高密度聚乙烯母液失活器的設計及應用

蔣維宏 詹仲福 趙 旭 劉世平 秦云龍

（1.中國石化儀征化纖股份有限公司；2.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

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，是石油化工行業中一種重要的通用材料，目前還在不斷開發其新的用途和市場［1，2］。另外，HDPE 是一種環保材料，加熱達到熔點（130 ℃）即可回收。

中石化某公司于20 世紀80 年代引進日本三井油化公司HDPE 技術，生產裝置排出的HDPE 母液中含有己烷，并攜帶活性催化劑、烷基鋁等物質。正常生產時己烷通過精餾塔回收，循環使用，低聚物通過冷卻結晶的方式制成片狀產品，因低聚物中的烷基鋁易燃易爆，故在結晶等后續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，該公司決定開發一套相關的母液失活系統，系統中能實現高效混合輸送的關鍵設備為失活器。HDPE 母液失活器可實現外排母液與堿液和工藝水的快速高效混合反應及混合反應液的泵送。

1 失活器結構設計

失活器由攪拌腔體、傳動軸、軸流葉輪、離心葉輪、滾珠軸承軸套等零部件組成（圖1），采用電機和V 型帶驅動的水平攪拌形式。攪拌腔設有混合循環腔與離心泵送腔兩個內腔，混合循環腔由兩個同心圓柱筒體組成；傳動軸設有軸流葉輪與離心葉輪，分別起到混合作用和離心作用，傳動軸在攪拌腔外側通過滾珠軸承支撐，并且與帶輪連接，通過電機驅動，同時在傳動軸與液體接觸的地方設置軸套保護傳動軸。

圖1 失活器結構示意圖

工作時，NaOH 溶液和HDPE 母液從物料入口進入設備，軸流葉輪高速旋轉，產生快速、強力的剪切作用，攪動液體介質，使其混合均勻，并推動流體介質向離心葉輪處運動。部分流體介質進入離心葉輪，在離心葉輪的作用下，經泵送從物料出口流出。未進入離心葉輪的流體在導液板的作用下從外流道流回封頭處，再次進入內腔體參與混合和泵送。混合循環腔工作原理如圖2 所示。

圖2 混合循環腔工作原理圖

2 數值模擬

應用計算流體力學軟件進行混合循環腔與離心泵送腔模擬［3～8］。單相流流動軌跡線如圖3 所示，流體從入口進入，與回流旋轉流體相遇，一起向左旋轉運動，在封頭處旋轉進入內腔體向軸流葉輪方向流動。在軸流葉輪工作區域，由于軸流葉輪的高速旋轉，流體受到了強烈的剪切作用，隨葉片高速旋轉并受到擠壓向前的力，因此呈旋轉向前和旋轉向外運動的趨勢。另外由于軸流葉輪設計了3 片葉片，在旋轉運動過程中，對流體的作用呈現不均勻性，因此外流道中流體運動呈現螺旋狀不均勻運動，該運動狀態對介質的混合是有利的。

圖3 混合循環腔軌跡線

對失活器內部流體速度進行研究，可以較好地考察流道內部流體的運動情況。由于葉輪端支撐處截面外部有4 塊支撐板，內部有十字支撐板，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動，內流道流體垂直截面向外運動。由于軸流葉輪的攪拌作用，外流道處明顯存在軸流葉輪轉動引起的微量流體小速度垂直截面向外運動，呈旋轉掃掠的樣式。在內流道中也存在由于軸流葉輪作用引起的部分內流道流體有垂直截面向里運動的趨勢，因此在軸流葉輪工作區域會產生漩渦運動，對流體運動起到擾動作用；同時由于支撐板的作用，對設備結構有加強作用。

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

在混合循環腔內腔體取4 條軸向等距離（150 mm）分布的線；同時，在混合循環腔外腔體取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，分析混合循環腔體中流體的運動情況。

內腔體流道線速度變化圖（圖6）反映了內流道4 條線上的速度變化趨勢，橫坐標代表從軸流葉輪右側出發向封頭部位延伸的距離，縱坐標代表速度大小。經分析可知4 條線在葉輪工作區域速度達到最大值，在內腔體輸運階段速度變化緩慢，處于基本平穩的狀態，在封頭空間流體的速度變大，主要是由流體運動方向發生變化等原因引起的。

