高密度聚乙烯母液失活器的设计及应用.pdf

第 50 卷第 4 期化工机械化工机械作者简介院蒋维宏渊1970-冤袁高级工程师袁从事设备管理工作袁遥引用本文院蒋维宏袁詹仲福袁赵旭袁等.高密度聚乙烯母液失活器的设计及应用咱J暂.化工机械袁2023袁50渊4冤院549-554.高密度聚乙烯渊HDPE冤是一种由乙烯共聚工艺生成的热塑性聚烯烃袁是石油化工行业中一种重要的通用材料袁目前还在不断开发其新的用途和市场咱1袁2暂遥 另外袁HDPE 是一种环保材料袁加热达到熔点渊130 益冤即可回收遥中石化某公司于 20 世纪 80 年代引进日本三井油化公司 HDPE 技术袁 生产装置排出的HDPE 母液中含有己烷袁并携带活性催化剂尧烷基铝等物质遥 正常生产时己烷通过精馏塔回收袁循环使用袁低聚物通过冷却结晶的方式制成片状产品袁因低聚物中的烷基铝易燃易爆袁故在结晶等后续加工过程中也易自燃爆炸遥 为确保低聚物在二次加工中的安全性袁该公司决定开发一套相关的母液失活系统袁系统中能实现高效混合输送的关键设备为失活器遥 HDPE 母液失活器可实现外排母液与碱液和工艺水的快速高效混合反应及混合反应液的泵送遥1失活器结构设计失活器由搅拌腔体尧传动轴尧轴流叶轮尧离心叶轮尧滚珠轴承轴套等零部件组成渊图 1冤袁采用电DOI:10.20031/ki.0254鄄6094.202304019高密度聚乙烯母液失活器的设计及应用蒋维宏1詹仲福2赵旭2刘世平2秦云龙2渊1.中国石化仪征化纤股份有限公司曰2.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司冤摘要采用油化浆液法 CX 工艺生产高密度聚乙烯的过程中袁装置排出的 HDPE 母液中含有易自燃爆炸的烷基铝等物质遥 针对该情况设计母液失活系统中能实现高效混合输送的关键设备要要要失活器袁提出采用轴流叶轮搭配离心叶轮的设计思路袁实现物料高速混合反应和离心泵送的功能遥 应用计算流体力学进行轴流叶轮与离心叶轮的流场分析袁并建立试验装置袁试验得到与数值模拟相近的数据袁该设备处理量大于 80 m3/h袁设备扬程大于 15 m遥关键词高密度聚乙烯失活器数值模拟试验对比中图分类号TQ051.1文献标识码A文章编号0254鄄6094渊2023冤04鄄0549鄄06图 1失活器结构示意图1要要要循环腔曰2要要要物料入口曰3要要要外腔体曰4要要要导液板曰5要要要物料出口曰6要要要轴筒一段曰7要要要轴筒二段曰8要要要轴承座曰9要要要传动轴曰10要要要支撑系统曰11要要要冲洗口曰12要要要排净口玉曰13要要要离心叶轮曰14要要要轴流叶轮曰 15要要要阻流板曰16要要要排净口域曰17要要要内腔体曰18要要要支撑板549化工机械2023 年化工机械机和 V 型带驱动的水平搅拌形式遥 搅拌腔设有混合循环腔与离心泵送腔两个内腔袁混合循环腔由两个同心圆柱筒体组成曰传动轴设有轴流叶轮与离心叶轮袁分别起到混合作用和离心作用袁传动轴在搅拌腔外侧通过滚珠轴承支撑袁并且与带轮连接袁通过电机驱动袁同时在传动轴与液体接触的地方设置轴套保护传动轴遥工作时袁NaOH 溶液和 HDPE 母液从物料入口进入设备袁轴流叶轮高速旋转袁产生快速尧强力的剪切作用袁搅动液体介质袁使其混合均匀袁并推动流体介质向离心叶轮处运动遥 部分流体介质进入离心叶轮袁在离心叶轮的作用下袁经泵送从物料出口流出遥 未进入离心叶轮的流体在导液板的作用下从外流道流回封头处袁再次进入内腔体参与混合和泵送遥 混合循环腔工作原理如图 2 所示遥图 2混合循环腔工作原理图2数值模拟应用计算流体力学软件进行混合循环腔与离心泵送腔模拟咱38暂遥单相流流动轨迹线如图 3 所示袁流体从入口进入袁与回流旋转流体相遇袁一起向左旋转运动袁在封头处旋转进入内腔体向轴流图 3混合循环腔轨迹线叶轮方向流动遥 在轴流叶轮工作区域袁由于轴流叶轮的高速旋转袁 流体受到了强烈的剪切作用袁随叶片高速旋转并受到挤压向前的力袁因此呈旋转向前和旋转向外运动的趋势遥 另外由于轴流叶轮设计了 3 片叶片袁在旋转运动过程中袁对流体的作用呈现不均匀性袁因此外流道中流体运动呈现螺旋状不均匀运动袁该运动状态对介质的混合是有利的遥对失活器内部流体速度进行研究袁可以较好地考察流道内部流体的运动情况遥 