液态化工品储罐调和技术的应用现状及发展趋势

2021-10-27王荣健石海信梁金禄肖长根

化工技术与开发 2021年10期

王荣健，石海信，梁金禄，肖长根，朱艳

（1.北部湾大学石油与化工学院，广西钦州 535011；2.广西中马钦州产业园区尼安德特环境技术有限公司，广西钦州 535008）

目前，国家对炼油企业的生产工艺及产品的环保、品质、节能的要求越来越严格。受到炼油工艺的局限及技术经济等因素的考虑，原油及经过一次加工和二次加工所得到的液态化工品（主要是油品），难以符合炼油工艺或产品质量技术标准的要求。从原油方面来看，有相当多炼油企业的原油依赖进口，不同来源地或不同批次的原油，成分各不相同，需变换工艺参数后才能正常生产[1]。从市场对油品的需求来看，产品的规格越来越多，质量指标也日趋严格。为了满足企业炼油工艺及产品质量标准的要求，研究液态化工品的调和技术，成为炼油企业的研究热点[2-3]。传统的调和方式以人工调和为主，劳动强度大，调和周期长，且液态化工品的各组分如汽油的辛烷值、蒸气压等指标，不具备线性加和性。为使产品达标而采用保守的调和模式，会造成质量过剩及人工和资源的巨大浪费[4]。本文对液态化工品储罐调和技术的调和目的、调和机理、调和工艺、应用现状及发展趋势进行分析，以期为储罐高效节能调和技术的研发提供参考。

1 液态化工品调和技术

1.1 调和目的

1）原油调和。根据原油产地与性质的差异，依据原油理化性质的分析数据，对多来源、多批次、多品种的原油进行混合比例计算，以寻求最佳配比，将原油调和成符合已有炼油装置操作工艺参数的待炼油，避免炼油加工装置频繁变换工艺参数，确保生产控制安全稳定[5]。

2）组分油调和。可使调和后的油品具有满足使用要求的理化性能，达到该类油品的质量标准，保持产品质量的稳定。可提高油品质量等级，改善油品使用性能，以取得更好的经济、社会、环保效益。可促进基础油或半成品油的合理使用，有效提高目标油品的收率，增加产量[6]。

1.2 调和机理

液态化工品的调和大部分是液-液互相溶解的均相混合，少数（如原油）为部分互溶的液-液多相混合。组分分子在体系中传递或扩散的推动力，是化学位差（μi）[7]。调和机理是参与调和的各组分在μi及外力（机械力）作用下，在体系内进行的多尺度扩散溶解过程，具体历程为：①分子扩散。各组分油在分子尺度空间内，从各自的高浓度处移向低浓度处，通过不同组分分子间的相对运动，引起物质传递。②涡流扩散。采用机械搅拌或泵循环等方式调和油品时，机械能会传递给部分基础油组分，在涡旋尺度空间内使其高速流动，与未受力的静态流体的组分界面产生剪切作用，形成漩涡，促使局部范围的组分对流扩散。③主体对流扩散。全部基础油组分在大尺度空间内，通过自然对流或者强制对流，在整个液相体系内作循环流动，引起物质传递[8]。高效的储罐调和为3种扩散机制相互作用的结果，即通过主体对流扩散，把不同的基础油组分“剪切”成较大的“团块”后混合到一起；通过“团块”界面间的涡流扩散，把各基础油组分的不均匀程度缩小到涡流本身的大小；通过数量众多的“团块”内分子扩散，最终实现液态化工品的均匀调和。

2 储罐调和工艺

2.1 调和流程

储罐调和属离线调和、间歇调和或批量调和[9]，调和流程为：明确油品质量要求→选择合适的基础油组分→实验室小试确定配比→按配比泵送调和组分→储罐调和→抽样检验→合格成品油。流程的关键步骤是检验企业所炼制的基础油组分的理化性质，了解库存量，利用一定的线性或非线性调和模型，按“先重后轻”的原则将组分油打入储罐内调匀。储罐调和的优点是操作简单，调和数量灵活，不受装置馏出口组分油质量波动的影响；缺点是耗时耗能，所需组分罐较多，质量过剩，油料易氧化变质及易挥发损失等。

