蔣維宏 詹仲福 趙 旭 劉世平 秦云龍

（1.中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司；2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

高密度聚乙烯（HDPE）是一種由乙烯共聚工藝生成的熱塑性聚烯烴，是石油化工行業(yè)中一種重要的通用材料，目前還在不斷開發(fā)其新的用途和市場(chǎng)［1，2］。另外，HDPE 是一種環(huán)保材料，加熱達(dá)到熔點(diǎn)（130 ℃）即可回收。

中石化某公司于20 世紀(jì)80 年代引進(jìn)日本三井油化公司HDPE 技術(shù)，生產(chǎn)裝置排出的HDPE 母液中含有己烷，并攜帶活性催化劑、烷基鋁等物質(zhì)。正常生產(chǎn)時(shí)己烷通過精餾塔回收，循環(huán)使用，低聚物通過冷卻結(jié)晶的方式制成片狀產(chǎn)品，因低聚物中的烷基鋁易燃易爆，故在結(jié)晶等后續(xù)加工過程中也易自燃爆炸。為確保低聚物在二次加工中的安全性，該公司決定開發(fā)一套相關(guān)的母液失活系統(tǒng)，系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)高效混合輸送的關(guān)鍵設(shè)備為失活器。HDPE 母液失活器可實(shí)現(xiàn)外排母液與堿液和工藝水的快速高效混合反應(yīng)及混合反應(yīng)液的泵送。

1 失活器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

失活器由攪拌腔體、傳動(dòng)軸、軸流葉輪、離心葉輪、滾珠軸承軸套等零部件組成（圖1），采用電機(jī)和V 型帶驅(qū)動(dòng)的水平攪拌形式。攪拌腔設(shè)有混合循環(huán)腔與離心泵送腔兩個(gè)內(nèi)腔，混合循環(huán)腔由兩個(gè)同心圓柱筒體組成；傳動(dòng)軸設(shè)有軸流葉輪與離心葉輪，分別起到混合作用和離心作用，傳動(dòng)軸在攪拌腔外側(cè)通過滾珠軸承支撐，并且與帶輪連接，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)在傳動(dòng)軸與液體接觸的地方設(shè)置軸套保護(hù)傳動(dòng)軸。

圖1 失活器結(jié)構(gòu)示意圖

工作時(shí)，NaOH 溶液和HDPE 母液從物料入口進(jìn)入設(shè)備，軸流葉輪高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生快速、強(qiáng)力的剪切作用，攪動(dòng)液體介質(zhì)，使其混合均勻，并推動(dòng)流體介質(zhì)向離心葉輪處運(yùn)動(dòng)。部分流體介質(zhì)進(jìn)入離心葉輪，在離心葉輪的作用下，經(jīng)泵送從物料出口流出。未進(jìn)入離心葉輪的流體在導(dǎo)液板的作用下從外流道流回封頭處，再次進(jìn)入內(nèi)腔體參與混合和泵送。混合循環(huán)腔工作原理如圖2 所示。

圖2 混合循環(huán)腔工作原理圖

2 數(shù)值模擬

應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行混合循環(huán)腔與離心泵送腔模擬［3～8］。單相流流動(dòng)軌跡線如圖3 所示，流體從入口進(jìn)入，與回流旋轉(zhuǎn)流體相遇，一起向左旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在封頭處旋轉(zhuǎn)進(jìn)入內(nèi)腔體向軸流葉輪方向流動(dòng)。在軸流葉輪工作區(qū)域，由于軸流葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，流體受到了強(qiáng)烈的剪切作用，隨葉片高速旋轉(zhuǎn)并受到擠壓向前的力，因此呈旋轉(zhuǎn)向前和旋轉(zhuǎn)向外運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。另外由于軸流葉輪設(shè)計(jì)了3 片葉片，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中，對(duì)流體的作用呈現(xiàn)不均勻性，因此外流道中流體運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)螺旋狀不均勻運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)介質(zhì)的混合是有利的。