由于叶轮端支撑处截面外部有 4 块支撑板袁 内部有十字支撑板袁该截面距轴流叶轮较近袁受轴流叶轮搅拌的影响较大袁因此取失活器叶轮端支撑处截面为研究对象遥 叶轮端支撑处截面速度云图尧速度矢量图如图 4尧5 所示遥 从图中可以看出院在总体速度分布上还是外流道流体垂直截面向里运动袁内流道流体垂直截面向外运动遥 由于轴流叶轮的搅拌作用袁外流道处明显存在轴流叶轮转动引起的微量流体小速度垂直截面向外运动袁呈旋转扫掠的样式遥 在内流道中也存在由于轴流叶轮作用引起的部分内流道流体有垂直截面向里运动的趋势袁因此在轴流叶轮工作区域会产生漩涡运动袁对流体运动起到扰动作用曰 同时由于支撑板的作用袁对设备结构有加强作用遥550第 50 卷第 4 期化工机械化工机械图 4叶轮端撑处截面速度云图图 5叶轮端撑处截面速度矢量图在混合循环腔内腔体取 4 条轴向等距离渊150 mm冤分布的线曰同时袁在混合循环腔外腔体取 4 条轴向等距离渊250 mm冤分布的线袁通过研究8 条线上的流体速度袁 分析混合循环腔体中流体的运动情况遥内腔体流道线速度变化图渊图 6冤反映了内流道 4 条线上的速度变化趋势袁横坐标代表从轴流叶轮右侧出发向封头部位延伸的距离袁纵坐标代表速度大小遥 经分析可知 4 条线在叶轮工作区域速度达到最大值袁在内腔体输运阶段速度变化缓慢袁处于基本平稳的状态袁在封头空间流体的速度变大袁主要是由流体运动方向发生变化等原因引起的遥图 6内流道线速度变化图外腔体流道线速度变化图渊图 7冤反映了外流道 4 条线上的速度变化趋势袁横坐标代表从轴流叶轮右侧出发向封头部位延伸的距离袁纵坐标代表速度大小遥 经分析可知 4 条线在叶轮工作区域速度达到最大值袁在外腔体输运阶段速度变化剧烈袁主要是由进口流体运动撞击内筒体壁面并与回流流体发生冲撞等原因引起的袁在封头空间流体的速度基本没有变化遥图 7外流道线速度变化图应用 PDM 模型进行停留时间计算袁 统计 25颗小粒子的停留时间遥 图 8 所示颗粒停留时间统计图中袁粒子停留时间呈正态分布袁平均停留时间为 12.52 s袁超过反应要求的时间 8 s遥图 8颗粒停留时间统计图设计失活器时在外流道设置了导流板袁起到对流体在出口处的导向作用遥 从图 9 可以看出袁导液板对流体运动情况有明显的影响遥 在压力场中袁从导液板背面开始沿流道方向袁流体压力逐渐增大袁 分析其中原因是流体经过离心叶轮狭小的流道后进入外流道较为开阔的空间袁流体流动速度降低袁将液体动能转变为压力能袁所以在外流道的环向方向上流体的静压能逐渐增大遥551化工机械2023 年化工机械图 9离心叶轮外流道压力变化云图图 10 中袁 导流板背面的流体运行出现低速区袁这是因为导流板正面将流体导流袁所以背面没有环向流动的流体袁流体从离心叶轮出来后直接打向外腔体外壁面袁 造成较大的速度损失袁所以该部位出现低速区袁在外流道内环色环带显示与中间有色差袁可以看出离开离心叶轮的流体速度较大遥图 10离心叶轮外流道速度变化云图对离心叶轮流道分析得到离心叶轮流道压力和速度变化规律 渊图 11尧12冤遥 由图 11 可以看出袁沿着径向方向压力逐渐变大袁整体压力变化情况稳定遥 由图 12 可以看出袁流体介质在高速旋转叶轮作用下速度沿螺旋向外方向逐渐增加袁沿旋转方向观察袁叶片背面流体速度大于叶轮正面速度袁 叶轮旋转时叶轮背面的流体跟随叶轮转动袁并被进口流体挤压向外袁所以速度较快袁而叶轮挤压流体的面和该面的流体速度方向合成有抵消作用袁所以该处流体速度较小遥 另外在叶轮边缘的速度分布不均匀袁流体速度在叶轮边缘处达到最大值 13.867 m/s袁 叶轮出口的精确平均速度为 11.49 m/s遥图 11叶轮中心流道压力变化云图图 12叶轮中心流道速度变化云图叶轮出口平均速度和叶轮出口压力与叶轮转速的关系如图 13 所示袁从图中可以看出袁离心叶轮出口的压力呈直线型增长袁而离心叶轮出口平均速度呈下凹形增长袁叶轮出口平均速度在1 000 r/min 时达到增长曲线的最高点袁该点是叶轮运行效率点遥 