2.2 调和方式

2.2.1 机械搅拌

对于批量不大的成品油，可采用机械搅拌的方式进行调和。搅拌器的螺旋转动，使得需要混合的液态化工品作近似圆周的循环对流与翻滚，油品分子以涡流扩散为主，达到混合均匀的目的。搅拌器的安装方式分为顶入式、侧入式和底入式3种。如果储罐容积小于20m3，可优先选用顶入式搅拌器，用于小批量但质量、配比等要求严格的特种油品如润滑油或稀释添加剂的基础液的调和。储罐容积较大，可优先选用侧入式或底入式搅拌器。若采用多个侧入式搅拌器，则应将搅拌器集中布置在罐壁的1/4圆周范围内。为了缩短机械搅拌时间及提高调和油品质量，可加装1个静态混合器（图1）[10]。

图1 加静态混合器的储罐调和工艺示意图

国内船用燃料油生产企业采用的混合方式为储罐内搅拌调和[11]。几种组分油经管道输送至船用燃料油储罐后，在储罐侧壁的底部安装2~3个螺旋桨，使螺旋桨相向旋转，从而实现搅拌混合，搅拌时间为45~60min。随着对船用燃料油的稳定性要求越来越多，采用强化混合方式成为一种发展趋势。一种方法是在原有的混合储罐外增加1组回流装置，以增加混合时间；另一种方法是改变混合方式，采用管道混合器进行预混合，再经过高效剪切混合装置进行强化混合。该法是未来发展自动化连续生产船用燃料油技术的基础。

2.2.2 泵循环喷嘴

对于批量与物料配比变化均较大的中、低黏度的油品调和，可采用泵循环喷嘴调和。即先将所有待调的组分油和添加剂按先重后轻的顺序，依次打入调和罐内，然后用泵从罐底把待调和的油料抽出来，通过罐回流口喷嘴将油料高速喷射回罐内[12]，如此循环一定时间，可使各组分调和均匀（图2）。

图2 泵循环喷嘴调和示意图

从图2可知，喷嘴高速射流穿过罐内静态油料时，会推动前方的油料流动，形成主体对流运动；同时，射流边界上存在的高剪切速率会形成大量旋涡，把周围油料卷入射流中，高速喷射流的动能可有效传递给低速流体，形成大量漩涡，使传质加快，从而提高调和效率。大部分炼油企业采用的是喷嘴式调和器。调和器壳体的侧壁及顶部设有喷液嘴，组分油通过进油管，从均匀分布在调和器四周的喷液嘴喷出，从而使不同组分的油品在储罐内充分混合。

2.2.3 压缩空气

对于调和量大而质量要求一般的石油产品，可采用压缩空气调和，即将压缩空气从罐壁底圈或罐顶通入罐内，或与进油管线相接通入罐内（图3）[13]。由图3可知，压缩空气从储罐底部均匀分布的喷射盘冲出刮扫罐底，罐底油料将压缩空气的压力转化为自身的动力，形成夹带着气泡的喷射液流和翻滚的液流漩涡，将罐底重组分油料晃动上浮至罐顶，带动各组分上下晃动，在较短时间内使罐内各油料混匀。因压缩空气易使油品氧化变质、蒸发损耗及产生静电压，所以易氧化、低闪点、产泡沫的油品或含有干粉状添加剂的油品，不宜采用本法调和。

图3 压缩空气调和示意图

郭国进[14]对压缩空气的脉冲调和工艺的参数控制进行了探讨，所用的工艺流程及装置见图4。通过生产试验，探索出合适的脉冲气压为0.48MPa，脉冲间隔为2.5s，脉冲动力为0.8s，鼓泡时间根据油品的运动黏度来设定。

图4 脉冲气动调和工艺示意图

与传统机械搅拌相比，智能脉冲气动调和工艺在调油罐中唯一的循环运动就是调和油品，没有机械运动部件，不存在故障，维修时只需维护罐外的气动执行机构，罐内部分不需维修保养，节省了维修成本及电能热能消耗，缩短了调和时间和油品的加温时间，避免了添加剂沉降和油品氧化变质。

