CFD在離心泵泄漏防控優化設計中的應用

倪玉峰，俞曉鯤，熊厚文，仇濤

（1.金浦新材料股份有限公司，江蘇南京210047；2.北京水木濱華科技有限公司，北京100192）

離心泵是石油化工裝置中使用量最多的轉動設備。泵的可靠性決定著生產過程的本質安全，尤其是輸送介質具有易燃易爆、易揮發、滲透性及腐蝕性強等性質，一旦泵體故障導致物料泄漏，不僅直接中斷生產過程，還會造成周邊環境污染，更有可能引起生產安全事故。文中針對操作控制方式引起的醋酸鈷合成單元離心泵泄漏情況，提出優化改進方案，根據CFD數值計算結果，確定解決循環泵泄漏問題的液位控制值。

1 醋酸鈷合成單元

醋酸鈷的生產過程采用外循環固定床反應裝置，為常壓間歇操作方式，液相溫度40～45℃。反應釜R01內的金屬鈷床層高度約400 mm，注入質量分數15%～20%的醋酸水溶液后（注入量約占中間釜R02容積的3/5），啟動中間釜R02底部離心泵P01，同時開始添加質量分數30%的H2O2。混合溶液在重力作用下通過鈷固定床，進行醋酸鈷的合成反應，進入中間釜R02后在離心泵P01的作用下再次進入反應釜R01。溶液酸度和醋酸鈷濃度合格后關閉H2O2進料，執行醋酸鈷物料的轉釜操作。待轉釜操作結束，再開始下1批次的生產過程。

2 運行中存在的問題

醋酸鈷的生產過程間歇，每釜物料檢測合格后，需要先轉釜再進行下1批次的生產。由于中間釜R02無液位顯示，操作人員一般在離心泵P01出口壓力大幅降低后，再關閉循環泵。通常結束轉釜操作時，釜內物料基本被抽空。隨著中間釜R02液位逐漸降低，當液層過低時，液面上方開始產生漩渦，而漩渦對氣相介質具有很強的抽吸作用。大量氣體進入離心泵P01管路后，泵會出現刺耳的噪聲、震動，引起機械密封失效、介質泄漏［1］。在啟動下1批次生產時，離心泵及管道內積聚的氣體使泵的啟動很不穩定，常需人為干預，不僅增加工藝操作的復雜性，而且泵出口壓力波動幅度大，機械密封面間的干摩擦增加泵的泄漏幾率。

原料鈷的比表面積不同，反應速度則不同，完成1釜醋酸鈷合成的反應時間通常約3～4 h。離心泵頻繁的抽空再啟動，使其始終處于緩慢泄漏狀態。泄漏出的醋酸鈷在水份蒸發后，在泵下方形成紫紅色結晶體。該機械密封若不及時更換，可能發生大規模的跑料事故，造成產品污染、生產中斷。但頻繁檢修更換密封不但增加人員工作強度，也會影響生產運營，造成經濟損失。

3 優化改進方案

針對操作控制方法不完善引起的離心泵泄漏，建議增加液位控制停泵的方式，見圖1。在中間釜釜底新增1臺遠傳液位計，當釜內液層降至一定高度后聯鎖關閉離心泵，結束物料轉釜過程。

圖1釜底液位聯鎖圖

方案的關鍵在于確定合理的釜底液位聯鎖值。液位聯鎖值過大，則造成釜內空間浪費，降低裝置生產能力。液位聯鎖值過低，則容易出現吸氣漩渦，對泵的穩定運行不利。由于化工設備出流口的形狀、大小等不盡相同，開始出現漩渦時的液面高度也不同［2］。離心泵吸水管管口適宜淹沒深度的計算式雖然較多，但相互之間的差別也很大［3-4］。文獻［5］根據運動形態將漩渦分為表面凹陷漩渦、間歇吸氣漩渦和貫通吸氣漩渦，認為表面凹陷漩渦對應液面出現輕微凹陷，基本不吸氣，對機泵沒有影響，而應盡量消除和禁止出現間歇吸氣漩渦和貫通吸氣漩渦。

