靜態(tài)混合器在石油化工中的應(yīng)用

吳 雨 張力鈞 宋忠俊

上?；ぱ芯吭?，上海 200062

0 前言

混合是石油化工行業(yè)中一種十分普遍又重要的操作，從簡單的溶解到復(fù)雜的反應(yīng)都要涉及到混合，反應(yīng)的速率、產(chǎn)量以及選擇性高度依賴于混合性能。不當(dāng)?shù)幕旌蠒a(chǎn)生質(zhì)量低劣的產(chǎn)品，需要更多的下游工藝進行處理，造成不必要的浪費。曾有文獻報道，據(jù)估計，在化工行業(yè)相對發(fā)達的美國每年由于混合問題造成的經(jīng)濟損失高達幾十億美元［1］。因此，設(shè)計高效的混合設(shè)備，實現(xiàn)有效的混合，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少副產(chǎn)物、優(yōu)化整個生產(chǎn)過程具有重要的意義。

目前常用的混合方式包括動態(tài)混合器和靜態(tài)混合器。動態(tài)混合器是依靠機械動力元件迫使系統(tǒng)發(fā)生流體運動，以達到物料混合均勻的目的。靜態(tài)混合器是指管內(nèi)無運動元件，依靠流體自身的能量，以靜止元件改變流體在管內(nèi)的流動狀態(tài)，物體被多次分割、旋轉(zhuǎn)、復(fù)合等，從而實現(xiàn)均勻混合。雖然動態(tài)混合器仍是目前混合操作中的主流，但占地面積大、能耗高，難以滿足對生產(chǎn)工藝連續(xù)化、高效化、節(jié)能化、裝置小型化以及免除經(jīng)常性維修等方面的迫切要求。與動態(tài)混合器相比，靜態(tài)混合器具有分散效果好、占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、操作成本低、維修簡單、能實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)等優(yōu)點［2］。

1 靜態(tài)混合器種類及其工作原理

靜態(tài)混合器最早由荷蘭人提出，20世紀70、80年代已有迅速的發(fā)展。國內(nèi)原化工部上?；ぱ芯吭?，最早對靜態(tài)混合器進行研究。1977～1978年進行文獻查閱和探索試驗。1979年正式成立SM型靜態(tài)混合器專題組，研究工作主要包括實驗室基礎(chǔ)研究和工業(yè)性應(yīng)用研究。《SMV型靜態(tài)混合器的研究》于1981年12月通過化工部鑒定，并獲得化工部科技成果三等獎，1983年獲得上海市優(yōu)秀產(chǎn)品二等獎和國家經(jīng)委金龍獎。上?；ぱ芯吭夯瘷C所已開展了對SH、SK、SL、SX型靜態(tài)混合器的研究，1985年通過預(yù)鑒定，1987年通過正式鑒定并獲得了化工部科學(xué)技術(shù)進步三等獎［3］。隨著研究的深入和應(yīng)用的普及，目前靜態(tài)混合器達50余種，國內(nèi)最常用的有上海化工研究院開發(fā)的SV、SX、SL、SK和SH型5種，及國外的凱尼斯型和蘇爾士型兩類靜態(tài)混合器?；旌显妶D1。

1.1 凱尼斯型靜態(tài)混合器

凱尼斯型靜態(tài)混合器是由美國凱尼斯公司研制，以1根管子作外套和托架，在管中裝入一連串由薄金屬板（或其他材料）交錯地向左或向右扭轉(zhuǎn)180°的螺旋片首尾成90°相接而成。如圖2所示，原料經(jīng)過此靜態(tài)混合器時，不斷地被分割后又混合，達到混合均勻的目的［4］。

圖1 混合元件

圖2 凱尼斯型靜態(tài)混合器

凱尼斯型靜態(tài)混合器的混合機理有以下三類：

a）混合元件對流經(jīng)的原料介質(zhì)不斷起著切割作用使其分散，隨后又在2個元件之間匯合，之后進行多次切割和混合。

b）混合元件使流體自身產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，通過迫使原料介質(zhì)旋轉(zhuǎn)方向的改變使流體混合。

c）混合器內(nèi)部流道的橫截面積或位置發(fā)生變化，使原料介質(zhì)產(chǎn)生“自身攪拌”作用。

1.2 蘇爾士型靜態(tài)混合器

根據(jù)混合元件的不同，蘇爾士型靜態(tài)混合器又可分為SV、SX及SL三大類，本文主要介紹SV型［4］。

圖3 蘇爾士型靜態(tài)混合器

如圖3所示，蘇爾士型靜態(tài)混合器有一個外殼，其截面呈圓形、方形或其他形狀。混合元件為斜紋或人字紋，然后將波紋板組成與外殼截面相同的形狀，相鄰元件在管內(nèi)呈90°。原料介質(zhì)進入混合元件，按元件通道的形狀被切割成細小的流體后，順著波紋板的形狀向前流動。在相鄰元件交匯處，波紋片之間所構(gòu)成的通道相交。每個元件中方向不同的波紋通道把管內(nèi)兩側(cè)的流體引來在此混合，混合后又在下一個元件中分成兩股，向不同方向流動，從旋轉(zhuǎn)了90°的平面上流過。

