液態(tài)化工品儲罐調(diào)和技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王榮健，石海信，梁金祿，肖長根，朱 艷

（1.北部灣大學(xué)石油與化工學(xué)院，廣西 欽州 535011；2.廣西中馬欽州產(chǎn)業(yè)園區(qū)尼安德特環(huán)境技術(shù)有限公司，廣西 欽州 535008）

目前，國家對煉油企業(yè)的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品的環(huán)保、品質(zhì)、節(jié)能的要求越來越嚴(yán)格。受到煉油工藝的局限及技術(shù)經(jīng)濟(jì)等因素的考慮，原油及經(jīng)過一次加工和二次加工所得到的液態(tài)化工品（主要是油品），難以符合煉油工藝或產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。從原油方面來看，有相當(dāng)多煉油企業(yè)的原油依賴進(jìn)口，不同來源地或不同批次的原油，成分各不相同，需變換工藝參數(shù)后才能正常生產(chǎn)[1]。從市場對油品的需求來看，產(chǎn)品的規(guī)格越來越多，質(zhì)量指標(biāo)也日趨嚴(yán)格。為了滿足企業(yè)煉油工藝及產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求，研究液態(tài)化工品的調(diào)和技術(shù)，成為煉油企業(yè)的研究熱點(diǎn)[2-3]。傳統(tǒng)的調(diào)和方式以人工調(diào)和為主，勞動強(qiáng)度大，調(diào)和周期長，且液態(tài)化工品的各組分如汽油的辛烷值、蒸氣壓等指標(biāo)，不具備線性加和性。為使產(chǎn)品達(dá)標(biāo)而采用保守的調(diào)和模式，會造成質(zhì)量過剩及人工和資源的巨大浪費(fèi)[4]。本文對液態(tài)化工品儲罐調(diào)和技術(shù)的調(diào)和目的、調(diào)和機(jī)理、調(diào)和工藝、應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，以期為儲罐高效節(jié)能調(diào)和技術(shù)的研發(fā)提供參考。

1 液態(tài)化工品調(diào)和技術(shù)

1.1 調(diào)和目的

1）原油調(diào)和。根據(jù)原油產(chǎn)地與性質(zhì)的差異，依據(jù)原油理化性質(zhì)的分析數(shù)據(jù)，對多來源、多批次、多品種的原油進(jìn)行混合比例計(jì)算，以尋求最佳配比，將原油調(diào)和成符合已有煉油裝置操作工藝參數(shù)的待煉油，避免煉油加工裝置頻繁變換工藝參數(shù)，確保生產(chǎn)控制安全穩(wěn)定[5]。

2）組分油調(diào)和?？墒拐{(diào)和后的油品具有滿足使用要求的理化性能，達(dá)到該類油品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，保持產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。可提高油品質(zhì)量等級，改善油品使用性能，以取得更好的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)保效益?？纱龠M(jìn)基礎(chǔ)油或半成品油的合理使用，有效提高目標(biāo)油品的收率，增加產(chǎn)量[6]。