曹睿［6］提出孔前流動影響區的概念，即孔口上方具有明顯流速的區域，并取孔口平均流速的1%為臨界速度，劃分孔前流動影響區的范圍。采用計算流體動力學軟件Fluent6.2對孔前流動影響區的流場特性進行了3維單相模擬，模擬結果與實驗基本吻合。當液層高度較大時，孔前區形狀近似半球形，其范圍趨于恒定，幾乎不隨液層高度變化。逐漸降低液層高度，則孔前區形狀偏扁，等速線開始出現凹形，相應的模擬液層高度與實驗觀察到的開始出現漩渦時的液層高度具有一致性。

顯然，存在臨界液層高度HC，此時的管口流動影響區形狀接近半球形，HC與工況條件下的管口流動影響區頂端等高。當液層高度H＜HC時，液面上方開始出現漩渦。因此，文中采用計算流體動力學（CFD）軟件計算出工況條件下的半球形管口流動影響區，取其頂端高度為HC，做為液位切斷循環泵的聯鎖值。

4 釜底液位聯鎖值的CFD數值計算

計算流體動力學（CFD）是伴隨著計算機技術、數值計算技術的發展而發展的，只要是涉及流動、傳熱、化學反應等的工程問題，都可以用CFD軟件進行大量的數值計算。CFD技術有助于分析流場的時空分布和微觀特征，因此，在單相流動、多相流流場分析和設備結構優化設計等方面均具有獨特的技術優勢［7］。

4.1 計算模型及邊界條件設置

中間釜R02直徑1 200 mm，封頭高300 mm，釜底出料口管線內徑80 mm。截取中間釜R02下部和1段出料口管線為研究對象，在Gambit2.4.6軟件平臺上按照1：1繪制計算模型，采用Tet/Hybrid元素對流動區域進行網格劃分。筒體、封頭及出料管壁面設置為固壁邊界條件（wall），上截面為速度進口邊界條件（velocity-inlet），進口速度根據循環泵工作流量30 m3/h換算得到，約0.007 4 m/s。出口邊界選取釜底物料管線截面，為出流邊界條件（outflow）。低濃度醋酸鈷溶液的性質與水接近，因此，選用水為介質進行模擬。忽略溫度對流動的影響，操作壓力為常壓［8］。

4.2 求解方法和基本控制方程

模擬計算在Fluent 6.3.26平臺上完成，采用有限體積法求解控制方程組，在網格節點定義各變量。采用Simple算法求解壓力-速度的耦合，湍流模型設置為標準k-ε模型，壁面采用無滑移條件及標準壁面函數進行處理。控制方程如下［9］：

質量守恒方程：

式中ρ—流體密度，kg/m3；t—時間，s；V—速度矢量，m/s；Sm—加入到連續相的質量，kg。

動量守恒方程：式中ρ—流體密度，kg/m3；p—流體微元體上的靜壓力，Pa；g和F—微元體上的重力體積力和其它外部體積力，N；τ—微元體表面上黏性應力張量。

4.3 計算結果

計算區域內的液體流動速度矢量圖見圖2（a），可見在釜底出料管口上方存在明顯的流動影響區。流動影響區的形狀近似半球形，見圖2（b）。在流動影響區內，隨著流通截面縮小，流速逐漸增加，流動影響區以外的區域，流速變化很小。

圖2模擬計算結果

以釜底封頭端部中心點為原點，取圖2（b）等值線頂部流速數據，繪制等值線頂部流速V在垂直方向（Z軸方向）上的分布趨勢見圖3。以釜底出料管平均流速的1%，即V=0.016 6 m/s與曲線的交點Z=0.3 m為臨界液層高度HC，當釜內液層高度降至0.3 m（液面至中間釜R02下封頭端部距離）時聯鎖關閉循環泵，將物料轉釜過程結束于液面漩渦形成之前，消除吸氣漩渦和抽空對機泵的影響，解決循環泵的機械密封泄漏問題。

圖3管口流動影響區等值線頂部速度V，m/s

5 結束語

在醋酸鈷間歇生產中，離心泵頻繁抽空，易導致機械密封泄漏。采用液位聯鎖停泵的控制方式，其實施效果關鍵在于液位控制值的設定。根據流動影響區的理論，應用計算流體動力學（CFD）軟件模擬出工況條件下的半球形管口流動影響區，取其頂端高度HC作為液位切斷循環泵的聯鎖值，將物料轉釜過程結束于液面漩渦形成之前，可以消除吸氣漩渦和抽空對機泵的影響，也可為其它設備出流口的液位控制提供借鑒。