靜態混合器在石油化工中的應用

吳 雨 張力鈞 宋忠俊

上海化工研究院，上海 200062

0 前言

混合是石油化工行業中一種十分普遍又重要的操作，從簡單的溶解到復雜的反應都要涉及到混合，反應的速率、產量以及選擇性高度依賴于混合性能。不當的混合會產生質量低劣的產品，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，據估計，在化工行業相對發達的美國每年由于混合問題造成的經濟損失高達幾十億美元［1］。因此，設計高效的混合設備，實現有效的混合，對提高產品質量、減少副產物、優化整個生產過程具有重要的意義。

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

1 靜態混合器種類及其工作原理

靜態混合器最早由荷蘭人提出，20世紀70、80年代已有迅速的發展。國內原化工部上海化工研究院，最早對靜態混合器進行研究。1977～1978年進行文獻查閱和探索試驗。1979年正式成立SM型靜態混合器專題組，研究工作主要包括實驗室基礎研究和工業性應用研究。《SMV型靜態混合器的研究》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年獲得上海市優秀產品二等獎和國家經委金龍獎。上海化工研究院化機所已開展了對SH、SK、SL、SX型靜態混合器的研究，1985年通過預鑒定，1987年通過正式鑒定并獲得了化工部科學技術進步三等獎［3］。隨著研究的深入和應用的普及，目前靜態混合器達50余種，國內最常用的有上海化工研究院開發的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混合器。混合元件見圖1。

1.1 凱尼斯型靜態混合器

凱尼斯型靜態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180°的螺旋片首尾成90°相接而成。如圖2所示，原料經過此靜態混合器時，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 凱尼斯型靜態混合器

凱尼斯型靜態混合器的混合機理有以下三類：

a）混合元件對流經的原料介質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生旋轉，通過迫使原料介質旋轉方向的改變使流體混合。

c）混合器內部流道的橫截面積或位置發生變化，使原料介質產生“自身攪拌”作用。

1.2 蘇爾士型靜態混合器

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

圖3 蘇爾士型靜態混合器

如圖3所示，蘇爾士型靜態混合器有一個外殼，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，相鄰元件在管內呈90°。原料介質進入混合元件，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，波紋片之間所構成的通道相交。每個元件中方向不同的波紋通道把管內兩側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，從旋轉了90°的平面上流過。

1.3日本東麗型靜態混合器

日本東麗型靜態混合器是由幾個單元混合器和短管及法蘭組成，混合器內部具有兩排通道，每個通道內都含螺旋片，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混合器要高，但是低于蘇爾士型靜態混合器［5］。

2 靜態混合器的應用

在石油化工領域，靜態混合器主要應用于油品精制、萃取、脫硫、原料油脫鹽、油品調和及蠟脫油等工藝過程。

2.1 油品調和

2.1.1 燃料油調和

減壓渣油生產過程中，產品達不到裝卸、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和的方法對原油進行調和，實踐證明在重質黏油工藝中其調和質量不均勻，采用波紋板靜態混合器對燃料油進行調和，能很好地滿足多種燃料油和不同比例柴油調和的要求，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型靜態混合器對油品調和，同樣取得了良好的效果；日本采用東麗型靜態混合器將A、B重油調和成船用燃料油，做到了船舶燃料的經濟混合。

2.1.2 潤滑油的調和

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

2.1.3 瀝青的調和

以往的瀝青調和主要采用低溫風攪拌，但產品達不到高質量、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混合器對瀝青進行調和過程中，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，有利于后續澄清分離。烏魯木齊石化總廠在使用靜態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，結果表明，靜態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。裝置原先采用內驅動轉盤塔進行萃取，效率較低，為了降低溶劑比、節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，使用靜態混合器后，實現了良好的渣油稀釋，提高了油品的收率，降低了成本，節約了溶劑比［8］。靜態混合器在萃取C4烴的微量甲醇工藝中同樣得到了應用，在合成甲基叔丁基醇過程中，反應產物經蒸餾分離后，未反應的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。鎮海石化總廠使用SV型和SK型靜態混合器進行試驗獲得成功，考慮工業放大的實際可能，推薦使用SV型靜態混合器。

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量的重要工序。目前，我國已有多套脫硫醇裝置采用靜態混合器，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備，節省了投資和操作費用且效果顯著；美國兩家煉油廠用靜態混合器進行汽油堿洗脫甲醇和硫醇，產品不帶堿，壓力降大為降低；我國煉廠也已將SK型靜態混合器用于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混合器對汽油除臭獲得成功的經驗，該廠使用SK型靜態混合器對填料塔進行技術改造，改造后精制油的硫醇硫含量降至5.98mg/kg，滿足了生產要求［9］；塔河油田所產原油含富硫化氫，對設備、原油儲罐及管線等關鍵部位腐蝕較大，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［10］。但為了確保外輸油H2S含量控制在15mg/kg以內，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，當油品輸送到下游用戶時，可能導致管線含水率超標，對下游煉油企業生產設備造成較大的影響。基于此，制定了在外輸首站現有輸油流程上安裝靜態混合器，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，脫硫劑的配比度也由原來的1.5‰～2‰下降到1‰以內，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，對比了塔式設備和靜態混合器對脫硫效果的影響，結果表明，含H2S 1 500mg/kg的液化氣經過兩級靜態混合器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

原油脫蠟是根據油、蠟對溶劑的溶解能力不同，使蠟形成均勻的結晶，以便使用過濾的方法將油蠟分離。與攪拌器相比，靜態混合器不容易磨損，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靜態混合器，脫鹽效率得到了有效的提高［12］；中國石化總公司北京設計院設計的SK型靜態混合器，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。

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

3 結論

靜態混合器是國內外大力推廣應用的一種結構簡單而緊湊的節能設備，在國外已取得了廣泛的應用，國內從20世紀70年代后才得到實際開發。到目前為止已在石油化工單元操作中發揮作用，無論在油品調和、萃取還是脫硫及脫鹽脫蠟等工藝流程中，靜態混合器的使用增強了混合效果，節省了投資成本并實現連續化生產，取得了良好的工藝效果和顯著的經濟效益。靜態混合器在石油化工行業的應用具有廣闊的前景，值得進一步研究和實踐。

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