劉江華，張 洪

（中國(guó)石油 克拉瑪依石化公司，新疆 克拉瑪依 834000）

金屬微填料旋流消泡器應(yīng)用于正丁烷-脫油瀝青泡沫的消泡試驗(yàn)

劉江華，張 洪

（中國(guó)石油 克拉瑪依石化公司，新疆 克拉瑪依 834000）

以正丁烷-脫油瀝青泡沫為原料，在試驗(yàn)裝置上對(duì)金屬微填料旋流消泡器的性能進(jìn)行研究。考察金屬微填料填充密度、金屬絲直徑、金屬絲截面形狀、泡沫流量對(duì)消泡率的影響。金屬微填料旋流消泡器的特點(diǎn)是將旋流離心氣液分離與填料機(jī)械破碎消泡相結(jié)合。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用金屬微填料旋流消泡器時(shí)，無需加入消泡劑，可達(dá)到消除正丁烷-脫油瀝青泡沫的目的；不規(guī)則橫截面金屬絲的消泡效果優(yōu)于圓截面。采用不規(guī)則橫截面金屬絲時(shí)，適宜的條件為：金屬微填料填充密度為210～230 g/L、泡沫流量為3.0～4.0 kg/h、金屬絲直徑小于20 μm，在此條件下消泡率可達(dá)到100%。

金屬微填料旋流消泡器；泡沫；正丁烷；脫油瀝青

在化工生產(chǎn)中有一些物系屬于易起泡物系，起泡的原因或是由于物系中存在有機(jī)物雜質(zhì)，或是由于互溶性變化引起液相分層，但更主要的原因還是物系自身的物性特點(diǎn)［1］。不論哪一種原因引起的起泡現(xiàn)象都會(huì)降低設(shè)備的處理能力，引起嚴(yán)重的霧沫夾帶，誘發(fā)提前攔液和液泛現(xiàn)象，破壞塔內(nèi)的正常操作。常見的消泡措施有添加消泡劑和機(jī)械消泡。

消泡劑泡沫屬化學(xué)消泡，選擇合適的消泡劑能達(dá)到較好的消泡效果。但由于需要消耗消泡劑，還要考慮消泡劑對(duì)物料的影響，使其使用受到一些限制。機(jī)械消泡屬物理消泡，消泡機(jī)械有攪拌器、填料層等［2-3］。現(xiàn)有的填料層消泡機(jī)械（如撲沫器），由于填料的幾何尺寸大，對(duì)于細(xì)小泡沫的消泡效果較差；另外，在消泡過程中易產(chǎn)生返混，不利于氣液分離。不銹鋼金屬絲是近二十年發(fā)展起來的新型工業(yè)材料，其當(dāng)量直徑一般在十幾至上百微米，最小的只有1～2 μm?？筛鶕?jù)需要，將絲截面加工成圓絲或扁絲，纏卷成團(tuán)狀?？衫媒饘俳z球作為消泡機(jī)械的微填料，用于消除細(xì)小泡沫。

在煉油廠的溶劑脫瀝青裝置中，脫油瀝青閃蒸過程會(huì)產(chǎn)生大量泡沫，給溶劑再生和裝置平穩(wěn)運(yùn)行帶來不良影響，有必要對(duì)此問題進(jìn)行針對(duì)性研究。

本工作采用自制的金屬微填料旋流消泡器消除正丁烷-脫油瀝青泡沫的試驗(yàn)，考察金屬微填料填充密度、金屬絲直徑、金屬絲截面形狀、泡沫流量對(duì)消泡率的影響。

1 金屬微填料旋流消泡器

金屬微填料旋流消泡器［4］的示意圖見圖1。主要由筒體、泡沫進(jìn)入管、氣體流出管、液體流出管和金屬微填料構(gòu)成，采用金屬材質(zhì)加工制作。筒體是主體設(shè)備，上部為圓筒形，下部為圓錐形，圓錐形筒體的圓錐角為30°～60°，筒體內(nèi)填滿作為金屬微填料的金屬絲球。消泡和氣液分離同時(shí)進(jìn)行。

圖1 金屬微填料旋流消泡器的示意圖Fig.1 Schematic diagram of metallic micro-packing swirling defoamer.

