宮曉峰，于仁萍，李斌

(1.煙臺職業(yè)學(xué)院 機械工程系，山東 煙臺 264670；2.中國北車集團，山東 濟南 250000)

0 引言

中哈原油管道阿拉山口站是中哈管道上唯一一個計量交接站點，阿拉山口計量站取樣的代表性關(guān)系到原油品質(zhì)檢測、密度測定及水分質(zhì)量等項目的代表性.自動取樣裝置24小時的原油樣品量大約15L，混合后，取其中3L送實驗室檢測，1L仲裁留樣.該樣代表著近3萬噸原油的理化特性，因此所取樣品混合的均勻性就顯得至關(guān)重要.現(xiàn)有的混合裝置主要有攪拌機攪拌混合和靜態(tài)混樣器混合.本文結(jié)合上述兩種混合設(shè)備的優(yōu)點及其作用特點，針對原油樣品的混合均勻性要求研制出一種靜動聯(lián)合混樣器[1-5].

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

靜動聯(lián)合混樣機主要由動力裝置，混合裝置，附屬部件三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中動力裝置由三相異步電動機，聯(lián)軸器，齒輪泵組成；混合裝置由一次混合裝置SK型靜態(tài)混合器、二次混合裝置射流式攪拌葉輪兩部分組成；附屬部件包括溢流閥、冷卻罩體，取樣閥，樣品容器、連接管路等部分.

1.三項異步電動機2.聯(lián)軸器3.齒輪泵4.溢流閥5.連接管路6.樣品容器7.攪拌葉片8.攪拌葉輪回油管路9.溢流閥回油口10.吸油口11.SK型靜態(tài)混樣器12.冷卻罩13.取樣閥

1.2 工作原理

靜動聯(lián)合混樣器是將靜態(tài)混樣器的混合作用與葉輪式攪拌器的混合作用相結(jié)合從而實現(xiàn)液體的充分分割與匯聚.作業(yè)時，電動機帶動齒輪泵從原油混合容器中吸油，在齒輪泵出油口處，通過三通管接頭原油分別流向溢流閥和SK型靜態(tài)混樣器，當系統(tǒng)壓力超過額定值時，溢流閥開啟，使原油直接流回容器，從而保證整個系統(tǒng)的安全性，同時，另一路油流經(jīng)SK型靜態(tài)混合器，經(jīng)一次混合后進入噴油旋轉(zhuǎn)攪拌器主腔體內(nèi)，油液從葉片末端噴口不斷噴出，其方向與旋轉(zhuǎn)圓周相切，攪拌葉片在射流作用下轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)油液的二次混合.混合后的原油，通過接在管路中的取樣閥，可隨時方便的對混合液體進行取樣，為解決管路中溫度過高問題，在多螺旋葉片混合器外側(cè)增設(shè)一冷卻罩體，冷卻液可以通過注水口不斷流進，通過出水口流出，以此消除混合升溫對原油混合液的影響[6].

2 樣液特性與基本作業(yè)參數(shù)確定

2.1 樣液特性

需混合樣液的基本特性：樣品量15L，密度820-860kg/m3，水分0.025%-0.15%，20攝氏度時運動粘度為5-10mm2/s，常壓蒸餾初餾點：40-48攝氏度.混合后的樣品應(yīng)當滿足GB/T 4756-1998對于樣品品質(zhì)進行檢測，均化后水滴在1～50μm，要求所測定的密度水分與其平均值的差值在表1所給的范圍之內(nèi).

表1 樣液特性

2.2 基本作業(yè)參數(shù)

混合時間直接影響樣品的混合效果，根據(jù)GB/T 4756-1998要求循環(huán)流速至少應(yīng)足以使內(nèi)含物每分鐘循環(huán)一次，典型的循環(huán)時間為15min，樣品量15L，因此該混合裝置的平均流量Q=0.25L/s.可以確定混合動力源為Y801-4-B3的三項異步電動機，額定功率0.55KW，額定轉(zhuǎn)速1600r/min，CB-B10型齒輪泵額定流量10ml/r，額定壓力2.5MPa.

3 一次混合裝置參數(shù)的確定

3.1 元件扭轉(zhuǎn)角度與相鄰元件螺旋方向的確定

SK型靜態(tài)混樣器相鄰元件的螺旋方向?qū)旌掀鹬匾饔?相鄰元件采用相反螺旋方向的結(jié)構(gòu)時, 不僅可以分割流體、增加流體界面面積，而且能夠使流體在流動中產(chǎn)生周期性的流向變化,即實現(xiàn)無序混合，從而避免無混死區(qū)的存在.該SK型一次混合裝置混合元件扭轉(zhuǎn)角定為120°，相鄰元件采用反向螺旋.