1.3日本東麗型靜態(tài)混合器

日本東麗型靜態(tài)混合器是由幾個單元混合器和短管及法蘭組成，混合器內(nèi)部具有兩排通道，每個通道內(nèi)都含螺旋片，又把通道分成兩部分，相鄰混合元件之間有一個中間室，且相鄰單元的螺旋葉片旋向相反。其混合效率比凱尼斯型靜態(tài)混合器要高，但是低于蘇爾士型靜態(tài)混合器［5］。

2 靜態(tài)混合器的應(yīng)用

在石油化工領(lǐng)域，靜態(tài)混合器主要應(yīng)用于油品精制、萃取、脫硫、原料油脫鹽、油品調(diào)和及蠟脫油等工藝過程。

2.1 油品調(diào)和

2.1.1 燃料油調(diào)和

減壓渣油生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品達不到裝卸、輸送和使用要求，必須加入一部分催化輕柴油，降低其黏度。安慶石油煉油廠之前使用噴嘴調(diào)和的方法對原油進行調(diào)和，實踐證明在重質(zhì)黏油工藝中其調(diào)和質(zhì)量不均勻，采用波紋板靜態(tài)混合器對燃料油進行調(diào)和，能很好地滿足多種燃料油和不同比例柴油調(diào)和的要求，降低柴油的添加比例［6］。上海高橋石化煉油廠裂化車間使用SV型靜態(tài)混合器對油品調(diào)和，同樣取得了良好的效果；日本采用東麗型靜態(tài)混合器將A、B重油調(diào)和成船用燃料油，做到了船舶燃料的經(jīng)濟混合。

2.1.2 潤滑油的調(diào)和

潤滑油組分與添加劑的調(diào)和方式較多，但較為先進的系統(tǒng)則是美國胡拉克公司開發(fā)的靜態(tài)混合系統(tǒng)，靜態(tài)混合器是該系統(tǒng)的主要元件之一。

2.1.3 瀝青的調(diào)和

以往的瀝青調(diào)和主要采用低溫風(fēng)攪拌，但產(chǎn)品達不到高質(zhì)量、重交通對瀝青的要求，而采用機械攪拌方法時，其混合效果較差，有可能完全分層。茂名石化在采用靜態(tài)混合器對瀝青進行調(diào)和過程中，很好地達到了對瀝青特性的要求，其流程見圖 4［7］。

圖4 瀝青調(diào)和工藝

2.2 萃取

萃取操作中，兩相不容易均勻混合，從而影響萃取效率。采用靜態(tài)混合器使兩相有控制地均勻混合，既能提高萃取效率，又能有效控制液滴大小，有利于后續(xù)澄清分離。烏魯木齊石化總廠在使用靜態(tài)混合器對油品精制過程中，以常減壓航煤為研究對象，并與文丘里管進行比較，結(jié)果表明，靜態(tài)混合器對油品精制的效果更好；南充煉油廠在異丁醇脫瀝青裝置上使用靜態(tài)混合器后，裝置加工能力由原來的62 t/d提高到85 t/d，脫瀝青油回收率也提高了2.9%，產(chǎn)品合格率由原來的95.4%提高到99.7%，溶劑比下降了0.7～0.8，其工藝見圖5；上海高橋石化煉油廠丙烷脫瀝青裝置以減壓渣油為原料，液相丙烷為溶劑，在4.0MPa壓力和70℃溫度下進行液－液萃取，以獲得高黏度的潤滑油或催化裂化原料，同時獲得瀝青。裝置原先采用內(nèi)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤塔進行萃取，效率較低，為了降低溶劑比、節(jié)約能耗并提高油品收率，也曾使用文丘里管，但混合還是不均勻，使用靜態(tài)混合器后，實現(xiàn)了良好的渣油稀釋，提高了油品的收率，降低了成本，節(jié)約了溶劑比［8］。靜態(tài)混合器在萃取C4烴的微量甲醇工藝中同樣得到了應(yīng)用，在合成甲基叔丁基醇過程中，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)蒸餾分離后，未反應(yīng)的C4烴中含有少量的甲醇。在以C4烴作為烷基化裝置原料之前，必須用水萃取原料中的甲醇。鎮(zhèn)海石化總廠使用SV型和SK型靜態(tài)混合器進行試驗獲得成功，考慮工業(yè)放大的實際可能，推薦使用SV型靜態(tài)混合器。