泡沫進(jìn)入管是泡沫的進(jìn)料通道，位于筒體圓筒形一側(cè)，切線進(jìn)入筒體。氣體流出管是消泡后氣體的出口通道，位于筒體頂部正中，該管插入筒體，插入深度低于泡沫進(jìn)入管的下沿，以免進(jìn)入的泡沫走短路從氣體流出管流出。氣體流出管管端設(shè)有攔網(wǎng)，防止金屬絲球沖出。金屬絲球外形與常見的家用清潔球團(tuán)狀物相同，每個(gè)金屬絲球的質(zhì)量為10～20 g。液體流出管是消泡后液體的出口通道，其位于筒體最低處，即圓錐形筒體正中央，其管端設(shè)有攔網(wǎng)，作用和配置方式與氣體流出管相同。

泡沫從泡沫進(jìn)入管切線快速流入筒體，獲得沿筒體內(nèi)壁螺旋向下的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中泡沫通過性地與金屬絲球接觸，金屬絲球的微小結(jié)構(gòu)對(duì)泡沫進(jìn)行摩擦碰撞及切割，對(duì)泡沫產(chǎn)生破壞性作用，即消泡。消泡產(chǎn)生的液體依靠離心力逐漸趨向器壁，沿器壁螺旋向下從筒體下部的圓錐形底部液體流出管排出；消泡產(chǎn)生的氣體處于筒體中央，螺旋向上從筒體上部氣體流出管排出。金屬絲微填料旋流消泡器利用金屬絲微填料的機(jī)械消泡作用，同時(shí)結(jié)合旋流氣液離心分離作用，實(shí)現(xiàn)從微米級(jí)細(xì)小泡沫到常規(guī)厘米級(jí)泡沫的消泡，并獲得分離后的氣體和液體。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及原料

中試用金屬微填料旋流消泡器基本尺寸為：上部圓筒形筒體高20 cm，直徑30 cm，下部圓錐形筒體的圓錐角45°，筒體內(nèi)填充滿金屬微填料（304不銹鋼金屬絲球）。泡沫進(jìn)入管、氣體流出管及液體流出管為DN15PN2.5規(guī)格金屬管，且金屬管均連接相同規(guī)格的金屬閥門，控制消泡器的物料進(jìn)出。試驗(yàn)用泡沫是克拉瑪依石化公司環(huán)烷基原油溶劑脫瀝青試驗(yàn)裝置引出的正丁烷-脫油瀝青泡沫，其溫度為270～280 ℃、壓力為1.7～1.8 MPa、流量為0.5～5.0 kg/h。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用泡沫由泡沫進(jìn)入管進(jìn)入筒體，分別調(diào)節(jié)氣體流出管及液體流出管出口閥開度，使液體在錐形筒體內(nèi)積存一定的液位，保持系統(tǒng)進(jìn)出液量平衡，筒體內(nèi)壓力與進(jìn)料相一致，消泡器底部和頂部分別有液體和氣體穩(wěn)定排出。氣體流出管的控制閥后連接一取樣細(xì)管及閥門，采樣袋為5 L特氟龍氣體采樣袋。取樣時(shí)，將已稱重的空采樣袋（m1）與取樣細(xì)管連接，微開取樣閥至采樣袋剛好充滿即關(guān)畢閥門完成取樣。對(duì)取完樣的采樣袋稱重（m2），將采樣袋中的氣體施放后再次稱重（m3）。

