射流攪拌在基礎油調合中的應用

王立裕，林國就，王俊

(中國石化潤滑油有限公司茂名分公司，廣東 茂名 525011)

0 引言

隨著潤滑油市場競爭的加劇，降本增效成為潤滑油企業(yè)提高競爭力的重要手段。攪拌器作為儲罐重要的組成部分，其攪拌效果和能耗直接關系到生產效率和成本，正在成為潤滑油生產企業(yè)新的關注點。在傳統(tǒng)的油品調合過程中，由于攪拌器選型造成儲罐在攪拌時存在死角，油品混合不夠均勻，甚至分層的現(xiàn)象也時有發(fā)生，而檢修困難、能耗高也是突出問題。

目前儲罐常用的攪拌方式主要有機械攪拌、脈沖攪拌和射流攪拌。其中，射流攪拌采用一種新型的內置、立體全方位攪拌器，利用循環(huán)泵輸送油品介質為動力，驅動噴嘴進行三維復合轉動，從而對儲罐內的油品進行全方位覆蓋性噴射混合，具有生產效率高、攪拌效果好、設備故障率低等優(yōu)點，已經成為油品調合的重要攪拌方式。針對基礎油混合后的質量要求，通過對油罐進行改造，即在罐內安裝射流式噴射攪拌器，可以改善儲罐接收完基礎油后由于攪拌不充分導致油品混合不均勻的現(xiàn)象，有效減少基礎油混合不均勻對潤滑油調合產生的影響。此外，通過探究射流式噴射攪拌器在基礎油罐的攪拌效果，有利于優(yōu)化攪拌工藝要求，提高潤滑油的一次調成率，并為基礎油罐攪拌器的選型提供參考。

1 攪拌工藝

1.1 攪拌方式的對比

攪拌器的選型與攪拌目的緊密相關，為了在達到攪拌效果的同時節(jié)約生產成本，必須按照攪拌目的和工藝要求選用合適的攪拌方式。如表1所示，通過對三種主要的攪拌方式進行對比，可以看出：在技術性能方面，機械攪拌屬于動設備，在設備運轉過程中安全性較差，需要多次巡檢，長時間運轉故障率高，且攪拌器在安裝時對儲罐外壁進行開口，不論是采用機械密封或是填料密封，在使用過程中滴漏現(xiàn)象時有發(fā)生，無法長周期正常運行；脈沖攪拌采用壓縮空氣作為攪拌動力，會增大儲罐內部氣相含量，從而產生較大靜電，同時使油品揮發(fā)損失加劇，但其操作由微機控制，具有簡單方便，且設備故障少，維護工作量小的優(yōu)點；射流攪拌采用內置的旋轉噴射攪拌器，直接與儲罐進口管線相連，安全可靠，只需開泵循環(huán)即可實現(xiàn)攪拌，具有攪拌效率高、設備故障少、維護工作量小等優(yōu)點。在經濟性方面，機械和射流攪拌器購置費用較低，但機械攪拌的能耗和維護費用較高。因此，射流攪拌方式兼具技術性能和經濟性的優(yōu)勢。

表1 攪拌方式的對比

1.2 射流攪拌機理

射流是指從噴射口快速進入周圍流體區(qū)域內的一股運動流體，它是實際工程中廣泛存在的一種流動現(xiàn)象，其主要特征是高速沖擊和卷吸作用[1]。流體自噴嘴射出后，在緊靠噴嘴的混合區(qū)內，高速射流造成剪切層，由于剪切層自然不穩(wěn)定性的迅速增長，形成渦漩，從而導致射流對周圍流體的卷吸。卷吸時的射流寬度沿射流方向不斷增加，促進不同組成的流體之間的混合[2]。正是由于射流主體對罐內油品的高速沖擊和卷吸作用，以及噴嘴不斷地旋轉改變射流主體方向，使得油品能夠得到全方位的攪動和混合，再加上循環(huán)泵不間斷地循環(huán)置換罐內油品，使其混合度更加均勻。

射流式攪拌器如圖1所示[3]，作為實現(xiàn)油品快速混合的關鍵設備，它由傳動座、偏角噴嘴、密封機構等部分組成。其工作原理是將快速運動的油品以較高的速度經過旋轉噴嘴噴射到緩慢流動或靜止的油品中，并通過循環(huán)泵不斷循環(huán)混返以達到混合均勻的目的。