圖5 異丁醇脫瀝青工藝

2.3 脫硫

汽油脫硫醇是改進汽油質(zhì)量的重要工序。目前，我國已有多套脫硫醇裝置采用靜態(tài)混合器，并取得良好的效果。大連石化煉油總廠在汽油脫硫醇裝置采用2臺DK型混合器替代塔式設(shè)備，節(jié)省了投資和操作費用且效果顯著；美國兩家煉油廠用靜態(tài)混合器進行汽油堿洗脫甲醇和硫醇，產(chǎn)品不帶堿，壓力降大為降低；我國煉廠也已將SK型靜態(tài)混合器用于C5脫硫醇，同樣取得了滿意的效果，齊魯石化煉油廠原采用填料塔來脫除硫醇，但處理能力低、壓力降大，抽提率不高，硫醇含量一般在15mg/kg左右，甚至能達到30～50mg/kg，鑒于安慶石化使用靜態(tài)混合器對汽油除臭獲得成功的經(jīng)驗，該廠使用SK型靜態(tài)混合器對填料塔進行技術(shù)改造，改造后精制油的硫醇硫含量降至5.98mg/kg，滿足了生產(chǎn)要求［9］；塔河油田所產(chǎn)原油含富硫化氫，對設(shè)備、原油儲罐及管線等關(guān)鍵部位腐蝕較大，使用原脫硫裝置所獲得的原油存在大量的堿性脫硫劑極性分子，并未與原油中的H2S充分反應(yīng)［10］。但為了確保外輸油H2S含量控制在15mg/kg以內(nèi)，只能通過提高脫硫劑配比來降低H2S的含量，極大地提高了成本，同時，脫硫劑在一定的程度上同樣抑制了破乳效果，當(dāng)油品輸送到下游用戶時，可能導(dǎo)致管線含水率超標，對下游煉油企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備造成較大的影響?；诖?，制定了在外輸首站現(xiàn)有輸油流程上安裝靜態(tài)混合器，對加注脫硫劑和原油進行強制混合的解決方案。項目改造后，外輸油的H2S含量由原來的25～30mg/kg下降到15mg/kg以內(nèi)，脫硫劑的配比度也由原來的1.5‰～2‰下降到1‰以內(nèi)，極大地降低了脫硫劑的成本；蘭化化工研究院在FCC液化氣脫硫方法的選擇上，對比了塔式設(shè)備和靜態(tài)混合器對脫硫效果的影響，結(jié)果表明，含H2S 1 500mg/kg的液化氣經(jīng)過兩級靜態(tài)混合器NaOH堿洗脫硫后，其H2S的含量可降至2mg/kg以下［11］。

2.4 脫蠟及脫鹽

2.4.1 脫蠟

原油脫蠟是根據(jù)油、蠟對溶劑的溶解能力不同，使蠟形成均勻的結(jié)晶，以便使用過濾的方法將油蠟分離。與攪拌器相比，靜態(tài)混合器不容易磨損，具有能耗低，無噪音，維修簡單，清洗方便等特點，特別適用于高黏度物質(zhì)以及粉粒狀物料的混合。

2.4.2 脫鹽

江漢油田原油綜合含水60%以上，含鹽量高達16×104mg/L，油氣集輸流程中采用加藥、管道破乳、粗粒化陶粒降脫水及摻水洗鹽電脫水，處理后的原油含水可降到0.5%以下，但鹽含量仍高達300mg/L，高于原油外輸指標。在原油輸送上端安裝了SV型靜態(tài)混合器后，原油的平均含水低于0.1%，含鹽量為188mg/L，達到了原油外輸標準；武漢石油化工廠常減壓裝置在擴能改造后，脫鹽裝置出現(xiàn)脫后含鹽、含水上升等問題，通過對裝置改造后的情況進行分析，在原工藝過程中增設(shè)靜態(tài)混合器，脫鹽效率得到了有效的提高［12］；中國石化總公司北京設(shè)計院設(shè)計的SK型靜態(tài)混合器，用于山東勝利煉油廠常減壓裝置的電脫鹽過程，從運行結(jié)果看，效果良好，脫鹽后的鹽量從原來的3～10mg/L下降到2mg/L以下，水油混合均勻，電極不易短路且未引起原油乳化，同時，壓降也有所降低。

靜態(tài)混合器除了在上述工藝過程中得到應(yīng)用外，還可應(yīng)用到石油化工行業(yè)中的傳熱、反應(yīng)、分散以及苯類試劑生產(chǎn)等工藝過程。

3 結(jié)論

靜態(tài)混合器是國內(nèi)外大力推廣應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)簡單而緊湊的節(jié)能設(shè)備，在國外已取得了廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)從20世紀70年代后才得到實際開發(fā)。到目前為止已在石油化工單元操作中發(fā)揮作用，無論在油品調(diào)和、萃取還是脫硫及脫鹽脫蠟等工藝流程中，靜態(tài)混合器的使用增強了混合效果，節(jié)省了投資成本并實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，取得了良好的工藝效果和顯著的經(jīng)濟效益。靜態(tài)混合器在石油化工行業(yè)的應(yīng)用具有廣闊的前景，值得進一步研究和實踐。

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