiune este prin urmare
2 22
1 2 2 5 2 5
8 8 1300 0.01 0.02641200 2813471 /
0.15
Q p p l N m
d
.
6.5. DEPENDENŢA DEBIT-CĂDERE DE PRESIUNE
În principiu, dacă ecuaţia constitutivă a unui fluid oarecare este cunoscută, stabilirea relaţiei
debit-cădere de presiune este posibilă prin integrarea ecuaţiilor de mişcare. Reciproc, din datele
debit-cădere de presiune obţinute într-un vâscozimetru capilar pot fi calculate constantele reologice,
cu condiţia cunoaşterii modelului de curgere. Se întâmplă, relativ frecvent, să nu se poată descrie
corect comportarea unui fluid nenewtonian real cu ajutorul unui model din categoriile menţionate
mai înainte. Apar astfel situaţii în care constantele reologice ale fluidului îşi valorile în funcţie de
domeniul de viteze de deformaţie în care se petrece curgerea.
Metzner şi Reed au propus o procedură generală, valabilă pentru orice tip de fluid, care
permite calcularea căderii de presiune printr-o conductă, dacă se dispune de date debit-presiune
măsurată într-o altă conductă sau cu un vâscozimetru capilar. În prealabil, este necesară stabilirea
unor relaţii generale între debit şi efortul unitar tangenţial la perete. Se scrie astfel, în primul rând,
expresia debitului
2 20 0 0
2 2
0 0 0
2r r r
Q vr dr v d r r dv
(6.38)
rezultat la care se ajunge prin integrarea prin părţi, ţinând seama de faptul că la 0 2
d r viteza este
nulă. Efortul unitar tangenţial la o rază oarecare r este legat de acela la perete prin relaţia
00
r
r
(6.39)
iar pentru fluide independente de timp se poate scrie
d
d
v
r
(6.40)
unde este vâscozitatea aparentă.
Ca urmare, din (6.38) se obţine
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 114/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
112 Capitolul 6
20 03 3
2 0300 0
r
r Q r dr d
(6.41)
sau
0 3
30 0
8 4mV
d d
(6.42)
respectiv
34
30
8 4
4
d P
m
d
V d
d P
(6.43)
unde, pentru simplificare, s-a introdus notaţia
1 2 p p P
l
(6.44)
pentru gradientul de presiune.
Dacă expresia vâscozitaţii aparente este cunoscută, integrarea (6.43) se poate calcula şi se
obţine astfel o relaţie între viteza medie de forfecare (sau debit) şi căderea de presiune.
Prin derivarea formulei (6.43) în raport cu 4d
P
şi utilizarea formulelor (6.40) şi respectiv (6.42)
se obţine
0
881 3
4 4 44
m
d m
d
V d
P V dv d
P dr d d
(6.45)
0
dv
dr
fiind viteza de deformaţie la perete. Acest rezultat este cunoscut sub numele de ecuaţia
Rabinowitsch-Mooney. Metzner şi Reed au scris această ecuaţie sub forma
0
8ln
8 3 1
4 4ln
4
m
m
d
V d
V dv d
pdr d d
(6.46)
sau
0
3 ' 1
4 '
dv n
dr n
(6.47)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 115/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Capitolul 6 113
unde
8ln
'ln
4
m
d
V d
d n p
d
(6.48)
Potrivit acestei relaţii, n’ este panta curbei8
4d m
p V f
d
reprezentată în coordonate
logaritmice. Relaţia sugerează posibilitatea scrierii ecuaţiei
'8
'4
n
d m p V
k d
(6.49)
ceea ce în coordonate logaritmice constituie ecuaţia tangentei la curba8
4d m p V
f d
k’ este
valoarea intersecţiei acestei drepte cu axa4
d p
la8
1mV
d .
Pentru regimul laminar se pune
64
Re B
(6.50)
ReB fiind numărul lui Reynolds generalizat a cărui expresie este
2 ' '
' 1Re
8 '
n n
m B n
V d
k
(6.51)
Formula (6.50) este bine verificată experimental pentru numeroase fluide cu sau fără prag de
efort unitar. Dacă se consideră curba8
4d m p V
f d
determinată experimental, n' este panta acestei
curbe reprezentată în coordonate logaritmice. Se observă că atât V cât şi n' nu sunt constante şi
depind de valoarea vitezei medie de forfecare.Practic, fluid orice fluid poate fi aproximat pe porţiuni cu modelul Ostwald de Waele.
Formula (6.49) devine în acest caz
83 1
4 4
nn
d m p V n
k n d
(6.52)
iar Re B are expresia (6.34). Valorile constantelor reologice k şi n determinate experimental, pentru
diferite domenii de variaţie a mărimii8
mV
d
permit aproximarea curbei8
4
d m p V
f
d
pe porţiuni, cu
ajutorul relaţiei (6.52), şi oferă o metodă simplă de calculare a căderilor de presiune într-o conductă
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 116/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
114 Capitolul 6
În concluzie, generalizarea Metzner-Reed este utilă atunci când dispunem de măsurători
debit-presiune în vâscozimetre capilare sau în conducte industriale.
Pentru cazurile simple ale fluidelor Bingham şi Ostwaldt de Waele, relaţiile stabilite anterior
sunt mai convenabile deoarece nu există determinarea grefică a parametrilor n şi k şi în plus, permit
o delimitare mai precisă a mişcării laminare de cea turbulentă.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 117/140
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Capitolul 7 115
Capitolul 7
TRANSPORT FLUIDELOR COMPRESIBILE
7.1. MIŞCAREA GAZELOR PRIN CONDUCTE
La mişcarea permanentă a unui fluid printr-o conductă cu diametrul interior d , viteza medie de
curgere se calculează cu relaţia
2
4v
d
Qm
, (7.1)
Q fiind debitul volumetric scurs prin conductă. Profilul vitezei în secţiunea conductei depinde de
regimul de curgere, definit prin numărul lui Reynolds
d mvRe , (7.2)
fiind vâscozitatea cinematică a fluidului. Numărul lui Reynolds poate fi scris şi în funcţie de alţi
parametri (viteza maximă a fluidului, raza interioară a conductei), dar cea mai folosită formă în
practică este aceea dată de relaţia de mai sus.