圖1 射流式攪拌器

1.3 射流攪拌效果的計算

射流攪拌的整個過程和運動狀態(tài)比較復雜，為了實現(xiàn)較好的攪拌效果，應根據(jù)儲罐的大小規(guī)格(如直徑、高度等)，以及循環(huán)泵的壓力、流量來選定合適的射流式攪拌器型號及安裝數(shù)量。通常來說，選定的射流式攪拌器的有效攪拌范圍要完全覆蓋儲罐需要攪拌的范圍。以儲罐內安裝單個射流式攪拌器為例，通過估算射流的出口流速、末端流速、噴射距離和循環(huán)泵出口壓力等，驗證基礎油罐的工藝和設備條件是否滿足攪拌效果的要求。

1.3.1 噴嘴出口流速的推算

根據(jù)噴嘴的入口流量Q和截面積S，可以估算噴嘴的出口流速V0(式中噴嘴出口直徑取0.03 m)：

1.3.2 噴射距離的推算

由射流機理可知，當噴射距離的末端流速Vt≥0.5 m/s時，可以保證基礎油罐的攪拌效果達到混合均勻的要求。因此假定噴射距離的末端流速Vt=0.5 m/s，可由衰減公式得出(式中k取0.966，d為噴嘴出口直徑)：

求得噴嘴噴射的最遠距離L=8.33 m。

由于計算得到的噴射距離L遠大于1000 m3儲罐的半徑5.256 m，因此可以保證儲罐內的基礎油能夠得到充分的沖擊和攪動，最終達到混合均勻的要求。

1.3.3 泵出口壓力的推算

為滿足設定的噴嘴出口流速V0，則：

式中：d為噴嘴出口直徑，D為管道直徑。

當混合介質為減二線基礎油時，運動黏度μ近似取30 mm2/s，則：

雷諾數(shù)Re>2000，則按照湍流公式計算(k=0.046)：

式中：ρ為基礎油密度，取855 kg/m3；g為重力加速度；Hi為作用水頭，l為管線長度，取10 m；∑ξi為摩擦阻力系數(shù)之和，取9.5。

同理，當混合介質為高黏度基礎油時，按相同方法計算得到的泵出口壓力為Pi≈0.31 MPa。

因此，當循環(huán)泵出口壓力Pi大于0.31 MPa時，可以保證基礎油罐的攪拌效果能夠達到混合均勻的要求。

2 試驗部分

試驗采用射流攪拌方式對基礎油的混合效果進行考察，分別選取了減二線，輕脫等基礎油進行試驗。

2.1 試驗設備

試驗使用的裝置為射流攪拌裝置，主要配置如表2所示。

表2 射流攪拌裝置組成

表2(續(xù))

2.2 工藝流程

射流式攪拌工藝流程如圖2所示，當儲罐收完基礎油，關閉儲罐進口管線閥門，同時打開油罐出口管線閥門及循環(huán)攪拌副線閥門，使基礎油通過安裝于循環(huán)攪拌副線出口的射流式噴射攪拌器向儲罐內進行噴射。高速射流對罐內基礎油進行沖擊攪動，循環(huán)線不停地置換罐內基礎油，從而達到混合攪拌的目的。

圖2 射流式攪拌工藝流程

2.3 試驗參數(shù)

試驗過程的參數(shù)設置：攪拌壓力為0.35 MPa。

2.4 試驗過程的采樣要求

樣品采樣按照攪拌時間分段進行，分別采集基礎油罐內不同液位高度的樣品。

2.5 試驗油品的檢測項目

通過測定樣品的運動黏度、黏度指數(shù)等數(shù)據(jù)，判定樣品是否攪拌均勻及滿足指標要求。

3 試驗結果與討論

3.1 減二線基礎油的攪拌試驗(見表3～表5)

表3 減二線基礎油攪拌前數(shù)據(jù)

表4 減二線基礎油同一時間不同液位高度樣品黏度再現(xiàn)性分析

表4(續(xù))

注：*為同一時間內不同采樣位置的數(shù)值。

由表4可見，在射流攪拌前，減二線基礎油的40 ℃運動黏度數(shù)據(jù)偏差大于方法的再現(xiàn)性范圍；在射流攪拌20 min以后，減二線基礎油同一時間不同液位高度的樣品黏度偏差在方法的再現(xiàn)性范圍內。

