润滑油调合加热方式的优化

2018-05-14

石油商技 2018年1期

中国石化润滑油有限公司上海分公司

随着我国经济的飞速发展,能源供需平衡压力也日益增大。润滑油行业作为石油加工行业末端的能耗较大的产业,面临巨大的压力,许多润滑油企业通过技术改造、优化物流、精益生产来提高生产效率,降低能耗。大批先进的润滑油生产工艺和装置已被引入现今的润滑油生产中来,其中SMB(同步计量调合系统)、ABB(自动批量调合系统)以及ILB(在线调合系统)是较为先进的现代润滑油调合生产工艺。

中国石化润滑油有限公司上海分公司(以下简称上海分公司)于2008年采用了SMB、ABB调合生产工艺,通过3.5×105t/a调合设施改造项目,使润滑油调合能力大大提升。从调合工艺来看,目前上海分公司主要采用了罐式调合,未实现ILB在线管道调合。除了先进的SMB、ABB采用气动脉冲混合方式调合外,其他主要的调合方式为机械搅拌调合和泵循环调合。目前,上海分公司基础油储存输转量较大,润滑油调合品种多,灌装发运方式多样化,实际生产过程中,常常出现整罐基础油、成品罐频繁地加热、切换等情况,易造成生产周期长、蒸汽能耗大、调合效率低。

本文对调合罐加热原理、加热方式进行了分析,针对现有调合罐加热方式存在的问题,制定出最优的加热系统改造方案,从而发挥设备的最大调合能力,提高调合效率,降低蒸汽能耗。

上海分公司润滑油现有调合加热方式存在问题

上海分公司基础油罐、成品调合罐的加热系统均为罐内蒸汽排管,其中基础油管的罐容为3 180.9 m3,换热面积为30 m2,成品调合罐的罐容为495 m3,换热面积为10m2,使用气动脉冲混合方式。罐内加热器的工艺流程见图1。

整个调合输转发运环节中存在的问题如下：

蒸汽能耗高

根据生产流程,基础油从基础油罐泵输至成品调合罐后,再进行加温调合。当只需输送少量基础油时,却需要预先加热整个基础油罐内的油品至45～50 ℃,这使得蒸汽热能的有效利用率低,蒸汽能耗居高不下。

生产周期长

当基础油和添加剂进入成品调合罐后,需要再加热至调合温度(≤60 ℃)后进行搅拌,成品罐内的金属轧制翅片加热器换热面积仅10 m2,平均温升约为0.8 ℃/h。夏季加热到油品的调合温度需要2～3天,而冬季则需要3～4天,这就延长了油品的调合周期,降低了生产效率。

油品质量难以控制

由于利用蒸汽排管加热时,油品的整体温升分布不均衡,翅片式加热器周边的油品温度高,而离加热器较远的油品温度低,因此在加热时需要同时进行搅拌,否则容易造成局部过热导致油品变质。但由于搅拌形式是利用压缩空气的脉冲搅拌,如果搅拌时间过长,也易造成油品氧化,影响油品的质量。

润滑油调合加热原理

按照热流体的接触情况,工业上的传热过程分为3种基本方式：直接接触式传热、间壁式传热、蓄热式传热。

图1 罐内加热器的工艺流程示意

润滑油调合罐的加热系统采用间壁式传热的方式,即热流体通过间壁将热量传递给冷流体。起加热作用的热载体称为加热剂。工业上常用的加热剂有热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合物(俗称道生油)、熔盐和烟道气等,它们所适用的温度范围见表1。

根据传热机理的不同,热量传递又分为3种基本方式：热传导、对流给热和辐射传热。不管以何种方式传热,热量传递总是由高温向低温传递。润滑油生产中,大量遇到的是流体在流过固体表面时与该表面所发生的热量交换,这一过程称为对流给热。

对流给热是流体流动与热传导协同作用的结果,流体对壁面的热流密度因流动而增大。根据引起流动的原因,可将对流给热分为强制对流和自然对流2类：强制对流指的是流体在外力,例如泵或其势能差的作用下产生的宏观流动;自然对流则是在传热过程因流体冷热部分密度不同而引起的流动。

上海分公司3.5×105t/a调合设施改造项目中的蒸汽由中国石化上海高桥石油化工有限公司的热电事业部供应,使用便利。蒸汽冷凝作为一种加热方式在润滑油生产中应用广泛,在蒸汽冷凝加热过程中,加热介质为饱和蒸汽。饱和蒸汽与低于其温度的冷壁接触时,将凝结为液体,释放出汽化潜热,在饱和蒸汽冷凝过程中,气液两相共存。使用饱和蒸汽作为加热介质主要有2个原因：一是饱和蒸汽有恒定的温度,二是它有较大的给热系数。

