旋轉(zhuǎn)式調(diào)和噴嘴在汽油調(diào)和中的應(yīng)用

，

(中國中化集團 中化泉州石化有限公司， 福建 泉州 362100)

近年來，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們對節(jié)約能源和環(huán)境保護的意識也在不斷加強，促使煉油、石化等行業(yè)面臨著強化環(huán)境保護與不斷提高相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1-2]。對石油產(chǎn)品的要求越來越高也意味著成品汽油的調(diào)和組分趨于精細(xì)化、多樣化，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的控制要求也更加準(zhǔn)確化。但組分的多樣化和組分油性質(zhì)的差異化使得油品的調(diào)和工藝在保證油品質(zhì)量上變得愈加重要，由此推動了油品調(diào)和技術(shù)的大力發(fā)展[3]。

常用油品調(diào)和按照調(diào)和的容器可以分為油罐調(diào)和和管道調(diào)和兩大類[4]。油罐調(diào)和是最早的一種汽油調(diào)和方式，是將各組分油品按確定比例同時或分別注入罐內(nèi)，然后用泵從罐內(nèi)抽出，再通過調(diào)和噴嘴進(jìn)入罐內(nèi)，利用調(diào)和噴嘴作用將罐內(nèi)油品混合均勻的一種調(diào)和方式。管道調(diào)和是將各組分油品同時送入管道內(nèi)，再經(jīng)管道混合器送入罐內(nèi)以達(dá)到混合均勻的目的。因此，對管道調(diào)和進(jìn)行必要的改造是煉油廠可采取改進(jìn)措施的方向[5]。

大多數(shù)新建煉油廠的油品調(diào)和均以管道調(diào)和為主。由于管道內(nèi)組分油品受上游裝置產(chǎn)出量影響，調(diào)和比例實時變化。為了確保優(yōu)化的調(diào)和調(diào)度能有效執(zhí)行，仍需罐內(nèi)調(diào)和噴嘴進(jìn)行二次混合[6-7]。因此，選用高效的調(diào)和噴嘴，是降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期以及提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)之一[8]。盧山等人將高效調(diào)和器應(yīng)用于油品調(diào)和中也取得了較好的經(jīng)濟效果[9]。

某公司在建設(shè)初期，采用投資少、易操作的固定式牛角噴嘴進(jìn)行汽油調(diào)和。此固定式噴嘴無法旋轉(zhuǎn)，僅依靠油品經(jīng)過牛角的變徑增加流速來進(jìn)行調(diào)和組分的混合。因此，存在調(diào)和所需時間長、油品組分混合效果差、嚴(yán)重制約出廠及時性、影響產(chǎn)品質(zhì)量、能耗增加、弱化添加劑顯現(xiàn)效果且降低庫容周準(zhǔn)率等明顯缺點，也容易產(chǎn)生靜電積聚，存在一定的安全隱患[10]。筆者在大量調(diào)研其他先進(jìn)煉油廠成品油儲罐旋轉(zhuǎn)噴嘴的使用效果及其產(chǎn)生的經(jīng)濟效益后，經(jīng)過長時間的研究并結(jié)合前人經(jīng)驗[11]，決定對儲罐調(diào)和噴嘴進(jìn)行改造，使用安全、高效、經(jīng)濟的旋轉(zhuǎn)式調(diào)和噴嘴，文中對此進(jìn)行簡單介紹。

1 固定式牛角噴嘴與旋轉(zhuǎn)式調(diào)和噴嘴簡介

兩種噴嘴的安裝示意圖見圖1。

圖1 兩種汽油調(diào)和用噴嘴安裝示圖

從圖1中可知：①固定式牛角噴嘴在罐內(nèi)無法旋轉(zhuǎn)，其調(diào)和能力取決于由入口至出口的管徑變小引起的流速增加，高速流動的油品噴射入罐內(nèi)，在油品中產(chǎn)生巨大的沖擊力而引起油品攪動，由此達(dá)到混合均勻的目的。②旋轉(zhuǎn)式調(diào)和噴嘴在罐內(nèi)分為3個噴射點，每個噴射點又由4個小型且方向相悖的噴嘴組成。3個噴射點下部均有可360°旋轉(zhuǎn)的軸承，液體自入口經(jīng)3個噴射點后又由每個噴射點的4個小噴嘴噴出，見圖2。