表5 減二線基礎油不同時間樣品黏度再現(xiàn)性分析

注：*為同一時間內不同采樣位置的數(shù)值。

由表5可見，從射流攪拌20 min至60 min，減二線基礎油的100 ℃運動黏度和40 ℃運動黏度數(shù)據(jù)偏差均在方法的再現(xiàn)性范圍內，說明射流攪拌20 min減二線基礎油已經混合均勻。

3.2 極限混合情況的攪拌試驗

根據(jù)生產實際，基礎油的混合效果除了受到黏度差異的影響外，付油量和罐底存油量的比例大小也是另一重要影響因素。一般來說，收油罐的存油量與付油量的混合比例始終小于或等于1∶1。因此，針對較難混合的輕脫基礎油以近似1∶1(罐底存油量∶付油量)的混合比例作為一種極限情況進行試驗，見表6～表8。

表6 極限混合情況下射流攪拌前數(shù)據(jù)

表7 極限混合情況下同一時間不同液位高度樣品黏度再現(xiàn)性分析

注：*為同一時間內不同采樣位置的數(shù)值。

由表7可見，當罐底存油量增大，即罐底量與付油量的比例為1∶1時，在射流攪拌前，輕脫基礎油的100 ℃運動黏度和40 ℃運動黏度數(shù)據(jù)偏差大于方法的再現(xiàn)性范圍；在射流攪拌20 min以后，基礎油的100 ℃運動黏度和40 ℃運動黏度數(shù)據(jù)偏差均在方法的再現(xiàn)性范圍內，達到了混合均勻的要求。

表8 極限混合情況下不同時間樣品黏度再現(xiàn)性分析

表8(續(xù))

注：*為同一時間內不同采樣位置的數(shù)值。

由表8可見，從射流攪拌20 min至60 min，輕脫基礎油的100 ℃運動黏度和40 ℃運動黏度數(shù)據(jù)偏差均在方法的再現(xiàn)性范圍內，說明射流攪拌20 min輕脫基礎油已經混合均勻。

4 應用效果分析

傳統(tǒng)的基礎油罐如果沒有安裝任何攪拌設備，在每次接收完基礎油后只能利用壓縮風將管線存油吹掃到罐中，并持續(xù)送風，從而達到局部風拌的作用。這種依靠局部風拌和自然擴散來達到混合效果的方式，很容易存在攪拌死角，出現(xiàn)混合不夠均勻，甚至基礎油分層的現(xiàn)象，從而導致潤滑油調合不合格現(xiàn)象的發(fā)生，在一定程度上影響了生產進度，二次調合處理更是造成了生產成本的上升。部分基礎油罐雖然安裝了機械攪拌器或脈沖攪拌器，但是由于技術性、經濟性等原因，直接影響了生產安全和成本控制。

通過在基礎油儲罐內安裝新型射流式噴射攪拌器，并經過兩年多的應用跟蹤，由于基礎油混合不均勻導致的潤滑油中間調合不合格現(xiàn)象不再發(fā)生。因此，該射流攪拌器的投用有效地解決了基礎油混合不均勻的問題，避免了基礎油黏度差異過大或分層給調合過程帶來的影響，提高了潤滑油的一次調成率。

此外，在本次試驗開展之前，對于500 m3、1000 m3立式拱頂平底的油罐接收完基礎油后的混合過程，工藝要求射流攪拌時間至少為1 h。而試驗結果表明，循環(huán)攪拌20 min后基礎油基本混合均勻。經過調整射流攪拌時間，按泵功率45 kW，電價1元/千瓦時，每年約600罐次的調合量計算，可節(jié)省攪拌成本18000元左右，在保證攪拌效果的同時有效降低了生產成本。

5 結論

通過采用理論計算和試驗驗證相結合的方法，對射流攪拌在基礎油調合中的應用進行了考察，得出以下結論：

(1)射流機理可以解釋基礎油罐的射流攪拌過程，且理論計算結果和試驗的攪拌效果相一致。

(2)在現(xiàn)有的儲罐工藝和設備條件下，當循環(huán)泵出口壓力大于0.31 MPa時，可以滿足基礎油混合均勻的要求。

(3)隨著射流攪拌時間的延長，儲罐不同液位的基礎油黏度差異變小，且在攪拌時間為20 min時基本混合均勻。

(4)射流攪拌的應用可以避免基礎油的混合不均勻、黏度差異過大造成潤滑油調合不合格現(xiàn)象的發(fā)生，有效提高潤滑油的一次調成率。