Experienţele au arătat că în tuburile cu secţiunea circulară regimul de curgere este laminar atât
timp cât numărul lui Reynolds nu depăşeşte valoarea critică 300.2Re critic .
Cu toate că regimul laminar este relativ limitat, regimul turbulent fiind mai frecvent întâlnit în
activitatea practică, relaţiile de calcul pentru acest regim concordă foarte bine cu rezultatele
experimentale.
În situaţia regimului laminar, profilul vitezei în raport cu raza tubului este parabolic, fiind dat
de relaţia
2
2
44v r
d
l
p
, (7.3)
iar viteza medie are valoarea
2
32v d l
pm
,
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 118/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------116 Capitolul 7
p fiind căderea de presiune realizată prin frecări pe lungimea l a tubului.
În practică căderea de presiune între două puncte pentru acest regim de curgere se calculează
cu una dintre relaţiile cunoscute în literatură sub denumirea de formulele Hagen-Poiseuille.
2
v32
d
l p m
sau4
128
d
Ql p
. (7.4)
În regimul de mişcare turbulent aceste relaţii îşi pierd valabilitatea. Se consideră că, în
tuburile cu secţiunea circulară, mişcarea devine complet turbulentă dacă numărul lui Reynolds are o
valoare mai mare decât cea critică; mişcarea turbulentă dezvoltându-se complet începând cu o
distanţă egală cu cel puţin (25–40)d de la intrarea în tub.
După ultimele cercetări, în condiţiile mişcării turbulente în secţiunea tubului se pot pune în
evidenţă patru domenii de variaţie a vitezei (figura 7.1).
Fig. 7.1. Delimitarea profilului vitezei în mişcarea turbulentă
Astfel, în imediata apropiere a peretelui viteza fluidului variază aproximativ liniar cu distanţay măsurată de la perete. În acest domeniu tensiunea de forfecare turbulentă este neglijabilă şi,
deoarece variaţia vitezei depinde de vâscozitatea moleculară, întreaga zonă se numeşte substratul
vâscos. După substratul vâscos urmează stratul intermediar (tampon), unde tensiunile de forfecare
datorită vâscozităţii moleculare şi fluctuaţiilor de viteză sunt comparabile ca mărime. Următorul
strat fiind acela complet turbulent unde turbulenţa devine suficient de dezvoltată pentru ca tensiunea
datorită mişcării laminare să fie neglijabilă faţă de aceea turbulentă.
Deoarece viteza medie punctiformă v variază, în acest strat, logaritmic în raport cu distanţa ymăsurată de la perete, stratul se numeşte logaritmic.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 119/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Capitolul 7 117
În jurul axei conductei este zona turbulentă a curgerii unde turbulenţa este complet
dezvoltată. Vom nota cu v viteza de frecare care este definită cu ajutorul relaţiei
0v , (7.5)
în care 0 este valoarea efortului tangenţial de fecare la peretele conductei. În zona stratului
logaritmic distribuţia vitezei adimensionale este dată de relaţia
Byv
lnAv
v *
*
. (7.6)
Cele mai probabile valori ale constantelor A şi B fiind 2,46 şi, respectiv, 5,67. În zonacentrală a curgerii turbulente se utilizează, pentru distribuţia vitezei, tot o relaţie asemănătoare cu
formula (7.6). Uneori, se foloseşte în această zonă o distribuţie a vitezei sub forma
n
R
y
v
vv*
max , (7.7)
n fiind un coeficient cu valoarea aproximativă 1,5. În mişcarea turbulentă, între viteza de frecare v
şi viteza medie vm există relaţia
8vv
m . (7.8)
Indiferent de caracterul mişcării în conductă, laminar sau turbulent, între viteza medie şi
debitul de fluid Q care se scurge prin conductă este relaţia
R
m r r R R
Q
022
dv2
v
. (7.9)
Pornind de la aceste relaţii ale vitezei se poate obţine coeficientul de rezistenţă , într-o
conductă cu secţiunea circulară. Dacă se are în vedere şi relaţia (7.6) se găseşte una dintre corelaţiile
teoretice existente între coeficientul de rezistenţă şi numărul lui Reynolds, Re
811,0Relg005,21
. (7.10)
J.Nikuradze a corectat, în urma datelor experimentale, coeficienţii numerici din această relaţie
scriind-o sub forma
8,0Relg2
1
. (7.11)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 120/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------118 Capitolul 7
Această relaţie asigură o bună concordanţă cu valorile lui obţinute pe cale experimentală. În
practică s-a constatat o bună concordanţă cu rezultatele experimentale dacă coeficientul se
calculează cu formula lui Blasius
25,0Re
3164,0 , (7.12)
valabilă pentru Re < 105 şi formula lui J.Nikuradze
237,0Re
221,00032,0 , (7.13)
valabilă în intervalul 85 10Re10 .
Rezultatele prezentate pot fi utilizate atât timp cât peretele interior al tubului este consideratneted. În acest caz se observă că starea peretelui nu are nici o influenţă asupra caracterului turbulent
al mişcării. În practică, cele mai multe tuburi, cel puţin la valori mari ale numărului lui Reynolds,
nu pot fi considerate ca netede.