圖2 旋轉(zhuǎn)式調(diào)和噴嘴實例圖

旋轉(zhuǎn)式調(diào)和噴嘴由于管子直徑的逐級減小而引起流速的增加，在噴嘴噴出的液體產(chǎn)生的作用力下軸承360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)罐內(nèi)油品軸向旋轉(zhuǎn)混和，這種方式極大程度消除了油品混合死角。噴嘴傾斜向上的結(jié)構(gòu)可以使得油品有一個向上噴射的能力，又借助自身重力作用落下，由此實現(xiàn)了油品的徑向混合。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)噴嘴安裝位置及方向，模擬油品在罐內(nèi)經(jīng)旋轉(zhuǎn)式調(diào)和噴嘴后所產(chǎn)生的運動軌跡，見圖3。

圖3 油品在旋轉(zhuǎn)噴嘴下混合運動軌跡

通過上述分析可以看出，與牛角噴嘴的固定點噴出相比，旋轉(zhuǎn)調(diào)和噴嘴的360°噴射使罐內(nèi)油品受力更均勻[4]，達(dá)到了防止沉積物堆積[12]、減少浮頂油罐浮盤所受的沖擊、減少罐壁單一方向所受力的沖擊、減少靜電產(chǎn)生以及保護設(shè)備長期安全平穩(wěn)運行的改造目的。

2 兩種噴嘴應(yīng)用效果對比

以2萬m3罐容共20罐成品汽油的調(diào)合為例。未改造前油罐內(nèi)使用牛角式噴嘴，按原實際生產(chǎn)情況循環(huán)15 h。改造后油罐內(nèi)使用旋轉(zhuǎn)噴嘴，依據(jù)廠家提供數(shù)據(jù)循環(huán)3 h，油品抗靜電劑添加濃度不變。

循環(huán)后儲罐密度及電導(dǎo)率對比情況見表1。根據(jù)表1數(shù)據(jù)匯總得到的電導(dǎo)率和上、下密度差對比曲線圖見圖4。

表1 兩種噴嘴應(yīng)用效果對比數(shù)據(jù)

圖4 牛角式噴嘴和旋轉(zhuǎn)噴嘴密度及電導(dǎo)率變化曲線

由表1與圖4可以看出，使用旋轉(zhuǎn)式調(diào)和噴嘴比使用牛角式調(diào)和噴嘴在更短的循環(huán)時間內(nèi)可以使介質(zhì)混合更均勻，對添加劑顯現(xiàn)效果更穩(wěn)定。

李東陽[13]將旋轉(zhuǎn)噴嘴調(diào)合器用于柴油罐中，油品亦沒有出現(xiàn)分層的現(xiàn)象，油品對添加劑的感受性也較固定噴嘴好。皮嘉立[14]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在旋轉(zhuǎn)噴嘴的作用下，油罐油品混合均勻所需時間更短。余彬彬[15]用Ansys 15.0對旋轉(zhuǎn)噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬后也發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)噴嘴產(chǎn)生的良好效果是十分明顯的。

3 兩種噴嘴經(jīng)濟效益對比

3.1 節(jié)約電耗

固定式牛角噴嘴需循環(huán)15 h達(dá)到產(chǎn)品合格要求，旋轉(zhuǎn)式調(diào)和噴嘴僅需循環(huán)3 h滿足要求。汽油罐區(qū)調(diào)和時，使用2臺電機功率為110 kW/h的機泵。按照保持機泵出口開度不變、運行電流不變、運行時能耗基本不變的原則，循環(huán)調(diào)和泵電機功率110 kW/h，使用旋轉(zhuǎn)噴嘴比使用牛角噴嘴每罐油品節(jié)約電能約為2 640kW·h。以工業(yè)用電平均價格0.58元/(kW·h)，每月約產(chǎn)2萬m3容量汽油18罐計算，則改造后使用旋轉(zhuǎn)調(diào)合噴嘴全年節(jié)約電耗35萬元。