表1 工业上常用加热剂及其适用温度范围

饱和蒸汽和调合罐内的基础油在间壁式局部加热器内被固体壁面隔开,分别在壁面两侧流动,热量从饱和蒸汽通过壁面传递给基础油,饱和蒸汽以对流给热的方式将热量传递给壁面一侧,壁面以热传导方式将热量传递到壁面另一侧,再以对流给热方式传递到基础油。饱和蒸气释放热量可按公式(1)计算：

式中：

Q-饱和蒸汽释放的热量,W;

qm-饱和蒸汽的质量流量,kg/s;

r-饱和蒸汽的汽化潜热,kJ/kg;

Cp-饱和蒸汽的比热容,kJ/(kg·℃);

T1-进口的饱和蒸汽温度,℃;

T2-出口的饱和蒸汽温度,℃。

储罐加热器的选择

储罐加热器主要分为罐内排管式加热器、罐外盘管式加热器和局部加热器。其中,前2者都属于全面加热器,均匀布置在罐内或罐外壁上,适用于短时间需发送大量油品的工况;局部加热器则布置在油罐的收发油管处,每次只加热需要泵输的油品。

罐内排管式、罐外盘管式加热器作为传统的储罐加热器,已使用了很多年,主要弊端有：

◇换热效率低,蒸汽耗量大。传统加热器对油品的加热是一种静置式的自然对流给热,其放热系数极低。由于换热效率低,因此冷凝水温度高,常常随着大量蒸汽排出。同时,贴近加热器的油品温度过高,远离加热器的油品温度则较低,如果油品在加热器的高温面长时间滞留,极容易产生分解、结聚与加热器表面结焦,严重阻碍热量的传递,进一步影响换热效率。

◇加热过程不经济。当只泵输储罐内的部分油品时,也要对整个罐内的油品全部进行加热,加热的油品是实际泵输量的好几倍,造成大量的蒸汽做了无用功。

◇罐内各部位的油品温度不均衡,影响油品质量。靠近加热器的油品温度较高,远离加热器的油品温度则较低,如果在加热时没有同时开启搅拌器,将可能会影响到油品质量。

在润滑油调合过程中,是否选择了适宜的调合温度,对混合效果和油品质量影响很大,一般控制在45～60 ℃为宜。为了节约能源、降低能耗,先降低油品储存温度,再通过局部加热器迅速提升油品的输送温度,是较理想的办法。同时,与传统加热器相比,局部加热器的加热速度快,换热效率高,且不易结焦,并可以对需要泵输的油品进行定量加热,需要使用多少油品就加热多少油品。这就避免了反复对储罐内油品进行加热,也避免了超温造成的油品质量风险。

润滑油调合罐加热系统改造方案

通过分析和研究,确定了润滑油调合罐加热系统改造方案,具体如下：

◇在基础油罐上安装局部加热器(图2),使油罐内的基础油通过局部加热器加温后进入输送泵,再泵送进入成品调合罐内。

◇在局部加热器的出口管线上安装Pt铂热电阻(图3)测温和PID(比例、积分和微分)调节仪来控制安装在蒸汽管线上的流量调节阀(图4)的开度,从而实现加热温度的自动控制,确保局部加热器加温后的基础油温度不大于50 ℃,以符合输送油品时的温度限制规定。

◇在局部加热器的蒸汽进口管线上安装3#、4#、5#和6#放空阀(位置见图5),以便于将管线内的冷凝水排净。排净冷凝水既能避免水锤现象损伤到局部加热器,也能避免冬季低温时冷凝水结冰后体积膨胀造成管线、阀门的损坏。

图2 局部加热器外观

图3 Pt铂热电阻外观

图4 流量调节阀外观

图5 局部加热器的工艺流程示意

方案实施效果

加温时间

以生产L-HM46抗磨液压油(卓力)的调合为例,调合温度要求为50～55 ℃。采用局部加热器之前,所采用的HVI II类基础油加热至50℃的调合温度需要48.3 h;采用局部加热器后,由于HVI II类基础油在泵输至成品调合罐时,已被加热至40～45 ℃左右,再通过成品调合罐内的翅片式加热器加温至50 ℃的调合温度,只需要18 h,加温时间缩短约63%。