圖6 內流道線速度變化圖

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，橫坐標代表從軸流葉輪右側出發向封頭部位延伸的距離，縱坐標代表速度大小。經分析可知4 條線在葉輪工作區域速度達到最大值，在外腔體輸運階段速度變化劇烈，主要是由進口流體運動撞擊內筒體壁面并與回流流體發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

應用PDM 模型進行停留時間計算，統計25顆小粒子的停留時間。圖8 所示顆粒停留時間統計圖中，粒子停留時間呈正態分布，平均停留時間為12.52 s，超過反應要求的時間8 s。

圖8 顆粒停留時間統計圖

設計失活器時在外流道設置了導流板，起到對流體在出口處的導向作用。從圖9 可以看出，導液板對流體運動情況有明顯的影響。在壓力場中，從導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過離心葉輪狹小的流道后進入外流道較為開闊的空間，流體流動速度降低，將液體動能轉變為壓力能，所以在外流道的環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，導流板背面的流體運行出現低速區，這是因為導流板正面將流體導流，所以背面沒有環向流動的流體，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，所以該部位出現低速區，在外流道內環色環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

對離心葉輪流道分析得到離心葉輪流道壓力和速度變化規律（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定。由圖12 可以看出，流體介質在高速旋轉葉輪作用下速度沿螺旋向外方向逐漸增加，沿旋轉方向觀察，葉片背面流體速度大于葉輪正面速度，葉輪旋轉時葉輪背面的流體跟隨葉輪轉動，并被進口流體擠壓向外，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速的關系如圖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，而離心葉輪出口平均速度呈下凹形增長，葉輪出口平均速度在1 000 r/min 時達到增長曲線的最高點，該點是葉輪運行效率點。另外在相同轉速下，葉輪邊緣流體速度均大于對應的外流道出口流體速度，原因是流體高速旋出葉輪后，進入空間較大的外流道，在外流道運行過程中，部分能量損失。單從該方面講，流體的動能轉化為流體靜壓能的數值隨葉輪轉速的增加而增大，這對揚程是有利的。

圖13 葉輪出口平均速度和葉輪出口壓力隨轉動速度改變的變化

3 試驗

根據上述分析，結合工程化需要設計并制作了一臺失活器，并對失活器的性能進行研究，以測試失活器的性能。試驗裝置包括：失活器、實驗水箱、壓力表、截止閥、轉子流量計、氣壓泵、配電柜、電流鉗及部分管線和電線（圖14）。介質從水箱內依靠重力流入失活器，在失活器中運動，并通過離心葉輪泵送回水箱，參與循環。監測失活器出口處的壓力、流量，通過調節出口閥門進行變工況研究，并與數值模擬數據進行對比。

圖14 試驗裝置現場圖

通過改變處理量得到不同處理量下設備的運行參數（表1），對設備運行狀態的調節具有重要作用。在設備處理量從80 m3/h 變化到120 m3/h的過程中，設備出口壓力從0.182 MPa 降低到0.168 MPa，電流從64.0 A 增加到65.2 A，小于電機的額定電流103 A，且電流變化不大，計算電機平均消耗功率約34.2 kW/h。設備處理量要求為65 m3/h，揚程為15 m，該試驗結果表明設備可達到運行要求，建議工業化設備運行處理量在80～120 m3/h 范圍內調節，多余處理量通入循環管路。

表1 設備運行參數隨處理量變化記錄表

對比3 種不同處理量（80、100、120 m3/h）工況下設備出口壓力模擬與試驗數據（圖15），可得隨著處理量的增加，設備出口壓力降低，試驗與模擬數據變化趨勢相符。但試驗得到的壓力數據略小于模擬數據，原因是模擬是在理想狀況下進行的，且實驗水箱位置高度不夠，使得液體水自流進設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數據對比

4 結論

4.1 所設計失活器集混合、泵送于一體，在功能不減的基礎上減少了設備數量，結構整體性強、占地面積小，使工藝流程簡化，經濟實用。

4.2 模擬計算結果表明粒子平均停留時間為12.52 s，達到設計要求。在120 m3/h 母液處理量下，設備出口壓力0.199 MPa，達到要求的設計壓力。

4.3 試驗研究分析中，對比3 種不同處理量工況下設備出口壓力數值模擬與試驗數據，得到設備出口壓力、流量變化趨勢與數值模擬計算結論相吻合。投入工業現場應用，實現母液失活，后續系統再無自燃現象發生，產品穩定性改善，并為開發新牌號產品打下基礎。