Din cauza rugozităţii peretelui, coeficientul de rezistenţă este mai mare decât acela care
rezultă din formulele prezentate pentru tuburile netede. Legile mişcării turbulente prin tuburile
rugoase au deci o mare însemnătate practică dar, cercetările s-au izbit de o dificultate, şi anume de
faptul că numărul parametrilor de rugozitate este mare din cauza formelor geometrice foarte variate.O privire de ansamblu asupra măsurătorilor mai vechi a condus la concluzia că există două
tipuri de rugozităţi. La primul dintre acestea rezistenţa este proporţională cu pătratul vitezei medii,
ceea ce înseamnă că este independent de numărul lui Reynolds. Acest tip se întâlneşte la
rugozităţile destul de mari şi foarte dese, cum ar fi, de exemplu, grăunţi de nisip lipiţi de perete,
ciment, fier brut.
Influenţa peretelui se poate caracteriza printr-un singur parametru de rugozitate d / k s2 ,
denumit rugozitate relativă, unde k s este înălţimea rugozităţilor. În acest caz coeficientul derezistenţă depinde numai de rugozitatea relativă .Cel de al doilea tip de rugozitate se întâlneşte
atunci când rugozităţile peretelui sunt mai reduse sau când un număr mic de rugozităţi se află
repartizate pe o suprafaţă netedă destul de mare cum ar fi, de exemplu, ţevile din fier comercial
uzuale. În acest caz coeficientul de rezistenţă depinde atât de rugozitatea relativă cât şi de
numărul lui Reynolds. Măsurătorile efectuate de către J. Nikuradze care a lipit, cât mai des posibile,
nisip în interiorul tuburilor de secţiune circulară au condus la această concluzie.
În figura 7.2 sunt reprezentate parţial rezultatele măsurătorilor, împreună cu aceleacorespunzătoare regimului laminar, curba 1 şi tuburile netede pentru regimul turbulent, curbele 2, 3.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 121/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Capitolul 7 119
Se constată că în regim laminar toate tuburile rugoase au aceeaşi rezistenţă ca şi acelea
netede. În domeniul mişcării turbulente există, pentru fiecare rugozitate relativă, un anumit interval
de valori ale numărului lui Reynolds, în care tubul rugos are aceeaşi rezistenţă ca şi acela neted. În
acest domeniu, tubul, cu toate că poate prezenta un anumit grad de rugozitate al peretelui, este
considerat neted din punct de vedere hidraulic şi coeficientul de rezistenţă depinde numai de
numărul lui Reynolds. Pentru acest domeniu rezultatele experimentale au arătat că
5v
0
sk . (7.14)
Fig. 7.2. Coeficientul de rezistenţă în funcţie de numărul Reynolds
De la o anumită valoare a numărului lui Reynolds înainte din ce în ce mai mică, pe măsură ce
rugozitatea absolută k s creşte, curba de rezistenţă a tubului rugos se desparte de aceea a tubului
neted. Acest domeniu de tranziţie s-a delimitat în intervalul
70v
5
sk , (7.15)
unde coeficientul de rezistenţă depinde în acelaşi timp şi de numărul lui Reynolds şi de
rugozitatea relativă. La valori mai mari ale numărului lui Reynolds, respectiv pentru
70v
sk
, (7.16)
se ajunge în domeniul complet rugos în care depinde numai de rugozitatea relativă.
Legea logaritmică de repartiţie a vitezei u poate fi utilizată şi la tuburile rugoase sub forma
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 122/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------120 Capitolul 7
Bk s
yln
1
v
v, (7.17)
unde constanta are aceeaşi valoare ca şi mai înainte, iar B=8,48.
În general, ultimul parametru devine o constantă pentru 70v
sk
. Dacă se admite că această
lege este valabilă şi în zona centrală a tubului, se obţine pentru y= R
v
vmax Bk
R
s
ln1
, (7.18)
iar viteza se poate scrie
Rmax
yln
vvv
. (7.19)
Viteza medie din secţiunea tubului poate fi scrisă sub forma
χ - B
k
R
s
m
2
3ln
1
v
v
(7.20)
deci, având în vedere relaţia (7.6), rezultă:
χ - B
k
R
s 2
3ln
18
. (7.21)
Dacă se înlocuiesc constantele şi B rezultă
6921lg00521
,k
R ,
s
. (7.22)
Această relaţie poate fi considerată drept formula de calcul pentru coeficientul de rezistenţă
în domeniul complet rugos. Concordanţa cu rezultatele experimentale ale lui J. Nikuradze este mai
bună, dacă se modifică valorile coeficienţilor numerici, şi din acest motiv, se poate scrie
coeficientul de rezistenţă pentru acest regim de curgere sub forma
2
7412
lg2
,
k
d
s
. (7.23)
Cel de al doilea tip de rugozităţi dau peretelui interior al conductei un caracter semirugos, iar
coeficientul se poate calcula cu ajutorul formulei Colebrook-White.
d ,
k
Re
, s
713
512lg2
1. (7.24)
Stabilirea pe o cale mai simplă a domeniului de netezime al conductei, deci şi a relaţiei pentru
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 123/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Capitolul 7 121
calculul lui , se face determinând parametrii adimensionali R1 şi R2 care au expresiile
sneted k
d
R 2
2843,281 , (7.25)
s s k
d
k
d R
2lg9595,7910048,689
22 , (7.26)
precum şi a numărului lui Reynolds din conductă. Astfel, dacă numărul lui Reynolds Re satisface
condiţia 1 R Re tubul este considerat neted din punct de vedere hidraulic şi pentru 2 R Re tubul
este complet rugos.
În situaţia în care Re este cuprins între R1 şi R2 conducta are o comportare semirugoasă.Coeficientul neted se calculează pentru regimul de curgere turbulent şi conductă netedă.