3.2 庫容周轉(zhuǎn)率

某公司汽油產(chǎn)量約為24萬t，2萬m3儲罐每產(chǎn)一罐油品需要43 h，牛角式噴嘴循環(huán)需15 h，改用旋轉(zhuǎn)式噴嘴循環(huán)只需要3 h，則油罐的周轉(zhuǎn)率提高約為20.6%。因此，每生產(chǎn)一罐2萬m3油品，相當(dāng)于增加庫容5 000 m3。

若某煉油廠原有2萬 m3油罐4個，由牛角噴嘴改造為旋轉(zhuǎn)調(diào)和噴嘴之后，每生產(chǎn)4罐油品，相當(dāng)于增加1個2萬 m3油罐，極大地改善了煉油廠的庫容壓力。

3.3 降低蒸發(fā)損耗及漏損

將固定式牛角噴嘴改為旋轉(zhuǎn)噴嘴，每2萬m3儲罐可以減少循環(huán)、儲存時間12 h。我國南方夏季2萬m3汽油罐每天由油罐小呼吸引起的蒸發(fā)損耗量為1～2 t，平均每月生產(chǎn)汽油18罐，按照汽油價格3 500元/t計算，月節(jié)約損耗6.3萬元。

按泉州夏季5個月計算，每年減少小呼吸損耗造成的油品損失31.5萬元。

在成品油儲罐循環(huán)攪動過程中，循環(huán)時間越長，大呼吸損耗越大，同時由于閥門內(nèi)漏等原因造成油品損失。由實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)可知，平均每個2萬m3汽油罐循環(huán)12 h，油品損失約3 t，平均每月生產(chǎn)汽油18罐，按汽油價格3 500元/t計算，月節(jié)約損耗約19萬元，年節(jié)約損耗約227萬元。

減少油品儲存及循環(huán)時間可以有效減少油品中輕組分的揮發(fā)，保證產(chǎn)品質(zhì)量，而蒸發(fā)損耗的減小可以降低空氣中油氣濃度，對儲罐安全運行及控制環(huán)境污染具有重大意義。

3.4 噴嘴改造意義

通過改變噴嘴形式，有利于油品質(zhì)量的控制，在油品一次調(diào)和不合格的情況下，二次調(diào)和所需時間也大幅縮短，二次調(diào)入組分與原油品充分混合，在更好滿足質(zhì)量要求的同時實現(xiàn)效益最大化。

4 結(jié)語

旋轉(zhuǎn)式調(diào)和噴嘴具有調(diào)和效果好、效率高、效益好、安全及環(huán)保的顯著特點，是煉油企業(yè)精細(xì)化管理及可增效的有利措施之一，具有推廣使用的良好前景。

[1] 王海春．淺析汽柴油的調(diào)和技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012(22)：73．

(WANG Hai-chun．Application Status and Harmonic Technology for Naphtha and Diesel oil[J]．Technology Innovation and Application，2012(22)：73．)

[2] 余黎明，張東明．我國煉油工業(yè)發(fā)展趨勢分析[J]．中外能源，2011，16(8)：14-21．

(YU Li-ming，ZHANG Dong-ming．Development Trend of Chinese Petroleum Refining Industry[J]．Sino-Global Energy，2011，16(8)：14-21．)

[3] 陳紅，岳艷玲，劉義祥．淺析油品調(diào)和方案[J]．內(nèi)蒙古石油化工，2006(9)：146-147．)

(CHEN Hong，YUE Yan-ling，LIU Yi-xiang．The Plan of Oil Product Regulating[J]．Inner Mongolia Petrochemical Industry，2006(9)：146-147．)

[4] 邱豪．旋轉(zhuǎn)噴嘴調(diào)和器在油品調(diào)和中的應(yīng)用[J]．化工設(shè)計通訊，2016，42(11)：12-13．