1.2 調(diào)和機(jī)理

液態(tài)化工品的調(diào)和大部分是液-液互相溶解的均相混合，少數(shù)（如原油）為部分互溶的液-液多相混合。組分分子在體系中傳遞或擴(kuò)散的推動力，是化學(xué)位差（μi）[7]。調(diào)和機(jī)理是參與調(diào)和的各組分在μi及外力（機(jī)械力）作用下，在體系內(nèi)進(jìn)行的多尺度擴(kuò)散溶解過程，具體歷程為：①分子擴(kuò)散。各組分油在分子尺度空間內(nèi)，從各自的高濃度處移向低濃度處，通過不同組分分子間的相對運(yùn)動，引起物質(zhì)傳遞。②渦流擴(kuò)散。采用機(jī)械攪拌或泵循環(huán)等方式調(diào)和油品時(shí)，機(jī)械能會傳遞給部分基礎(chǔ)油組分，在渦旋尺度空間內(nèi)使其高速流動，與未受力的靜態(tài)流體的組分界面產(chǎn)生剪切作用，形成漩渦，促使局部范圍的組分對流擴(kuò)散。③主體對流擴(kuò)散。全部基礎(chǔ)油組分在大尺度空間內(nèi)，通過自然對流或者強(qiáng)制對流，在整個(gè)液相體系內(nèi)作循環(huán)流動，引起物質(zhì)傳遞[8]。高效的儲罐調(diào)和為3種擴(kuò)散機(jī)制相互作用的結(jié)果，即通過主體對流擴(kuò)散，把不同的基礎(chǔ)油組分“剪切”成較大的“團(tuán)塊”后混合到一起；通過“團(tuán)塊”界面間的渦流擴(kuò)散，把各基礎(chǔ)油組分的不均勻程度縮小到渦流本身的大小；通過數(shù)量眾多的“團(tuán)塊”內(nèi)分子擴(kuò)散，最終實(shí)現(xiàn)液態(tài)化工品的均勻調(diào)和。

2 儲罐調(diào)和工藝

2.1 調(diào)和流程

儲罐調(diào)和屬離線調(diào)和、間歇調(diào)和或批量調(diào)和[9]，調(diào)和流程為：明確油品質(zhì)量要求→選擇合適的基礎(chǔ)油組分→實(shí)驗(yàn)室小試確定配比→按配比泵送調(diào)和組分→儲罐調(diào)和→抽樣檢驗(yàn)→合格成品油。流程的關(guān)鍵步驟是檢驗(yàn)企業(yè)所煉制的基礎(chǔ)油組分的理化性質(zhì)，了解庫存量，利用一定的線性或非線性調(diào)和模型，按“先重后輕”的原則將組分油打入儲罐內(nèi)調(diào)勻。儲罐調(diào)和的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，調(diào)和數(shù)量靈活，不受裝置餾出口組分油質(zhì)量波動的影響；缺點(diǎn)是耗時(shí)耗能，所需組分罐較多，質(zhì)量過剩，油料易氧化變質(zhì)及易揮發(fā)損失等。

2.2 調(diào)和方式

2.2.1 機(jī)械攪拌

對于批量不大的成品油，可采用機(jī)械攪拌的方式進(jìn)行調(diào)和。攪拌器的螺旋轉(zhuǎn)動，使得需要混合的液態(tài)化工品作近似圓周的循環(huán)對流與翻滾，油品分子以渦流擴(kuò)散為主，達(dá)到混合均勻的目的。攪拌器的安裝方式分為頂入式、側(cè)入式和底入式3種。如果儲罐容積小于20m3，可優(yōu)先選用頂入式攪拌器，用于小批量但質(zhì)量、配比等要求嚴(yán)格的特種油品如潤滑油或稀釋添加劑的基礎(chǔ)液的調(diào)和。儲罐容積較大，可優(yōu)先選用側(cè)入式或底入式攪拌器。若采用多個(gè)側(cè)入式攪拌器，則應(yīng)將攪拌器集中布置在罐壁的1/4圓周范圍內(nèi)。為了縮短機(jī)械攪拌時(shí)間及提高調(diào)和油品質(zhì)量，可加裝1個(gè)靜態(tài)混合器（圖1）[10]。

圖1 加靜態(tài)混合器的儲罐調(diào)和工藝示意圖

國內(nèi)船用燃料油生產(chǎn)企業(yè)采用的混合方式為儲罐內(nèi)攪拌調(diào)和[11]。幾種組分油經(jīng)管道輸送至船用燃料油儲罐后，在儲罐側(cè)壁的底部安裝2~3個(gè)螺旋槳，使螺旋槳相向旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)攪拌混合，攪拌時(shí)間為45~60min。隨著對船用燃料油的穩(wěn)定性要求越來越多，采用強(qiáng)化混合方式成為一種發(fā)展趨勢。一種方法是在原有的混合儲罐外增加1組回流裝置，以增加混合時(shí)間；另一種方法是改變混合方式，采用管道混合器進(jìn)行預(yù)混合，再經(jīng)過高效剪切混合裝置進(jìn)行強(qiáng)化混合。該法是未來發(fā)展自動化連續(xù)生產(chǎn)船用燃料油技術(shù)的基礎(chǔ)。