7.2. REZISTENŢE LOCALE
În anumite puncte ale conductei unde sunt montate armături, aparate sau unde conducta îşi
modifică secţiunea sau direcţia, se produc pierderi de presiune locale care se pot scrie sub forma
2
v2m p . (7.27)
Coeficientul de rezistenţă locală depinde, în special, de geometria armăturii sau a punctului
unde conducta îşi modifică secţiunea sau direcţia. În general, s-a stabilit că la numere Reynolds
mici, coeficientul de rezistenţă depinde şi de regimul de mişcare.
În unele situaţii, cum ar fi la schimbarea secţiunii şi a direcţiei unei conducte, s-au stabilit
relaţii pentru calculul coeficientului de rezistenţă locală . În punctele unde se produce deviereavânei de fluid (curbe, ramificaţii, robinete etc.) nu se poate stabili mărimea coeficientului decât pe
cale experimentală.
Dacă într-un anumit punct al conductei, aceasta îşi modifică brusc secţiunea de la valoarea A1
la A2, (fig. 3.3.a), vâna de fluid se contractă, producându-se o pierdere locală de presiune,
coeficientul de rezistenţă locală se calculează cu relaţia
2
11
, (7.28)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 124/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------122 Capitolul 7
fiind raportul dintre secţiunea contractată a vânei de fluid şi secţiunea A7.
În tabelul 7.1 se redau valorile coeficientului în funcţie de raportul A2/ A1 şi de gradul de
rotunjime al muchiilor care fac trecerea de la conducta cu diametrul mai mare la conducta cu
diametrul mai mic. Pierderea de presiune locală se calculează cu viteza medie din secţiunea A7. În
situaţia unei treceri bruşte de la o secţiune mai mare A1 la una mai mică A2, coeficientul de
rezistenţă locală, dacă la pierderea de presiune locală se utilizează viteza medie din secţiunea A1, se
calculează cu relaţia
2211 A / A . (7.29)
Tabelul 7.1. în funcţie de A2/ A1
A2/A1 Specificaţie 0 – 0,2 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Muchii ascuţite 0,35 0,29 0,22 0,17 0,10 0,05 0,01 0Muchii uşor răsfrânte 0,11 0,09 0,07 0,05 0,03 0,02 0 0Muchii uşor rotunjite 0,01 0,01 0,01 0,01 0 0 0 0Muchii bine rotunjite 0 0 0 0 0 0 0 0
Dacă o conductă cu secţiunea A1 se racordează treptat la o altă conductă cu secţiunea A2, şi
unghiul nu depăşeşte 7-8o, coeficientul se poate calcula cu relaţia
22
211150 A / A , , (7.30)
pierderea de presiune fiind raportată la viteza medie a fluidului din secţiunea A1.
În situaţia în care secţiunea A1 se reduce, de asemenea, treptat la o altă secţiune mai mică A2,
pierderea de presiune locală se poate neglija.
Pentru coturile fără rotunjiri coeficientul de rezistenţă locală poate fi calculat cu formula
2sin0472
2sin9460 42
, , . (7.31)
În situaţia unui cot cu raza de curbură R care satisface condiţia d Rd 52 ,coeficientul de
rezistenţă locală se poate calcula cu formula lui Weissbach
90160310
53
,
R
d , , , (7.32)
fiind unghiul cotului introdus, în grade.
În tabelul 7.2 se redau, pentru unele armături utilizate în mod frecvent în practica distribuţiei,
coeficientul de rezistenţă locală şi raportul dintre lungimea echivalentă L a conductei, pe care s-arrealiza aceeaşi cădere de presiune ca aceea locală cu diametrul interior d şi acest diametru.
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 125/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Capitolul 7 123
Tabelul 7.2. Coeficientul de rezistenţă la trecerea prin armături
Tipul organului de închidere L/d
Robinet cu sertar panăDeschis complet 0,1 7¾ deschis 0,8 40½ deschis 4 200¼ deschis 15 800
Robinet sfericDeschis complet 6 350½ deschis 10 550
Robinet cu ventil (disc)Deschis complet 9 500
¾ deschis 13 700½ deschis 35 7.000¼ deschis 110 6.000
7.3. CALCULUL HIDRAULIC AL CONDUCTELOR PENTRU GAZE
Calculul pierderii de presiune într-o conductă de gaze este deosebit de important pentru
alicaţiile practice. Privită sub aspectul ei teoretic general, problema este foarte dificilă şi nu poate firezolvată dacă nu se recurge la unele ipoteze simplificatoare, acceptabile din punct de vedere al
exactităţii calculelor. În cele ce urmează se stabilesc formulele utilizate în mod curent pentru
calculul conductelor de gaze.
Ca punct de plecare vom considera ecuaţia lui Bernoulli sub formă diferenţială şi corectată cu
termenul corespunzător pierderii de energie
0d
2
vddvv
2
d
x p. (7.33)
Din ecuaţia de continuitate rezultă
11vv
indicele 1 referindu-se la intrarea în conductă, iar din ecuaţia de stare ZRT / p rezultă
p
ZRT p11
11 vv
v
(7.34)
Prin diferenţierea formulei (7.34) se obţine
p p
T T
Z Z dddvdv (7.35)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 126/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------124 Capitolul 7
de asemenea se obţine pe aceeaşi cale
ZRT
p
21212 v
1
v
1
(7.36)
şi ecuaţia (7.33) devine
0dv
d2ddd2
21
21
x
d ZRT
p p
p
p
T
T
Z
Z
(7.37)
Pentru a elimina masa specifică 1 şi viteza v1 din această ecuaţie se introduce debitul
volumic corespunzător condiţiilor de intrare, Q1, şi Q N , cel corespunzător condiţiilor stării normale
K T Pa p N M 16.273;100133.1 5 ,de unde se obţine
N
M M
N Q pT Z
pT Z Q
1
111 (7.38)
prin urmare după câteva calcule simple ecuaţia (7.37) devine
0dd
8
ddd2
22
225
xT
Z
p p
Q p
RT Z d T
p
p
T
T
Z
Z d
N N
N M
(7.39)
constanta R se înlocuieşte cu constanta a R a aerului sub forma
a
a
g
a R R R (7.40)
unde este densitatea relativă a gazului, obţinându-se
0dd
8
ddd2
22
225
xT
Z
p p
Q p
T R Z d T
p
p
T
T
Z
Z d
N N
N a M
. (7.41)
Integrarea acestei ecuaţii este dificilă şi din acest motiv se va face o ipoteză simplificatoare.
