包文勃，張吉華

(1.蘭州寰球工程有限公司，甘肅 蘭州 730060；2.中國(guó)石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

非牛頓流體廣泛存在于石油、化工生產(chǎn)過程中，例如高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等一般為非牛頓流體，含固體物漿液、膠體溶液等也是非牛頓流體。與牛頓流體的黏度主要受溫度影響不同，非牛頓流體特點(diǎn)是黏度在不同剪切速率下是不同的，因此，黏度反映了非牛頓流體在工業(yè)生產(chǎn)中的基本特性，也是其與牛頓流體之間的主要差別參數(shù)。

在工業(yè)生產(chǎn)中，流體的輸送是最基本的操作過程，確定流體的輸送方案，從最初的管徑選擇，再到管道的水力學(xué)計(jì)算，確定泵的輸送能力和泵型的選擇，甚至是管道的布置方案和流體的操作參數(shù)都與黏度數(shù)據(jù)有著密不可分的關(guān)系。而流體的輸送方案不僅影響一次性投資，也關(guān)系到后續(xù)的運(yùn)行和維護(hù)成本[1-2]。

由此可見，能否準(zhǔn)確掌握非牛頓流體的黏度，對(duì)于工藝流程、設(shè)備選型，甚至生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量都有一定的影響。但是受測(cè)量手段和物料性質(zhì)波動(dòng)等因素的影響，非牛頓流體的黏度往往不容易測(cè)得或者測(cè)量得到的結(jié)果不具有代表性，并且在生產(chǎn)過程中往往不必要獲得十分準(zhǔn)確的黏度數(shù)值，只需要在可接受的范圍內(nèi)滿足生產(chǎn)要求即可，所以很多情況下黏度的影響并未引起足夠的重視[3]。

通過對(duì)某煉化企業(yè)兩個(gè)不同車間物料輸送情況的研究，分析黏度對(duì)物料輸送過程的各種影響因素，并對(duì)輸送過程的優(yōu)化提出合理的建議。

1 案例一

1.1 概況說明

一號(hào)車間在容器內(nèi)配制漿料，調(diào)配過程首先在容器中加入含細(xì)小固體物的稀溶液，然后將固體粉料從容器頂部的投料斗加入容器內(nèi)，經(jīng)過一定時(shí)間的攪拌，使容器內(nèi)形成均一分布的漿料(整個(gè)過程沒有化學(xué)反應(yīng))，再通過泵將調(diào)配好的漿料送至下游裝置。

調(diào)配好的漿料為均一的渾濁液，無明顯可見的顆粒物，密度約1 260 kg/m3，其中固體物含量約32%，其特點(diǎn)是易沉積。這種漿料是一種典型的非牛頓流體，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，其輸送的難易度主要受固體物濃度、攪拌效果、管道流速等因素的影響。在實(shí)驗(yàn)室中利用旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)測(cè)得漿料的黏度數(shù)量級(jí)為104mPa·s，這顯然不符合實(shí)際情況，因此，在綜合已掌握的物性數(shù)據(jù)后，決定初步按照200 mPa·s的參考值進(jìn)行泵的設(shè)計(jì)選型工作。

目前，該車間物料輸送絕大多數(shù)使用離心泵，但根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，個(gè)別高黏度膠狀漿料使用離心泵輸送的效果并不理想，出現(xiàn)過出口壓力不足、電機(jī)電流超標(biāo)、設(shè)備無法長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的情況，所以決定在新品種漿料的輸送上同時(shí)使用離心泵和螺桿泵對(duì)輸送效果進(jìn)行對(duì)比。

在35 m3/h的輸送量下，綜合考慮百米管道壓降和固體沉降的特點(diǎn)后，確定輸送管道的口徑為DN100，物料流速約1.2 m/s。據(jù)此，經(jīng)過管道水力學(xué)計(jì)算，泵的選型參數(shù)如表1所示。

表1 泵的選型參數(shù)

1.2 問題分析及處置措施

從實(shí)際運(yùn)行情況來看，起初離心泵的出口壓力在0.2～ 0.4 MPag，遠(yuǎn)低于泵的設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)流量也無法達(dá)到35 m3/h的正常值，并且在運(yùn)行一段時(shí)間之后出現(xiàn)無流量，而螺桿泵的運(yùn)行情況正常。

在離心泵的故障檢查過程中，電機(jī)電流異常、葉輪或電機(jī)反轉(zhuǎn)、漏液、排出管道堵塞、葉輪磨損過度等可能因素均被排除，經(jīng)過制造商對(duì)泵的檢查發(fā)現(xiàn)泵內(nèi)連接件存在破壞性斷裂，綜合上述情況后考慮是由于漿料的實(shí)際黏度高于估計(jì)值所致。

經(jīng)分析認(rèn)為可能是以下因素導(dǎo)致黏度數(shù)值的偏差：

(1)該漿料屬于固液混合狀態(tài)，其均一性即攪拌的效果并沒有有效地評(píng)價(jià)手段，并且固體顆粒較易沉積，可能導(dǎo)致容器下部漿料的固體物含量高于上部，對(duì)泵的運(yùn)行產(chǎn)生不利因素；

(2)攪拌器的轉(zhuǎn)速約每分鐘幾十轉(zhuǎn)，而漿料從容器出口經(jīng)管道進(jìn)入泵腔，葉輪的轉(zhuǎn)速為2 950 r/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于攪拌器的轉(zhuǎn)速，這種剪切力的變化也可能導(dǎo)致漿料的黏度瞬間升高；