隨氣體夾帶進(jìn)入采樣袋內(nèi)的高溫高壓泡沫在常溫常壓下將迅速消泡，消泡的液體凝固黏附于采樣袋內(nèi)壁。因此，m2-m1為試樣的總質(zhì)量，而m3-m1為氣體夾帶泡沫消泡后的液體質(zhì)量，（m3-m1）/（m2-m1）是單位質(zhì)量試樣中的液體質(zhì)量，為試樣的含液比率（η1）。接取泡沫進(jìn)入管的進(jìn)料泡沫，用以上相同的方法可測(cè)得進(jìn)料泡沫的含液比率（η2）。

（η2-η1）/η2為消泡的液體的含液比率與進(jìn)料泡沫的含液比率之比（η）。用η來表征金屬微填料旋流消泡器的工作效率，即消泡率。顯然，無消泡作用時(shí)η=0，消泡作用最理想時(shí)η=100%。

3 結(jié)果與討論

3.1 填充密度對(duì)消泡率的影響

在自然狀態(tài)下金屬絲球的堆密度為90～130 g/ L。當(dāng)作為金屬微填料時(shí)，可通過調(diào)節(jié)壓緊程度調(diào)整其填充密度。

金屬微填料填充密度對(duì)消泡率和泡沫通過消泡器阻力降的影響見圖2。

圖2 金屬微填料填充密度對(duì)消泡率和泡沫通過消泡器阻力降的影響Fig.2 Effects of the packing density of metallic micro-packing on the defoaming rate and resistance drop of the defoamer.

由圖2可看出，隨填充密度的增大，消泡率呈先陡后緩的增加趨勢(shì)；當(dāng)填充密度增大至210 g/ L時(shí)消泡率達(dá)100%，以后填充密度再增大消泡率無變化；泡沫通過消泡器阻力降呈先緩后陡的增加趨勢(shì)；當(dāng)填充密度從210增大至230 g/L，阻力降從77.5增至138.8 kPa，阻力降增加了79.1%。這是因?yàn)?，隨金屬微填料填充密度的增大，金屬微填料之間的縫隙變小，至使微小泡沫通過微填料時(shí)也被機(jī)械破碎，但阻力降增大。隨金屬微填料填充密度的變化，消泡率和阻力降均存在一個(gè)陡增段，因此在工程上需要優(yōu)化選擇合適的金屬微填料填充密度。

3.2 金屬絲直徑對(duì)消泡率的影響

金屬絲直徑對(duì)消泡率的影響見圖3。由圖3可看出，金屬絲直徑為10～20 μm時(shí)，消泡率高達(dá)100%；后隨金屬絲直徑的增大，消泡率呈明顯下降趨勢(shì)；金屬絲直徑為60 μm時(shí)，消泡率降至83.3%。分析認(rèn)為，金屬絲對(duì)泡沫的消泡主要依靠金屬絲對(duì)泡沫的切割及撕破作用，金屬絲直徑越小這種作用越強(qiáng)，反之則作用越弱。另外，金屬絲的消泡作用還與泡沫本身的大小及分布相關(guān)，金屬絲直徑與泡沫大小有一個(gè)合適的匹配關(guān)系。

圖3 金屬絲直徑對(duì)消泡率的影響Fig.3 Effect of the circular wire diameter on the defoaming rate.

3.3 金屬絲形狀對(duì)消泡率的影響

金屬絲截面形狀對(duì)消泡率的影響見圖4。由圖4可看出，有棱角的扁絲其消泡率均高于無棱角的圓絲；在扁絲中，S4金屬扁絲消泡率最高。分析認(rèn)為，金屬絲的橫截面越不規(guī)則，越有利于對(duì)泡沫的切割破壞，而當(dāng)其長(zhǎng)寬尺寸過于懸殊時(shí)，又影響填料的整體分布和勻均，對(duì)消泡又產(chǎn)生不利影響。因此，具有適中長(zhǎng)寬比的S4金屬扁絲具有最好的消泡效果。

圖4 金屬絲截面形狀對(duì)消泡率的影響Fig.4 Effect of the circular wire cross section shape on the defoaming rate.