Se acceptă o evoluţie a gazului izotermică (T =ct) de unde se obţine
Z
Z
p
pd
Z
p p
Q p
T R Z d x
N N
N a M dd2d8
d22
225
(7.42)
Dacă admitem că şi coeficientul de pierderi de sarcină este constant şi factorul de abatere Z se
poate calcula ca o valoare medie m Z , pe întreaga conductă rezultă
12
2122
21
22
225
ln2
28 p Z
p Z d p p
Z Q p
T R Z d l
m N N
N a M
(7.43)
În general, termenul 21
12
ln
2
p Z
p Z d
este mic faţă de l, aşa că se poate utiliza formula
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 127/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Capitolul 7 125
simplificată
2
12
2
2
1
2
28
p p
Z l T d R
pT Z d Q
m
a
M
N N N
. (7.44)
Dacă admitem 1 N Z se obţine
522
21
4d
l T Z
p p
p
RT Q
m M
a M N
(7.45)
şi dacă se introduce notaţia
M
a M
p
RT
k 4
(7.46)
rezultă
522
21 d
l T Z
p pk Q
m
N
, (7.47)
respectiv
252
22
21
1 N
m Qd
l T Z
k p p
. (7.48)
Dacă considerăm K 16273Pa1001331 5 .T ,. p m N ,precum şi valoarea constantei aerului
J/kgK 041287. Ra , rezultă 0358810. K . Pentru K 16288.T N rezultă 0378520. K , iar
pentru K 16293.T N se obţine 0385080. K
Formulele (7.47) şi (7.48) prezintă avantajul simplităţii dar, pentru intervale mari ale
presiunilor 21 p; p pot conduce la erori importante.
În ceea ce priveşte coeficientul de rezistenţă care apare în formulele stabilite, nu există nici
o deosebire de principiu între conductele de lichide şi cele de gaze. Prin urmare, formulele prezentate în capitolul 1 pentru coeficientul , sunt valabile şi pentru conductele de gaze.
În literatura de specialitate sunt propuse diferite formule care au fost stabilite experimental,
dar în cele din urmă s-a impus punctul de vedere exprimat mai sus.
Presiunea într-o secţiune oarecare transversală a conductei rezultă din formula
xQd
T Z
K p p N
m 252
21
2 1
(7.49)
şi prin urmare presiunea variază parabolic în funcţie de distanţa x (fig. 7.3)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 128/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------126 Capitolul 7
Figura 7.3
Dacă se introduce pentru simplificare notaţia
521d T Z
K C m (7.50)
rezultă
xCQ p p N 22
1 (7.51)
şi din (7.50) rezultă
l
p pCQ N
22
212
. (7.52)
Formula (7.51) devine
l
x p p p p 2
221
21 , (7.53)
iar presiunea medie din conductă are expresia
l
m xl
x p p p
l p
0
22
21
21 d
1 (7.54)
şi are valoarea
21
2
2122
21
3
2
3
13232 p p
p p p p p p pm . (7.55)
În calculele efectuate s-a considerat Z constant. aceasta este o aproximaţie deoarece Z depinde
de temperatură şi de presiune.
În figura 7.4 se prezintă variaţia lui Z în funcţie de temperatura redusă şi presiunea redusă
c
r
c
r p
p P ;
T
T T (7.56)
unde cT şi c p sunt parametrii critici ai gazului.De asemenea, pot fi utilizate relaţii de calcul ca aceea a lui Adamov
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 129/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Capitolul 7 127
pt .. Z
410270421
1
(7.57)
unde t este temperatura în grade Celsius, iar presiunea p în atmosfere.
Pentru gazele naturale, la o bună concordanţă cu datele experimentale duce şi formula lui
Berthelot
2
2
61128
91
T
T
T
T
p
p Z cc
c
(7.58)
În tabelul 7.3 sunt prezentate, pentru mai multe gaze din cele mai des întâlnite în practică,
valorile parametrii critici şi valoarea corespunzătoare a factorului de compresibilitate, notată cu c Z .
Se observă că aceasta din urmă este mult inferioară unităţii, ceea ce confirmă observaţia de mai sus.
Figura 7.4
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 130/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------128 Capitolul 7
Tabelul 7.3
T K c Pa10 p 5
c Zc
metan 191 47.8 0.290etan 306 48.2 0.284
propan 370 42.0 0.276
n-butan 425 37.5 0.274
izobutan 408 36.0 0.282
izopentan 461 32.9 0.268
etilenă 282 50.0 0.268
propilenă 365 47.6 0.276
7.4. CALCULUL HIDRAULIC AL CONDUCTELOR COMPLEXE DE GAZE
După funcţia pe care o îndeplinesc, conductele pot fi clasificate în conducte colectoare,
conducte magistrale şi conducte de distribuţie. Conductele sau reţelele colectoare sunt întâlnite în
exploatările de ţiţei sau gaze. Gazele după separarea de ţiţei sunt preluate de colectorul de gaze care
se termină într-un punct în care există o staţie de purificare şi măsurare a gazelor.
Conductele magistrale sunt destinate transportului gazelor la distanţe mari. Dacă gazele au o
presiune proprie sufucientă pentru asigurarea transportului, diametrul conductei rezultă din
considerente economice, iar dacă nu este necesar să se recurgă la comprimarea gazelor în staţii de
comprimare.