2.3 液态化工品调和技术的发展趋势

2.3.1 调和方案优化

李颖等[15]用渣油、乙烯焦油、页岩油等组分油调和制备船用燃料油，考察了调和比、温度、不同亲水亲油平衡值（HLB）及复配表面活性剂对调和油黏度的影响。结果表明，当渣油与乙烯焦油或页岩油的质量比为1∶1.25或1∶1.0时，调和油的黏度指标达到180#船舶燃料油的要求，闪点和稳定性也符合国家标准。当阴离子与非离子表面活性剂复配后的HLB值为12，且添加的复配表面活性剂的质量分数为0.3%时，调和油的黏度降到最低。张鹏等[16]设计了符合国Ⅲ、国Ⅳ和国Ⅴ标准的0#车用柴油调和方案，结果表明，各加氢柴油调和组分的十六烷值、闭口闪点及密度均满足相应的国标要求；高(中)压加氢汽柴油和加氢柴油的含硫量分别为10μg·g-1和40μg·g-1，后者高于国Ⅴ标准；重芳烃和煤油的凝点和冷滤点很低，具有较好的低温流动性。若用降凝剂乙烯-乙酸乙烯酯共聚物替代煤油用于调和柴油，会对脂肪酸型耐磨剂产生负协同效应。方义等[17]采用中国石油独山子石化公司自产的汽油调和单组分，考察高辛烷值组分的烷基化油和辛烷值促进剂在生产95#/98#国ⅥA车用汽油中的调和效果。结果表明，在抗爆指数不足的情况下，在95#汽油的基础配方中添加0.3%辛烷值促进剂T或5%烷基化油，将98#汽油配方的烷基化油调和比例提高至18%~22%，即可调和出满足国ⅥA标准的95#/98#汽油。烷基化油或甲基叔丁基醚（MTBE）单独使用的效果好，并用效果稍差；烷基化油对提升研究法辛烷值（RON）的效果较优，MTBE对提升马达法辛烷值（MON）的效果较优。

2.3.2 调和监测技术优化

在线实时监测调和过程各组分油与调和油的性质变化，是保证产品质量的重要环节。正在使用并不断优化的在线监测技术主要有：

1）近红外分析系统。包括近红外光谱分析仪、采样器、控制系统和安全系统，监测原理是利用油品在近红外光谱区(700~2500nm)的特征吸收峰，与油品辛烷值、蒸气压及馏程等关键性指标建立相关的数学模型，再使用该模型对未知样品进行预测分析，并将分析结果提供给油品调和控制系统，以实现对调和过程的优化控制。英国BP公司于1994年在法国的Lavera炼油厂中运用红外线分析仪，检测了3种成品油及16种组分油的馏程、蒸气压、密度、MON及RON，通过集中控制系统（DCS）将这些数据传送给控制软件，进而对油品进行优化[18]。韩国SK公司利用红外线分析仪和先进过程控制（APC）系统，对炼油或化工装置进行实时控制，实现对油品调和的实时优化控制[19]。周雪梅[20]利用近红外原油快评系统，对末站输转原油的1#、2#静态混合器出口油品性质进行评价，常减压装置可提前预知加工原油质量性质、关键组分性质及各馏分段收率等数据，避免了因进料性质不稳出现的波动，为装置长满优运行提供了稳态环境。

2）总硫分析仪。主要有紫外荧光法总硫分析仪和单波长色散X射线荧光光谱法总硫分析仪。前者的工作原理是：高温下油样中的硫化物会被定量转化为SO2，经特定波长紫外线照射后，通过计算可得到硫的质量分数，具有测量精度高、分析速度快的优点[21]。后者是非接触式无损测量方法，可直接测样。陈媛等[22]认为，SINDIE6010ZP型单波长色散X荧光光谱总硫分析仪在原料油硫分析中的评定结果一般，但运行稳定，故障较易处理。

3）拉曼光谱分析技术。拉曼光谱对油品混合组分中的各种官能团（C=C、C-C、C-O-C、苯环等）具有较强的拉曼信号，可准确反映出油品中CnHm分子的振动信息，振动峰强度与待测物浓度之间存在线性关系，可同时定量测定油品中多个成分含量。马万武等[23]研发了一套在线拉曼光谱分析系统，实现了调和装置的汽油RON、氧含量及芳烯烃含量等指标的在线快速分析，为工艺装置的操作优化提供了及时准确的检测参数。

2.3.3 调和规则优化

利用组分的物理性质参数，预测调和产品的物理性质参数的公式称为调和规则[24]。由于组分油自身就是混合物，由组分油调和得到的成品油更是比组分油复杂得多的混合物，所以成品油所要满足的一些性质指标，并不是各组分油对应性质指标的简单线性加和，存在一定的非线性。因此，精准的非线性调和规则在一定程度上决定了油品调和的成败。侯军芳等人[25]采用非线性拟合和多元回归的方法，对Ethyl公司的RT-205规则的调和系数进行了重新拟合，新拟合的调和系数的精度较高，与兰州石化的油品调和情况较为相符。Castillo P A C等人[26]提出了一种全局优化算法，该模型包括配方优化、分配问题及几个重要的操作特征和约束条件，通过增加分区数目和减少变量域的数目，实现了精化全局解的估计。