非牛頓流體的黏度對輸送過程的影響

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)的運行和維護成本[1-2]。

由此可見，能否準(zhǔn)確掌握非牛頓流體的黏度，對于工藝流程、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。但是受測量手段和物料性質(zhì)波動等因素的影響，非牛頓流體的黏度往往不容易測得或者測量得到的結(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]。

通過對某煉化企業(yè)兩個不同車間物料輸送情況的研究，分析黏度對物料輸送過程的各種影響因素，并對輸送過程的優(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)過一定時間的攪拌，使容器內(nèi)形成均一分布的漿料(整個過程沒有化學(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，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。在實驗室中利用旋轉(zhuǎn)式黏度計測得漿料的黏度數(shù)量級為104mPa·s，這顯然不符合實際情況，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的參考值進行泵的設(shè)計選型工作。

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，個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、電機電流超標(biāo)、設(shè)備無法長期穩(wěn)定運行的情況，所以決定在新品種漿料的輸送上同時使用離心泵和螺桿泵對輸送效果進行對比。

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

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

在離心泵的故障檢查過程中，電機電流異常、葉輪或電機反轉(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際黏度高于估計值所致。

經(jīng)分析認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價手段，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，對泵的運行產(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)管道進入泵腔，葉輪的轉(zhuǎn)速為2 950 r/min，遠遠高于攪拌器的轉(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的黏度值對泵進行重新選型并進行替換實驗。新的離心泵葉輪經(jīng)過重新設(shè)計，采用了特殊的專利結(jié)構(gòu)，設(shè)計出口壓力為0.6 MPa，流量可調(diào)，同時電機轉(zhuǎn)速也降低至1 450 r/min，該泵實際運行正常，實際運行參數(shù)符合泵的額定設(shè)計參數(shù)。

2 案例二

2.1 概況說明

二號車間利用螺桿泵輸送乙烯裂解重油，密度約1 085 kg/m3，取樣測試運動黏度范圍在33.6～741 mm2/s，輸送距離約6～7 km。

在試運行期間，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的黏度對螺桿泵進行了重新選型，泵的額定出口壓力為3.0 MPag。

但再次運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，則裂解重油在到達下游設(shè)備時由于夾帶的輕組分被加熱蒸發(fā)逸出會呈沸騰狀態(tài)，不僅不利于下游設(shè)備存儲，也造成能量浪費。所以對蒸汽伴熱又進行了調(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)過一段時間的取樣測試，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，會浪費能量且不利于泵的長期穩(wěn)定運行。

2.2 問題分析及處置措施

根據(jù)裝置運行的經(jīng)驗，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)該進一步掌握不同裂解原料組分和操作溫度對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，同時采用低轉(zhuǎn)速泵，能夠減少裂解重油的黏度波動，提高泵的運行穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文對工業(yè)生產(chǎn)中兩種非牛頓流體物料的輸送過程進行了分析，發(fā)現(xiàn)黏度是一個重要的影響因素，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)將理論分析和實際運行的經(jīng)驗相結(jié)合，綜合控制影響?zhàn)ざ鹊淖兞浚沽黧w的黏度在適宜的范圍內(nèi)。

(2)使用與流體相適應(yīng)的測量儀器并采用合理的方法測量非牛頓流體的黏度，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。另外在必要時可利用新型的黏度在線測量儀表實時檢測流體黏度。

(3)針對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)流體黏度波動較大的情況下，如果條件允許，加入減阻劑是實際應(yīng)用中較為簡單的方法。

(4)對于機械設(shè)備，尤其是泵的選型，應(yīng)充分考慮非牛頓流體的特性，充分考慮在整個輸送過程中黏度的波動。容積式泵對于非牛頓流體黏度波動的適應(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)速的電機實現(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，容積式泵在工作時對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，尤其是在高黏度區(qū)間，會對整個輸送過程的各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生較大影響，應(yīng)該引起必要的關(guān)注。