Conductele de distribuţie asigură transportul gazelor de la staţiile de distribuţie la diferiţi
consumatori. Formulele stabilite mai înainte sunt utilizate pentru conducte simple de gaze, formate
dintr-un singur fir de ţevi cu diametrul interior d constant şi având debitul N Q , de asemenea,
constant. Dacă cel puţin una dintre caracteristicile conductelor simple nu este respectată avem de-a
face cu conducte complexe, care pot fi serie, paralel sau cu ramificaţie.
Pentru evitarea unor mari complicaţii de calcul, se vor considera formulele simplificate (7.50)
şi (7.51) scrise sub formă compactă şi anume
522
21 d
l
p p AQ N
(7.59)
respectiv
l Qd B p p N
2
5
2
2
2
1
(7.60)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 131/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Capitolul 7 129
unde
T Z
R
p
T
T Z
K
A m
a
M
M
m ;
2
1
A B
7.4.1. Conducte de gaze în serie
Conductele de gaze în serie sunt formate, ca şi acelea pentru lichide (fig. 7.5), dintr-un singur
şir de ţevi alcătuit din mai multe tronsoane cu lungimi şi diametre interioare diferite
Figura 7.5
Având în vedere faptul că debitul de gaze transportat este N Q , pentru tronsonul i, se poate
scrie
i N
i
iii l Q
d B p p 2
52
12
(7.61)
şi prin însumare (i=1,2,.....,n) se obţine
n
i i
ii N n
d
l BQ p p
15
221
21
(7.62)
respectiv
n
i i
ii
n N
d
l
p p AQ
1
5
21
21
. (7.63)
Putem defini şi aici conducta simplă echivalentă prin relaţia
n
i i
e
i
ii
d
l
d
l
155
(7.64)
unde
n
i
il l 1
(7.65)
formulă din care se poate determina diametrul conductei echivalente dacă se cunoaşte regimul demişcare a gazelor pentru a se putea folosi expresia corespunzătoare a coeficientului de rezistenţă .
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 132/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------130 Capitolul 7
7.4.2. Conducte de gaze în paralel
Figura 7.6
Pentru un sistem complex de conducte în paralel (vezi figura 7.6), notând cui N Q debitul de
gaze transportat prin una din cele n conducte (i-1,2,....,n) debitul total are expresia
n
i
Ni N QQ1
(7.66)
pentru fiecare conductă în parte se poate scrie
liQd
B p p Ni
i
i 25
22
21
(7.67)
de unde rezultă
ii
i
Ni l
d p p AQ
52
2
2
1
(7.68)
şi prin urmare
n
i ii
i N
l
d p p AQ
1
522
21
(7.69)
respectiv
2
1
5
222
21
n
i ii
i
N
l
d
Q B p p
(7.70)
Se poate defini o conductă echivalentă prin formula
e N
e
e l Qd
B p p 25
22
21
(7.71)
şi prin comparare cu (7.70) se obţine
52
1
5
1
e
ee
n
i ii
i d
l
l d
. (7.72)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 133/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Capitolul 7 131
Lungimea conductei echivalente poate fi definită în diferite moduri, fie ca suma lungimilor il ,
fie egală cu acestea.
Stabilirea corectă a regimului de mişcare, în funcţie de care se calculează coeficientul i se
poate face însă numai după ce se va determina debitul NiQ care însă este necunoscut, problema nu
este determinată. Rezolvarea ei se poate face prin încercări, presupunând regimul de mişcare din
fiecare conductă, respectiv i . după calcularea pe această cale a debitelor NiQ se verifică dacă
regimul de mişcare a fost ales corespunzător, iar dacă nu se reia calculul.
7.4.3. Conducte cu ramificaţiiÎn numeroase cazuri, în diferite puncte ale unei conducte se colectează sau se distribuie
anumite cantităţi de gaze. În primul caz, conducta este un colector de gaze, iar în al doilea un
distribuitor. Indiferent de situaţie, pe un tronson oarecare i, cu lungimea l i şi diametrul interior id ,
pe care se vehiculează debitul NiQ ( figura 7.7), avem
52
12
i
ii
ii Ni d
l
p p AQ
(7.73)
sau
25
21
2 Ni
i
iiii Q
d
l B p p
(7.74)
Figura 7.7
Prin alicarea acestei ultime formule la toate tronsoanele şi prin însumare se obţine
n
i
Ni
i
iin Q
d
l B p p
1
25
21
21
. (7.75)
Presiunea în punctul final al unui tronson m, notată 1m P se poate exprima fie în funcţie de
presiunea iniţială
m
i
Ni
i
iim Q
d l B p p
1
25
21
21 , (7.76)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 134/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------132 Capitolul 7
fie în funcţie de presiunea finală
n
i Ni
i
ii
nm Qd
l
B p p 1
2
5
2
1
2
1
, (7.77)
dacă diametrul este acelaşi pentru toate tronsoanele, notat cu d , formula (7.77) devine
n
i
Niiin Ql d
B p p
1
25
21
21 . (7.78)
Atunci când variaţia debitului de la un tronson la altul este destul de mare se recomandă să se
realizeze conducte colectoare sau distribuitoare cu diametre diferite pe fiecare tronson.
7.5. MĂRIREA CAPACITĂŢII DE TRANSPORT A UNEI CONDUCTE DE GAZE
Problema de a se realiza, transportul unei cantităţi mai mari de gaze N Q' printr-o conductă
care a fost dimensionată pentru un debit N Q se poate realiza fie prin montarea unei intercalaţii sau
unei derivaţii, fie prin mărirea numărului staţiilor de compresare.
7.5.1 Montarea unei intercalaţii
Capacitatea de transport a unei conducte de gaze se poate mări atunci când se montează o
intercalaţie cu diametrul interior d d 1 (figura 7.8).