3.2 混合元件個數(shù)的確定

物料每經(jīng)過一個混合元件就被分割成兩層，當經(jīng)過n個元件時其分割層數(shù)如式1所示：

S=2n

(1)

式中：S—總層數(shù)；

n—物料通過的元件個數(shù)

應(yīng)用Flow simulation分析元件個數(shù)增加對混合器中流場軸向速度脈動的影響，其中軸向速度脈動如2、3式所定義：

(2)

(3)

分析結(jié)果如圖2所示：

從圖中結(jié)果可以看出，隨混合元件個數(shù)的增加流場速度脈動明顯增加，當個數(shù)增至8個時基本保持穩(wěn)定.考慮到一次混合后的流場速度脈動與殘余壓力對該靜動聯(lián)合混樣器的二次混合有較大影響，確定SK型一次靜態(tài)混合裝置的元件數(shù)為10個.

3.3 長徑比的確定

應(yīng)用Flow simulation得出不同長徑比條件下對應(yīng)的壓降情況如表2所示：

表2 長徑比與總壓降間的關(guān)系

應(yīng)用Minitable對模擬數(shù)據(jù)擬合，隨長徑比λ值的增加，總壓降走勢如圖3所示，從而建立長徑比與壓降值的回歸方程為：

P=9312-7629λ+2300λ2-234.1λ3

(4)

圖2元件個數(shù)對流場速度脈動的影響圖3長徑比與總壓降的變化關(guān)系

從圖表數(shù)據(jù)中可以看出隨長徑比λ值的增大，SK型靜態(tài)混樣器壓力降顯著減少.混合元件的長徑比λ對總壓降值影響顯著，由于該混合器二次混合裝置的存在，應(yīng)盡量減少一次混樣后的壓力損失，而長徑比過大將使元件軸向體積過大，綜合考慮混樣器的空間布置，此處定λ=2.5，根據(jù)壓降模型可得其總壓降值P為957Pa[5].

4 二次混合裝置參數(shù)的確定

4.1 容器結(jié)構(gòu)形式的確定

二次混合裝置葉片的驅(qū)動力來自末端液體的噴射作用，當產(chǎn)生同樣的推動力時，增加葉片長度可以有效提高驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，設(shè)長徑比L/D=0.8.樣品體積Vg=15L，裝料系數(shù)η=0.8，從而確定容器直徑D=0.03m，L=0.024m.

在容器內(nèi)壁圓周方向均布四處30mm寬的擋板，應(yīng)用Flow Simulation對容器內(nèi)壁有擋板和無擋板兩種情況進行模擬(圖4)，從速度矢量a圖可以看出其擾動明顯高于b圖，在擋板處形成局部的渦旋，有研究表明促使樣液混合的主要原因在于流場內(nèi)部渦旋的存在.因此增設(shè)擋板可有效改善混合效果.

圖4 擋板對容器內(nèi)部流場的影響

4.2 葉片的驅(qū)動力與阻力分析

根據(jù)靜動聯(lián)合混樣器的結(jié)構(gòu)特點，應(yīng)用Flow Simulation分別建立一次混合和二次混合裝置的流場模型，結(jié)合傳統(tǒng)計算方法求解出該流動過程中壓力、速度等相關(guān)特性對混樣的影響.

4.2.1 葉片驅(qū)動力分析

模型流場采用k-ε模型，入口流量Q=0.25L/s，由于從流場出口到液面的高度很小，忽略其壓力作用，設(shè)定流場出口壓力為標準大氣壓力，出口為兩個直徑2mm的圓孔，流場網(wǎng)格數(shù)30725個，分析結(jié)果如圖5所示.

從流場壓力值方面看，入口壓力為1.1MPa，經(jīng)過二次混合裝置，出口前管道壓力為0.93MPa，壓力損失0.17MPa.從速度方面看，樣液的流入速度為3.67m/s，經(jīng)過二次混合裝置流出前的平均速度為7.34m/s，樣液流出管道時的平均速度為26m/s.根據(jù)圖5中數(shù)據(jù)可以求得流出前管道內(nèi)的雷諾數(shù)為：

(5)

其中Re為雷諾數(shù)，va為管道流速，dh為管道濕周長度，ν為運動粘度.金屬圓管臨界雷諾數(shù)Rec=2300，可以判斷二次混合裝置內(nèi)的樣液流動為紊流.