2.2.2 泵循環(huán)噴嘴

對于批量與物料配比變化均較大的中、低黏度的油品調(diào)和，可采用泵循環(huán)噴嘴調(diào)和。即先將所有待調(diào)的組分油和添加劑按先重后輕的順序，依次打入調(diào)和罐內(nèi)，然后用泵從罐底把待調(diào)和的油料抽出來，通過罐回流口噴嘴將油料高速噴射回罐內(nèi)[12]，如此循環(huán)一定時(shí)間，可使各組分調(diào)和均勻（圖2）。

圖2 泵循環(huán)噴嘴調(diào)和示意圖

從圖2可知，噴嘴高速射流穿過罐內(nèi)靜態(tài)油料時(shí)，會推動前方的油料流動，形成主體對流運(yùn)動；同時(shí)，射流邊界上存在的高剪切速率會形成大量旋渦，把周圍油料卷入射流中，高速噴射流的動能可有效傳遞給低速流體，形成大量漩渦，使傳質(zhì)加快，從而提高調(diào)和效率。大部分煉油企業(yè)采用的是噴嘴式調(diào)和器。調(diào)和器殼體的側(cè)壁及頂部設(shè)有噴液嘴，組分油通過進(jìn)油管，從均勻分布在調(diào)和器四周的噴液嘴噴出，從而使不同組分的油品在儲罐內(nèi)充分混合。

2.2.3 壓縮空氣

對于調(diào)和量大而質(zhì)量要求一般的石油產(chǎn)品，可采用壓縮空氣調(diào)和，即將壓縮空氣從罐壁底圈或罐頂通入罐內(nèi)，或與進(jìn)油管線相接通入罐內(nèi)（圖3）[13]。由圖3可知，壓縮空氣從儲罐底部均勻分布的噴射盤沖出刮掃罐底，罐底油料將壓縮空氣的壓力轉(zhuǎn)化為自身的動力，形成夾帶著氣泡的噴射液流和翻滾的液流漩渦，將罐底重組分油料晃動上浮至罐頂，帶動各組分上下晃動，在較短時(shí)間內(nèi)使罐內(nèi)各油料混勻。因壓縮空氣易使油品氧化變質(zhì)、蒸發(fā)損耗及產(chǎn)生靜電壓，所以易氧化、低閃點(diǎn)、產(chǎn)泡沫的油品或含有干粉狀添加劑的油品，不宜采用本法調(diào)和。

圖3 壓縮空氣調(diào)和示意圖

郭國進(jìn)[14]對壓縮空氣的脈沖調(diào)和工藝的參數(shù)控制進(jìn)行了探討，所用的工藝流程及裝置見圖4。通過生產(chǎn)試驗(yàn)，探索出合適的脈沖氣壓為0.48MPa，脈沖間隔為2.5s，脈沖動力為0.8s，鼓泡時(shí)間根據(jù)油品的運(yùn)動黏度來設(shè)定。

圖4 脈沖氣動調(diào)和工藝示意圖

與傳統(tǒng)機(jī)械攪拌相比，智能脈沖氣動調(diào)和工藝在調(diào)油罐中唯一的循環(huán)運(yùn)動就是調(diào)和油品，沒有機(jī)械運(yùn)動部件，不存在故障，維修時(shí)只需維護(hù)罐外的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，罐內(nèi)部分不需維修保養(yǎng)，節(jié)省了維修成本及電能熱能消耗，縮短了調(diào)和時(shí)間和油品的加溫時(shí)間，避免了添加劑沉降和油品氧化變質(zhì)。