Figura 7.8În acest caz aplicarea formulei (7.61) duce la
51
51
15122
221
d
xl l '
d
x
d
l BQ p p
' ' N
(7.79)
sau
51
15
222
21
d
x
d
xl BQ p p
' ' N
(7.80)
unde x este lungimea intercalaţiei, ceea ce arată că intercalaţia se poate amplasa oriunde pe traseulconductei. Pe de altă parte, în situaţia iniţială se poate scrie
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 135/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Capitolul 7 133
522
221
d
l BQ p p N
(7.81)
şi prin urmare
51
155
2
d
x
d
xl ' ' Ql
d Q N N
(7.82)
de unde rezultă lungimea intercalaţiei
l
d
d
'
' ' Q
Q
x N
N
51
51
2
2
1
1
. (7.83)
7.5.2. Montarea unei derivaţii
Mărirea capacităţii de transport a unei conducte de gaze, păstrând neschimbate presiunile
1 p şi 2 p , se poate realiza şi prin montarea unei derivaţii cu diametrul d d 1 (figura 7.9).
Fig. 7.9
Lungimea x a derivaţiei, care trebuie calculată se determină utilizând formula (7.70) de unde
obţinem
2
1
51
5
222
'
d
' '
d
x' Q B p p M
N M
(7.84)
unde M M Q' Q ; pentru întreaga conductă rezultă
22
222221
22
21 p p p p p p p p N N M M
51
2
1
5
1
5512
d
xl l '
' d
' ' d
x
d
l ' ' BQ N
(7.85)
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 136/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------134 Capitolul 7
sau
2
1
51
555
222
21
'
d
' '
d
x
d
x'
d
l ' ' BQ p p N
.
ceea ce arată că şi în acest caz poziţia derivaţiei este arbitrară.
Procedând ca în cazul intercalaţiei se obţine egalând membrul din dreapta al relaţiilor (7.81) şi
(7.85) se obţine
2
1
51
551
52
52
'
d
' '
d
x
d
x'
d
l ' ' Ql
d Q N N
(7.86)
şi prin urmare derivaţia are lungimea
l
'
'
d
d
' '
'
' ' Q
Q
x N
N
2
15
51
2
2
11
1
. (7.87)
În cazul în care d d 1 rezultă şi ' ' ' 1 , formula (7.87) devine
l
' ' '
' ' Q
Q
x N
N
411
12
2
(7.88)
7.5.3. Creşterea numărului de staţii de comprimare
Pentru un tronson de conductă dintre duoă staţii de compresoare, se consideră debitul dat de
formula simplificată (7.50). Dacă se montează o nouă staţie de compresoare, cu aceleaşi
caracteristici, la jumătatea distanţei dintre cele două staţii preexistente, se obţine un debit
N N Q' Q dat de formula
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 137/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Capitolul 7 135
522
212
d l ' T Z
p p K ' Q
m
N
(7.89)
şi prin urmare
' Q
' Q
N
N
2 (7.90)
Pentru cazul în care conducta funcţionează în regim turbulent şi este rugoasă, ' , iar
valoarea raportului (7.90) este 2 .
7.6. CALCULUL ECONOMIC AL CONDUCTELOR DE GAZE
Ca şi la conductele pentru lichide, la conductele magistrale pentru gaze se pune problema
realizării unui transport în condiţii optime din punct de vedere economic. Pentru aceasta este
necesar să se determine valorile parametrilor principali şi anume diametrul interior, presiunea la
intrarea în conductă, (la ieşirea din staţia de comprimare), şi raportul de comprimare a gazelor.
Drept criteriu poate fi aleasă valoarea costurilor reduse (anuale).
E AI C a (7.91)
unde I reprezintă costul investiţiei, A un coeficient de amortizare anuală a acesteia şi E cheltuielile
anuale de exploatare. Această problemă poate fi tratată în diferite moduri, unele dintre ele ducând la
calcule complexe. se vor expune trei metode mai simple care permit o determinare destul de corectă
a parametrilor optimi.
7.6.1. Metoda grafo-analitică
Prin această metodă se urmăreşte să se determine un domeniu raţional de utilizare a ţevilor cudiferite diametre şi presiuni de lucru, precum şi justificarea utilizării anumitor tipuri de agregate de
comprimare. Metoda se bazează pe stabilirea unor dependenţe între costurile de producţie şi de
exploatare pentru diverse diametre de ţevi la diferite presiuni de lucru, precum şi date pentru staţiile
de compresoare. Costurile specifice reduse au în acest caz expresia
l Q
C
Q
C C
N
s
N
e sp (7.92)
undee
C este costul redus al unităţii de lungime de conductă, s
C este costul redus al unei staţii de
pompare, dependent de tipul şi numărul de compresoare, iar l este lungimea conductei sau distanţa
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 138/140
STUDII DE MASTERAT-INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------136 Capitolul 7
dintre două staţii de compresoare.
Rezultatul acestui calcul este diagrama din figura 7.10 realizat pentru conducte cu diametre
cuprinse între 1020 mm şi 1620 mm, cu un singur fir de ţevi sau două fire paralele cu aceleaşi
diametre în acelaşi interval si cu presiune de lucru de Pa6106.5 cu comprimare în două trepte.
Dacă se poate construi diagrama pentru toate posibilităţile practic realizabile şi raţionale de
diametre şi presiuni de lucru, la proiectare se alege varianta ce prezintă valori apropiate ale
costurilor reduse specifice. Avantajul metodei este acela că nu ia în consideraţie toţi indicatorii
tehnico-economici ce duc la stabilirea parametrilor optimi.