設(shè)液體噴出瞬間速度保持不變?yōu)?6m/s，根據(jù)動量方程得葉輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力為：

∑F=ρqβ1v2-ρqβ2v1

(6)

M0=2FR

(7)

其中ρ為樣液密度，取850kg/m3；q=0.00025m3/s，β1、β2為動量修正系數(shù)，紊流時取1；v1=7.36m/s，v2=26.4m/s分別為流體流出前后的速度；M0為葉輪驅(qū)動力矩；R為葉片長度.

4.2.2 葉片運動阻力分析

葉片長度、葉輪轉(zhuǎn)速與阻力矩的關(guān)系如式8所示.

(8)

式中Md為葉片阻力矩，ρ為流體密度，C0為阻力系數(shù)，R為葉片長度，其取值范圍為20～110mm，ω為葉輪角速度，d0為葉片迎風(fēng)面寬度.

如圖6所示，從曲線走勢可以看出，隨葉片的增長，旋轉(zhuǎn)角速度急劇下降，這是由于葉片增長雖然使驅(qū)動矩變大，同時阻力矩增長更快，綜合考慮此處取R=50mm作為設(shè)計參數(shù).

(9)

5 水套及溢流壓力的確定

根據(jù)靜動聯(lián)合混樣器的工作原理，其主要熱量來源于SK型靜態(tài)混合器的剪切與摩擦作用，因此在其外側(cè)增加水套，作業(yè)時，進水口與水管相連，水套充滿水后從出水口流出，從而保證熱量及時被帶走.根據(jù)圖5所示二次混合器的入口壓力為1.1MPa，λ=2.5時總壓降為957Pa，因此可確定最大壓力值為1.100957MPa，可設(shè)定最高壓力的1.2倍1.32MPa做為溢流閥溢流壓力.

6 混合結(jié)果的試驗

以水的質(zhì)量分數(shù)作為對象，分別對靜動聯(lián)合混樣器及SK型靜態(tài)混樣器進行對比試驗，其中A表示聯(lián)合混樣器，B表示SK型靜態(tài)混樣器，其試驗結(jié)果如表3所示：

圖5二次混合裝置的壓力速度分析圖6葉片長度與旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系

表3 試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看出，經(jīng)過15分鐘兩種混樣器均可達到預(yù)期混合目的，從混合度M的變化趨勢上看，聯(lián)合混樣器混合度增長速度明顯高于SK型靜態(tài)混樣器，并且在第13分鐘混合度M值開始保持穩(wěn)定.試驗結(jié)果表明二次混合裝置能夠有效提高樣液混合效率.

7 結(jié)論

基于阿拉山口石油質(zhì)檢局石油混樣的要求，結(jié)合SK型靜態(tài)混樣器與葉輪式攪拌機的特點，充分利用流體運動過程中的動能，提出了一種靜動聯(lián)合混樣器.將傳統(tǒng)計算與Flow Simulation 流體仿真軟件相結(jié)合，分別對混樣器的一次混合裝置、二次混合裝置以及附屬部件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)進行了確定；建立混合度M為混合效果的評價指標，通過靜動聯(lián)合混樣器與SK型靜態(tài)混樣器混合效果的對比試驗，證明二次混合裝置能夠有效提高樣液的混合效率.

[1]王修綱,郭瓦力,吳劍華.靜態(tài)混合器中液液分散的實驗及CFD模擬[J].化工學(xué)報,2012, 63(3):767-774.

[2]禹言芳,王豐,孟輝波,等.旋流靜態(tài)混合器內(nèi)瞬態(tài)流動特性研究進展[J].化工進展,2013, 32 (2):255-262.

[3]凌繼紅,田秀芳,張浩,等.翼片間距和尾距對HEV型靜態(tài)混合器混合特性的影響[J].化工學(xué)報,2012, 63(10):3052-3056.

[4]張宏斌.高粘度聚合物母液靜態(tài)混合特性研究[D].東北石油大學(xué),2013.

[5]孫丹,金丹,吳劍華,等.長徑比對SK靜態(tài)混合器RTD影響的實驗研究[J].機械設(shè)計與制造,2012, (9):153-155.

[6]李鳳剛,李肖,楊杰,等.煤氣化技術(shù)應(yīng)用分析[J].棗莊學(xué)院學(xué)報,2012,29(5): 105-109.