(QIU Hao．Application of Rotary Nozzle Mixer in Oil Mixing[J]．Chemical Engineering Design Communications，2016，42(11)：12-13．)

[5] 葛傳花．武漢石化油品調(diào)和對改進(jìn)油品質(zhì)量的研究[D]．上海：華東理工大學(xué)，2013．

(GE Chuan-hua．Research on Improving Oil Quality of Blending about Wuhan Petrochemical[D]．Shanghai：East China University of Science and Technology，2013．)

[6] 沈惠明，王俊濤．汽油調(diào)和在線優(yōu)化控制系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用[J]．石油化工自動化，2009(5)：5-7．

(SHEN Hui-ming，WANG Jun-tao．The Development and Implementation of Online Optimization Control System of Gasoline Blending[J]．Automation in Petro-chemical Industry，2009(5)：5-7．)

[7] SINGH A，F(xiàn)ORBES J F，VERMEER P J，et al．Model-based Real-time Optimization of Automotive Gasoline Blending Operations[J]．Journal of Process Control，2000，10(1)：43-58．

[8] 張澤娜．綜述潤滑油的調(diào)和方法及設(shè)備[J]．廣東化工，2007，34(6)：86-88．

(ZHANG Ze-na．Summarize of Lube Oil Blending Methods and Equipments[J]．Guangdong Chemical Industry，2007，34(6)：86-88．)

[9] 盧山．油品高效調(diào)合器在汽油調(diào)合中的工業(yè)應(yīng)用[J]．石油石化節(jié)能，2011(10)：24-26，29．

(LU Shan．Application of the Efficient Oil Blending Device in Gasoline Blending[J]．Energy Conservation in Petroleum & Petrochemical Industry，2011(10)：24-26，29．)

[10] 章慶洪，傅志清，萬淑婷.油品調(diào)合旋轉(zhuǎn)噴頭的研究[J]．化工設(shè)備與管道，2012，49(3)：39-43．

(ZHANG Qing-hong，F(xiàn)U Zhi-qing，WANG Shu-ting．Study of Rotary Sprayer for Oil Product Mixing[J].Process Equipment & Piping，2012，49(3)：39-43．)

[11] 于兆濱．石油化工企業(yè)儲罐攪拌方式的比較[J]．石油商技，2006(4)：80-83．

(YU Zhao-bing．The Comparison of Mixing Way in Petrochemical Industry[J]．Petroleum Products Application Research，2006(4)：80-83．)

[12] 解富超．汽油旋轉(zhuǎn)射流調(diào)合過程動力學(xué)特性研究[D]．濟南：山東大學(xué)，2011．

(XIE Fu-chao．Study on the Dynamics Peculiarity of Gasoline Blending in the Process of Rotary Jet Mixing[D]．Jinan：Shandong University，2011．)

[13] 李東陽，周磊．旋轉(zhuǎn)噴嘴調(diào)和器在油品調(diào)合中的應(yīng)用[J]．中外能源，2012，17(11)：92-97．)

(LI Dong-yang，ZHOU Lei．The Application of Rotating Nozzle Dispenser in Oil Blending[J].Sino-Global Energy，2012，17(11)：92-97．)

[14] 皮嘉立，杜鵑，吳杰，等．不同噴嘴結(jié)構(gòu)油罐旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器數(shù)值模擬[J]．油氣儲運，2016，35(4)：85-89．)

(PI Jia-li，DU Juan，WU Jie，et al．Numerical Simulation of Tank Rotary Jet Mixers with Different Nozzle Structure[J]．Oil & Gas Storage and Transportation，2016，35(4)：85-89．)

[15] 余彬彬，楊建勇，劉強．不同射流速度的油罐旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器數(shù)值模擬[J]．當(dāng)代化工，2015，44(6)：221-223，247．

(YU Bin-bin，YANG Jian-yong，LIU Qiang．Numerical Simulation on Rotary Jet Mixer of Oil Tank at Different Jet Velocity[J]．Contemporary Chemical Industry，2015，44(6)：221-223，247．)