Figura 7.10
7.6.2 Metoda comparaţiei variantelor
La fel ca şi la lichide se consideră câteva variante posibile, având diametre, presiuni de lucru
şi rapoarte de comprimare alese după date existente furnizate de practica proiectării si construcţiei
conductelor magistrale de gaze. Pentru fiecare variantă, se face calculul hidraulic, mecanic şi
economic pentru stabilirea costurilor anuale (7.91). Se alege varianta care duce la cel mai mic cost.
Pentru costuri destul de apropiate se introduce un alt criteriu, de exmplu consumul de material.
7.6.3 Metoda analitică
Această metodă poate furniza informaţii mai complete asupra dependenţei de capacitatea de
transport a valorilor optime ale parametrilor. Cu toate că se fac unele aproximaţii se obţin realţii mai
precise între parametrii optimi ai conductei magistrale şi capacitatea ei de transport. Se determină
costurile specifice reduse funcţie de diametre, presiune şi raportul de comprimare după care se
calculează minimul funcţiei
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 139/140
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Bibliografie 137
BIBLIOGRAFIE
1. Albulescu, M. - Contribuţii la studiul mişcării nestaţionare a fluidelor nenewtoniene, Teză de
doctorat, UPG Ploieşti, 1996
2. Albulescu, M. - Mecanica fluidelor, Editura UPG, Ploieşti, 2004
3. Albulescu, M., Trifan, C. - Hidraulica, transportul şi depozitarea produselor petroliere şi gazelor , Editura Tehnică, Bucureşti 1999
4. Beeler, J., Marshall, G. – Rolul calculatorului în reglarea transportului şi distribuţiei gazelornaturale. Pipelines News, 1970
5. Bulău, L. - Colectarea, transportul şi depozitarea ţiţeiului şi gazelor , Institutul de Petrol şi
Gaze, Ploieşti, 1978
6. Carafoli, E. Oroveanu T. - Mecanica fluidelor , vol. I si II, Editura Academiei, 1952, 1955
7. Coates, D. – Proiectarea economică optimă a instalaţiilor pentru transportul gazelor princonducte. Pipeline News, 9, 1971
8. Creţu, I. - Hidraulică generală şi subterană, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1983
9. Creţu, I., Stan, Al. - Transportul fluidelor prin conducte. Aplicaţii şi probleme - Editura
Tehnică, Bucureşti, 1984
10. Dobrinescu, D. Bulău, L. - Contribuţii la calculul termic al conductelor îngropate, Institutul
de Petrol şi Gaze, 20, 2, 1969
11. Drăghici, N. M. - Conducte pentru transportul fluidelor , Editura Tehnică, Bucureşti 1977
12. Gheorghe, G. – Distribuţia şi utilizarea gazelor naturale. Proiectare şi execuţie, Ed. Tehnică,
Bucureşti, 1972
13. Gheorghe, G. – Exploatarea reţelelor de instalaţii de gaze. Editura Tehnică, Bucureşti, 1975
14. Graham, G. – Optimizarea proiectării reţelelor de gaze. Oil and Gas Journal, 1972
15. Ionescu, D.Gh. - Lecţii de termomecanica fluidelor vâscoase, Editura Tehnică, Bucureşti, 1997
16. Macovei, M. - Hidraulica forajului, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1982, p90-182
17. Massey, B. S. - Mechanics of Fluids, ed. a 2-a. Van Nostrand Reinhold Company, London,
1971
18. Oroveanu, T. - Mecanica Fluidelor vâscoase, Editura Academiei RSR, 1967
19. Oroveanu, T. - Hidraulica şi transportul produselor petroliere, Editura Didactică şi
Pedagogică, Bucureşti 196620. Oroveanu, T., Stan, AL., Talle, V. - Transportul petrolului, Editura Tehnică, Bucureşti 1985
7/23/2019 Curs Calc Cond
http://slidepdf.com/reader/full/curs-calc-cond 140/140
STUDII DE MASTERAT - INGINERIA SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DEPOZITARE A HIDROCARBURILOR
Calculul hidraulic al conductelor de transport şi distribuţie a hidrocarburiulor - Suport de curs
21. Oroveanu, T. David, V., Stan, Al., Trifan, C. - Colectarea, transportul, depozitarea şi
distribuţia produselor petroliere şi gazelor, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti 1985
22. Oroveanu, T. Trifan, C. “L’influence de la variation de la temperature sur la repartition de la presion dans les gazoducs en regime non stationnaire decoulement”.Revue Romaine de sciences
tehniquies, Serie de Mecanique applique. Tome 31, nr.2, 1986, Editura Academiei Române.
23. Oroveanu, T. Trifan, C. “Modelisation numerique du transport des gaz naturels par les
gazoduos”. Revue Romain des sciences tehniques, Serie de Mecanique applique. Tome 30, nr.4,
1985, Editura Academiei Române.
24. Oroveanu, T, Trifan, C, Albulescu, M.“Sur le taux optimal de compression pour le
gazoducs”. Buletin I.P.G.Ploieşti, vol.XLIII/2/1991.
25. Pavel, D. Staţii de pompare şi reţele de transport hidraulic, Editura Didactică şi Pedagogică,
Bucureşti 1964
26. Pavlovschi, N. – Înmagazinarea şi comercializarea gazelor naturale – Editura Universităţii
Lucian Blaga, Sibiu, 2000
27. Pătărlăgeanu, M. - Teză de doctorat – Contribuţii la studiul transportului produselor petroliere prin conducte în regim neizotermic, IPG, Ploieşti, 1989
28. Rădulescu, R. – Teză de doctorat - Contribuţii la studiul entropic al transportului ţiţeiurilorvâscoase prin conducte, UPG, Ploieşti, 2006
29. Skelland, A.M.P. - Non-newtonian flow and heat transfer , John Wiley and Sons, New York,
1967
30. Soare, Al. - Hidraulică generală şi subterană, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti 1981
top related