2.3 液態(tài)化工品調(diào)和技術(shù)的發(fā)展趨勢

2.3.1 調(diào)和方案優(yōu)化

李穎等[15]用渣油、乙烯焦油、頁巖油等組分油調(diào)和制備船用燃料油，考察了調(diào)和比、溫度、不同親水親油平衡值（HLB）及復(fù)配表面活性劑對調(diào)和油黏度的影響。結(jié)果表明，當(dāng)渣油與乙烯焦油或頁巖油的質(zhì)量比為1∶1.25或1∶1.0時(shí)，調(diào)和油的黏度指標(biāo)達(dá)到180#船舶燃料油的要求，閃點(diǎn)和穩(wěn)定性也符合國家標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)陰離子與非離子表面活性劑復(fù)配后的HLB值為12，且添加的復(fù)配表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，調(diào)和油的黏度降到最低。張鵬等[16]設(shè)計(jì)了符合國Ⅲ、國Ⅳ和國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的0#車用柴油調(diào)和方案，結(jié)果表明，各加氫柴油調(diào)和組分的十六烷值、閉口閃點(diǎn)及密度均滿足相應(yīng)的國標(biāo)要求；高(中)壓加氫汽柴油和加氫柴油的含硫量分別為10μg·g-1和40μg·g-1，后者高于國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)；重芳烴和煤油的凝點(diǎn)和冷濾點(diǎn)很低，具有較好的低溫流動性。若用降凝劑乙烯-乙酸乙烯酯共聚物替代煤油用于調(diào)和柴油，會對脂肪酸型耐磨劑產(chǎn)生負(fù)協(xié)同效應(yīng)。方義等[17]采用中國石油獨(dú)山子石化公司自產(chǎn)的汽油調(diào)和單組分，考察高辛烷值組分的烷基化油和辛烷值促進(jìn)劑在生產(chǎn)95#/98#國ⅥA車用汽油中的調(diào)和效果。結(jié)果表明，在抗爆指數(shù)不足的情況下，在95#汽油的基礎(chǔ)配方中添加0.3%辛烷值促進(jìn)劑T或5%烷基化油，將98#汽油配方的烷基化油調(diào)和比例提高至18%~22%，即可調(diào)和出滿足國ⅥA標(biāo)準(zhǔn)的95#/98#汽油。烷基化油或甲基叔丁基醚（MTBE）單獨(dú)使用的效果好，并用效果稍差；烷基化油對提升研究法辛烷值（RON）的效果較優(yōu)，MTBE對提升馬達(dá)法辛烷值（MON）的效果較優(yōu)。

2.3.2 調(diào)和監(jiān)測技術(shù)優(yōu)化

在線實(shí)時(shí)監(jiān)測調(diào)和過程各組分油與調(diào)和油的性質(zhì)變化，是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。正在使用并不斷優(yōu)化的在線監(jiān)測技術(shù)主要有：

1）近紅外分析系統(tǒng)。包括近紅外光譜分析儀、采樣器、控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)，監(jiān)測原理是利用油品在近紅外光譜區(qū)(700~2500nm)的特征吸收峰，與油品辛烷值、蒸氣壓及餾程等關(guān)鍵性指標(biāo)建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，再使用該模型對未知樣品進(jìn)行預(yù)測分析，并將分析結(jié)果提供給油品調(diào)和控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對調(diào)和過程的優(yōu)化控制。英國BP公司于1994年在法國的Lavera煉油廠中運(yùn)用紅外線分析儀，檢測了3種成品油及16種組分油的餾程、蒸氣壓、密度、MON及RON，通過集中控制系統(tǒng)（DCS）將這些數(shù)據(jù)傳送給控制軟件，進(jìn)而對油品進(jìn)行優(yōu)化[18]。韓國SK公司利用紅外線分析儀和先進(jìn)過程控制（APC）系統(tǒng)，對煉油或化工裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)對油品調(diào)和的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制[19]。周雪梅[20]利用近紅外原油快評系統(tǒng)，對末站輸轉(zhuǎn)原油的1#、2#靜態(tài)混合器出口油品性質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，常減壓裝置可提前預(yù)知加工原油質(zhì)量性質(zhì)、關(guān)鍵組分性質(zhì)及各餾分段收率等數(shù)據(jù)，避免了因進(jìn)料性質(zhì)不穩(wěn)出現(xiàn)的波動，為裝置長滿優(yōu)運(yùn)行提供了穩(wěn)態(tài)環(huán)境。