圖3 混合循環(huán)腔軌跡線

對(duì)失活器內(nèi)部流體速度進(jìn)行研究，可以較好地考察流道內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)情況。由于葉輪端支撐處截面外部有4 塊支撐板，內(nèi)部有十字支撐板，該截面距軸流葉輪較近，受軸流葉輪攪拌的影響較大，因此取失活器葉輪端支撐處截面為研究對(duì)象。葉輪端支撐處截面速度云圖、速度矢量圖如圖4、5 所示。從圖中可以看出：在總體速度分布上還是外流道流體垂直截面向里運(yùn)動(dòng)，內(nèi)流道流體垂直截面向外運(yùn)動(dòng)。由于軸流葉輪的攪拌作用，外流道處明顯存在軸流葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)引起的微量流體小速度垂直截面向外運(yùn)動(dòng)，呈旋轉(zhuǎn)掃掠的樣式。在內(nèi)流道中也存在由于軸流葉輪作用引起的部分內(nèi)流道流體有垂直截面向里運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，因此在軸流葉輪工作區(qū)域會(huì)產(chǎn)生漩渦運(yùn)動(dòng)，對(duì)流體運(yùn)動(dòng)起到擾動(dòng)作用；同時(shí)由于支撐板的作用，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)有加強(qiáng)作用。

圖4 葉輪端撐處截面速度云圖

圖5 葉輪端撐處截面速度矢量圖

在混合循環(huán)腔內(nèi)腔體取4 條軸向等距離（150 mm）分布的線；同時(shí)，在混合循環(huán)腔外腔體取4 條軸向等距離（250 mm）分布的線，通過研究8 條線上的流體速度，分析混合循環(huán)腔體中流體的運(yùn)動(dòng)情況。

內(nèi)腔體流道線速度變化圖（圖6）反映了內(nèi)流道4 條線上的速度變化趨勢(shì)，橫坐標(biāo)代表從軸流葉輪右側(cè)出發(fā)向封頭部位延伸的距離，縱坐標(biāo)代表速度大小。經(jīng)分析可知4 條線在葉輪工作區(qū)域速度達(dá)到最大值，在內(nèi)腔體輸運(yùn)階段速度變化緩慢，處于基本平穩(wěn)的狀態(tài)，在封頭空間流體的速度變大，主要是由流體運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化等原因引起的。

圖6 內(nèi)流道線速度變化圖

外腔體流道線速度變化圖（圖7）反映了外流道4 條線上的速度變化趨勢(shì)，橫坐標(biāo)代表從軸流葉輪右側(cè)出發(fā)向封頭部位延伸的距離，縱坐標(biāo)代表速度大小。經(jīng)分析可知4 條線在葉輪工作區(qū)域速度達(dá)到最大值，在外腔體輸運(yùn)階段速度變化劇烈，主要是由進(jìn)口流體運(yùn)動(dòng)撞擊內(nèi)筒體壁面并與回流流體發(fā)生沖撞等原因引起的，在封頭空間流體的速度基本沒有變化。

圖7 外流道線速度變化圖

應(yīng)用PDM 模型進(jìn)行停留時(shí)間計(jì)算，統(tǒng)計(jì)25顆小粒子的停留時(shí)間。圖8 所示顆粒停留時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖中，粒子停留時(shí)間呈正態(tài)分布，平均停留時(shí)間為12.52 s，超過反應(yīng)要求的時(shí)間8 s。

圖8 顆粒停留時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖

設(shè)計(jì)失活器時(shí)在外流道設(shè)置了導(dǎo)流板，起到對(duì)流體在出口處的導(dǎo)向作用。從圖9 可以看出，導(dǎo)液板對(duì)流體運(yùn)動(dòng)情況有明顯的影響。在壓力場(chǎng)中，從導(dǎo)液板背面開始沿流道方向，流體壓力逐漸增大，分析其中原因是流體經(jīng)過離心葉輪狹小的流道后進(jìn)入外流道較為開闊的空間，流體流動(dòng)速度降低，將液體動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，所以在外流道的環(huán)向方向上流體的靜壓能逐漸增大。

圖9 離心葉輪外流道壓力變化云圖

圖10 中，導(dǎo)流板背面的流體運(yùn)行出現(xiàn)低速區(qū)，這是因?yàn)閷?dǎo)流板正面將流體導(dǎo)流，所以背面沒有環(huán)向流動(dòng)的流體，流體從離心葉輪出來后直接打向外腔體外壁面，造成較大的速度損失，所以該部位出現(xiàn)低速區(qū)，在外流道內(nèi)環(huán)色環(huán)帶顯示與中間有色差，可以看出離開離心葉輪的流體速度較大。

圖10 離心葉輪外流道速度變化云圖

對(duì)離心葉輪流道分析得到離心葉輪流道壓力和速度變化規(guī)律（圖11、12）。由圖11 可以看出，沿著徑向方向壓力逐漸變大，整體壓力變化情況穩(wěn)定。由圖12 可以看出，流體介質(zhì)在高速旋轉(zhuǎn)葉輪作用下速度沿螺旋向外方向逐漸增加，沿旋轉(zhuǎn)方向觀察，葉片背面流體速度大于葉輪正面速度，葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)葉輪背面的流體跟隨葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并被進(jìn)口流體擠壓向外，所以速度較快，而葉輪擠壓流體的面和該面的流體速度方向合成有抵消作用，所以該處流體速度較小。另外在葉輪邊緣的速度分布不均勻，流體速度在葉輪邊緣處達(dá)到最大值13.867 m/s，葉輪出口的精確平均速度為11.49 m/s。