(3)漿料黏度升高，無法被排出泵腔，葉輪做無用功，泵腔內(nèi)漿料溫度不斷升高，而該漿料的黏度也會(huì)隨溫度的升高而變大，形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致漿料無法正常排出；

(4)亦可能是漿料在正常狀態(tài)下的黏度便高于預(yù)估值。

基于上述分析，車間和泵制造商決定按照350 mPa·s的黏度值對(duì)泵進(jìn)行重新選型并進(jìn)行替換實(shí)驗(yàn)。新的離心泵葉輪經(jīng)過重新設(shè)計(jì)，采用了特殊的專利結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出口壓力為0.6 MPa，流量可調(diào)，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速也降低至1 450 r/min，該泵實(shí)際運(yùn)行正常，實(shí)際運(yùn)行參數(shù)符合泵的額定設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 案例二

2.1 概況說明

二號(hào)車間利用螺桿泵輸送乙烯裂解重油，密度約1 085 kg/m3，取樣測(cè)試運(yùn)動(dòng)黏度范圍在33.6～741 mm2/s，輸送距離約6～7 km。

在試運(yùn)行期間，出現(xiàn)了由于低溫狀態(tài)下油品黏度飛升導(dǎo)致管道堵塞和設(shè)備損壞的情況，為解決這一問題，經(jīng)過工藝研發(fā)，向裂解重油中加入穩(wěn)定劑和膠溶劑，可以有效抑制膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的生成，降低輸送難度。另外，還對(duì)設(shè)備及管道增加了蒸汽伴熱措施，也可以降低裂解重油的黏度。調(diào)整后按照150 mm2/s的黏度對(duì)螺桿泵進(jìn)行了重新選型，泵的額定出口壓力為3.0 MPag。

但再次運(yùn)行后仍然存在一些問題，首先，在輸送的全程均啟用蒸汽伴熱，則裂解重油在到達(dá)下游設(shè)備時(shí)由于夾帶的輕組分被加熱蒸發(fā)逸出會(huì)呈沸騰狀態(tài)，不僅不利于下游設(shè)備存儲(chǔ)，也造成能量浪費(fèi)。所以對(duì)蒸汽伴熱又進(jìn)行了調(diào)整，只開啟了輸送全程的三分之一，控制下游設(shè)備收料溫度在60 ℃。其次，在正常輸送狀態(tài)下，泵的出口壓力在0.5 MPag左右，遠(yuǎn)低于3.0 MPag的額定出口壓力。綜合上述情況，說明在加入添加劑并控制物料輸送溫度(即控制伴熱距離)后，裂解重油的黏度明顯低于泵的選型黏度。經(jīng)過一段時(shí)間的取樣測(cè)試，當(dāng)前管輸狀態(tài)下的裂解重油黏度范圍在15～50 mm2/s。也就是說，目前泵選型3.0 MPag的出口壓力過大，會(huì)浪費(fèi)能量且不利于泵的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 問題分析及處置措施

根據(jù)裝置運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，為保證裂解重油順利輸送，首要目的仍然是控制裂解重油的輸送黏度。首先應(yīng)該進(jìn)一步掌握不同裂解原料組分和操作溫度對(duì)裂解重油黏度的總體影響，以此為基準(zhǔn)控制添加劑的加入量和蒸汽伴熱的開啟范圍，這樣就能使裂解重油的黏度保持在有利于管輸?shù)姆秶鷥?nèi)。其次可調(diào)整泵的選型參數(shù)，降低泵的出口壓力，同時(shí)采用低轉(zhuǎn)速泵，能夠減少裂解重油的黏度波動(dòng)，提高泵的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中兩種非牛頓流體物料的輸送過程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)黏度是一個(gè)重要的影響因素，由此得出以下結(jié)論。

(1)影響非牛頓流體黏度的因素是多種多樣的，例如操作狀態(tài)下的溫度、固相在液相中的分布、流體的組分等，應(yīng)將理論分析和實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，綜合控制影響?zhàn)ざ鹊淖兞?，使流體的黏度在適宜的范圍內(nèi)。

(2)使用與流體相適應(yīng)的測(cè)量?jī)x器并采用合理的方法測(cè)量非牛頓流體的黏度，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。另外在必要時(shí)可利用新型的黏度在線測(cè)量?jī)x表實(shí)時(shí)檢測(cè)流體黏度。

(3)針對(duì)性地加入減阻劑可有效降低流體黏度，并且減阻劑的加注量往往很少就能起到很好的作用。尤其是當(dāng)流體黏度波動(dòng)較大的情況下，如果條件允許，加入減阻劑是實(shí)際應(yīng)用中較為簡(jiǎn)單的方法。

(4)對(duì)于機(jī)械設(shè)備，尤其是泵的選型，應(yīng)充分考慮非牛頓流體的特性，充分考慮在整個(gè)輸送過程中黏度的波動(dòng)。容積式泵對(duì)于非牛頓流體黏度波動(dòng)的適應(yīng)性要優(yōu)于離心泵，并且在相同條件下可以用更低功率和轉(zhuǎn)速的電機(jī)實(shí)現(xiàn)高黏度流體的輸送。而且，與離心泵高速旋轉(zhuǎn)的葉輪不同，容積式泵在工作時(shí)對(duì)流體的剪切作用更小，轉(zhuǎn)速也更低，有利于保持非牛頓流體黏度的穩(wěn)定。

綜上所述，非牛頓流體的黏度受各種因素影響存在波動(dòng)，尤其是在高黏度區(qū)間，會(huì)對(duì)整個(gè)輸送過程的各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生較大影響，應(yīng)該引起必要的關(guān)注。