3.4 泡沫流量對(duì)消泡率的影響

泡沫流量對(duì)消泡率的影響見圖5。由圖5可看出，隨泡沫流量增大，消泡率先增大后略有降低，流量至3.0～4.0 kg/h時(shí)消泡率可達(dá)100%。分析認(rèn)為，泡沫流量增大時(shí)，有利于加強(qiáng)微填料對(duì)泡沫的機(jī)械消泡作用，即強(qiáng)化對(duì)泡沫的切割破壞；但泡沫流量過大，使泡沫在消泡器內(nèi)的停留時(shí)間縮短，泡沫與微填料接觸的幾率降低。對(duì)一個(gè)特定的金屬微填料旋流消泡器，一定范圍內(nèi)存在最佳操作負(fù)荷。

圖5 泡沫流量對(duì)消泡率的影響Fig.5 Effect of foam f owrate on the defoaming rate.

4 結(jié)論

1）采用金屬微填料旋流消泡器，不添加消泡劑可有效消除正丁烷-脫油瀝青泡沫。

2）金屬微填料填充密度在110～230 g/L之間，隨填充密度的增大，消泡率和泡沫通過阻力均呈增加趨勢(shì)，工程上應(yīng)優(yōu)選合適的填充密度。

3）隨金屬絲直徑減小，消泡率增加， 當(dāng)金屬絲直徑小于20 μm時(shí)消泡率可達(dá)100%。金屬絲直徑與泡沫大小有合適的匹配關(guān)系。

4）金屬絲橫截面形狀對(duì)消泡率有影響，不規(guī)則橫截面有利于對(duì)泡沫的切割破壞。

5）泡沫流量增大，可加強(qiáng)微填料對(duì)泡沫的機(jī)械消泡作用，但同時(shí)縮短了泡沫在消泡器內(nèi)的停留時(shí)間，對(duì)一定規(guī)模的金屬微填料旋流消泡器存在一最佳的操作負(fù)荷。

［1］ Fan Maoming，Tao Daniel， Honaker R， et al. Nanobubble Generation and Its Applications in Froth Flotation：Ⅱ. Fundamental Study and Theoretical Analysis［J］.Mining Sci Technol， 2010，20（2）：159 - 177.

［2］ 李育敏，俞曉梅，姚克儉．一種具有機(jī)械消泡功能的新型塔板［J］. 現(xiàn)代化工，2005，25（10）：57 - 59．

［3］ 李育敏，劉炳炎，俞曉梅．板式塔降液管的機(jī)械消泡研究［J］. 化學(xué)工程，2008，36（8）：5 - 8．

［4］ 中國(guó)石油天然氣股份有限公司. 金屬絲微填料旋流消泡器：中國(guó)，02335526 A［P］. 2012-02-01.

（編輯 李治泉）

Application of Metallic Micro-Packing Swirling Defoamer to n-Butane-Deoiled Asphalt Foam System

Liu Jianghua, Zhang Hong
（PetroChina Karamay Petrochemical Co.，Karmay Xinjiang 834000, China）

The application of metallic micro-packing swirling de-foamer inn-butane-deoiled asphalt foam system was studied. The effects of packing density, diameter of metal wire, cross section shape of metal wire and foam flowrate on the defoaming rate were investigated. The feature of the metal micro-packing swirling defoamer is the combination of swirl centrifugal gas-liquid separation with mechanical crushing to break foams. The test results showed that, under the appropriate conditions of packing density of 210-230 g/L, foam f owrate of 3.0-4.0 kg/h, metal wire with irregular crosssection as packing and diameter of the metal wire of less than 20 μm, the de-faoming rate of the defoamer for then-butane-deoiled asphalt foam system would reach almost 100% without any defoaming agent.

metallic micro-packing swirling defoamer；foam；n-butane；deoiled asphalt

1000 - 8144（2014）09 - 1044 - 04

TE 624.52

A

2014 - 03 - 27；［修改稿日期］ 2014 - 05 - 22。

劉江華（1969—），陜西省平利縣人，研究生，高級(jí)工程師，電話 0990 - 6885320，電郵 6283801@126.com。