2）總硫分析儀。主要有紫外熒光法總硫分析儀和單波長色散X射線熒光光譜法總硫分析儀。前者的工作原理是：高溫下油樣中的硫化物會被定量轉(zhuǎn)化為SO2，經(jīng)特定波長紫外線照射后，通過計(jì)算可得到硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，具有測量精度高、分析速度快的優(yōu)點(diǎn)[21]。后者是非接觸式無損測量方法，可直接測樣。陳媛等[22]認(rèn)為，SINDIE6010ZP型單波長色散X熒光光譜總硫分析儀在原料油硫分析中的評定結(jié)果一般，但運(yùn)行穩(wěn)定，故障較易處理。

3）拉曼光譜分析技術(shù)。拉曼光譜對油品混合組分中的各種官能團(tuán)（C=C、C-C、C-O-C、苯環(huán)等）具有較強(qiáng)的拉曼信號，可準(zhǔn)確反映出油品中CnHm分子的振動信息，振動峰強(qiáng)度與待測物濃度之間存在線性關(guān)系，可同時(shí)定量測定油品中多個(gè)成分含量。馬萬武等[23]研發(fā)了一套在線拉曼光譜分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)和裝置的汽油RON、氧含量及芳烯烴含量等指標(biāo)的在線快速分析，為工藝裝置的操作優(yōu)化提供了及時(shí)準(zhǔn)確的檢測參數(shù)。

2.3.3 調(diào)和規(guī)則優(yōu)化

利用組分的物理性質(zhì)參數(shù)，預(yù)測調(diào)和產(chǎn)品的物理性質(zhì)參數(shù)的公式稱為調(diào)和規(guī)則[24]。由于組分油自身就是混合物，由組分油調(diào)和得到的成品油更是比組分油復(fù)雜得多的混合物，所以成品油所要滿足的一些性質(zhì)指標(biāo)，并不是各組分油對應(yīng)性質(zhì)指標(biāo)的簡單線性加和，存在一定的非線性。因此，精準(zhǔn)的非線性調(diào)和規(guī)則在一定程度上決定了油品調(diào)和的成敗。侯軍芳等人[25]采用非線性擬合和多元回歸的方法，對Ethyl公司的RT-205規(guī)則的調(diào)和系數(shù)進(jìn)行了重新擬合，新擬合的調(diào)和系數(shù)的精度較高，與蘭州石化的油品調(diào)和情況較為相符。Castillo P A C等人[26]提出了一種全局優(yōu)化算法，該模型包括配方優(yōu)化、分配問題及幾個(gè)重要的操作特征和約束條件，通過增加分區(qū)數(shù)目和減少變量域的數(shù)目，實(shí)現(xiàn)了精化全局解的估計(jì)。

3 結(jié)語

為了提高儲罐調(diào)和效率，針對機(jī)械攪拌調(diào)和工藝，可在儲罐外增加回流裝置或管道預(yù)混合器。對泵循環(huán)噴嘴調(diào)和工藝，將噴嘴均勻分布在儲罐四周，可加快調(diào)和過程。壓縮空氣調(diào)和以脈沖調(diào)和工藝為佳。儲罐調(diào)和技術(shù)未來的發(fā)展方向，應(yīng)該是通過調(diào)和方案、在線監(jiān)測技術(shù)以及調(diào)和規(guī)則的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)液態(tài)化工品的自動化高效調(diào)和。