圖11 葉輪中心流道壓力變化云圖

圖12 葉輪中心流道速度變化云圖

葉輪出口平均速度和葉輪出口壓力與葉輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖13 所示，從圖中可以看出，離心葉輪出口的壓力呈直線型增長(zhǎng)，而離心葉輪出口平均速度呈下凹形增長(zhǎng)，葉輪出口平均速度在1 000 r/min 時(shí)達(dá)到增長(zhǎng)曲線的最高點(diǎn)，該點(diǎn)是葉輪運(yùn)行效率點(diǎn)。另外在相同轉(zhuǎn)速下，葉輪邊緣流體速度均大于對(duì)應(yīng)的外流道出口流體速度，原因是流體高速旋出葉輪后，進(jìn)入空間較大的外流道，在外流道運(yùn)行過程中，部分能量損失。單從該方面講，流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為流體靜壓能的數(shù)值隨葉輪轉(zhuǎn)速的增加而增大，這對(duì)揚(yáng)程是有利的。

圖13 葉輪出口平均速度和葉輪出口壓力隨轉(zhuǎn)動(dòng)速度改變的變化

3 試驗(yàn)

根據(jù)上述分析，結(jié)合工程化需要設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)失活器，并對(duì)失活器的性能進(jìn)行研究，以測(cè)試失活器的性能。試驗(yàn)裝置包括：失活器、實(shí)驗(yàn)水箱、壓力表、截止閥、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、氣壓泵、配電柜、電流鉗及部分管線和電線（圖14）。介質(zhì)從水箱內(nèi)依靠重力流入失活器，在失活器中運(yùn)動(dòng)，并通過離心葉輪泵送回水箱，參與循環(huán)。監(jiān)測(cè)失活器出口處的壓力、流量，通過調(diào)節(jié)出口閥門進(jìn)行變工況研究，并與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

圖14 試驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)圖

通過改變處理量得到不同處理量下設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)（表1），對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)節(jié)具有重要作用。在設(shè)備處理量從80 m3/h 變化到120 m3/h的過程中，設(shè)備出口壓力從0.182 MPa 降低到0.168 MPa，電流從64.0 A 增加到65.2 A，小于電機(jī)的額定電流103 A，且電流變化不大，計(jì)算電機(jī)平均消耗功率約34.2 kW/h。設(shè)備處理量要求為65 m3/h，揚(yáng)程為15 m，該試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)備可達(dá)到運(yùn)行要求，建議工業(yè)化設(shè)備運(yùn)行處理量在80～120 m3/h 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，多余處理量通入循環(huán)管路。

表1 設(shè)備運(yùn)行參數(shù)隨處理量變化記錄表

對(duì)比3 種不同處理量（80、100、120 m3/h）工況下設(shè)備出口壓力模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖15），可得隨著處理量的增加，設(shè)備出口壓力降低，試驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相符。但試驗(yàn)得到的壓力數(shù)據(jù)略小于模擬數(shù)據(jù)，原因是模擬是在理想狀況下進(jìn)行的，且實(shí)驗(yàn)水箱位置高度不夠，使得液體水自流進(jìn)設(shè)備腔體的量小于出口流量，造成出口壓力值較低。

圖15 不同處理量出口壓力模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

4.1 所設(shè)計(jì)失活器集混合、泵送于一體，在功能不減的基礎(chǔ)上減少了設(shè)備數(shù)量，結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)、占地面積小，使工藝流程簡(jiǎn)化，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

4.2 模擬計(jì)算結(jié)果表明粒子平均停留時(shí)間為12.52 s，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在120 m3/h 母液處理量下，設(shè)備出口壓力0.199 MPa，達(dá)到要求的設(shè)計(jì)壓力。

4.3 試驗(yàn)研究分析中，對(duì)比3 種不同處理量工況下設(shè)備出口壓力數(shù)值模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到設(shè)備出口壓力、流量變化趨勢(shì)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)論相吻合。投入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)母液失活，后續(xù)系統(tǒng)再無(wú)自燃現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)品穩(wěn)定性改善，并為開發(fā)新牌號(hào)產(chǎn)品打下基礎(chǔ)。