另外在相同转速下袁叶轮边缘流体速度均大于对应的外流道出口流体速度袁原因是流体高速旋出叶轮后袁进入空间较大的外流图 13叶轮出口平均速度和叶轮出口压力随转动速度改变的变化552第 50 卷第 4 期化工机械化工机械道袁在外流道运行过程中袁部分能量损失遥 单从该方面讲袁流体的动能转化为流体静压能的数值随叶轮转速的增加而增大袁这对扬程是有利的遥3试验根据上述分析袁结合工程化需要设计并制作了一台失活器袁 并对失活器的性能进行研究袁以测试失活器的性能遥 试验装置包括院失活器尧实验水箱尧压力表尧截止阀尧转子流量计尧气压泵尧配电柜尧电流钳及部分管线和电线渊图 14冤遥 介质从水箱内依靠重力流入失活器袁 在失活器中运动袁并通过离心叶轮泵送回水箱袁参与循环遥 监测失活器出口处的压力尧流量袁通过调节出口阀门进行变工况研究袁并与数值模拟数据进行对比遥图 14试验装置现场图通过改变处理量得到不同处理量下设备的运行参数渊表 1冤袁对设备运行状态的调节具有重要作用遥在设备处理量从 80 m3/h 变化到 120 m3/h的过程中袁 设备出口压力从 0.182 MPa 降低到0.168 MPa袁电流从 64.0 A 增加到 65.2 A袁小于电机的额定电流 103 A袁且电流变化不大袁计算电机平均消耗功率约 34.2 kW/h遥 设备处理量要求为65 m3/h袁扬程为 15 m袁该试验结果表明设备可达到运行要求袁 建议工业化设备运行处理量在 80120 m3/h 范围内调节袁多余处理量通入循环管路遥表 1设备运行参数随处理量变化记录表处理量/m3窑 h-180120出口压力/MPa0.1820.1681000.177电流/A64.065.264.5对比 3 种不同处理量渊80尧100尧120 m3/h冤工况下设备出口压力模拟与试验数据渊图 15冤袁可得随着处理量的增加袁设备出口压力降低袁试验与模拟数据变化趋势相符遥 但试验得到的压力数据略小于模拟数据袁原因是模拟是在理想状况下进行的袁且实验水箱位置高度不够袁使得液体水自流进设备腔体的量小于出口流量袁造成出口压力值较低遥图 15不同处理量出口压力模拟与试验数据对比4结论4.1所设计失活器集混合尧泵送于一体袁在功能不减的基础上减少了设备数量袁 结构整体性强尧占地面积小袁使工艺流程简化袁经济实用遥4.2模拟计算结果表明粒子平均停留时间为12.52 s袁达到设计要求遥 在 120 m3/h 母液处理量下袁设备出口压力 0.199 MPa袁达到要求的设计压力遥4.3试验研究分析中袁对比 3 种不同处理量工况下设备出口压力数值模拟与试验数据袁得到设备出口压力尧流量变化趋势与数值模拟计算结论相吻合遥 投入工业现场应用袁实现母液失活袁后续系统再无自燃现象发生袁产品稳定性改善袁并为开发新牌号产品打下基础遥参考文献咱1暂徐素兰袁王涛.国内高密度聚乙烯生产现状及市场分析咱J暂.齐鲁石油化工袁2013袁41渊2冤院151-155.咱2暂郭鑫博.探讨高密度聚乙烯工艺及催化剂的研究应用咱J暂.中国石油化工袁2017渊5冤院87-88.咱3暂魏培茹袁刘卫伟袁见文.多级离心泵内部流动的数值模拟与优化咱J暂.流体机械袁2010袁38渊9冤院31-34.咱4暂耿少娟袁聂超群袁黄伟光袁等.不同叶轮形式下离心泵整机非定常流场的数值研究咱J暂.机械工程学报袁553化工机械2023 年化工机械2006袁42渊5冤院27-31.咱5暂ANDERSON J D.Computaional Fluid Dynamics鄄TheBasics with Application咱M暂.Beijing院Tsinghua Univer鄄sity Press袁2002.咱6暂MOORE J J袁砸ANSOM D L袁VIANA F.Rotor dynamicforce prediction of centrifugal compressor impellersusing computational fluid dynamics 咱C暂/Asme TurboExpo院Power for Land袁Sea袁&Air.2011院114-123.DOI院10.1115/1.2900958.咱7暂KAEWNAI S袁CHAMAOOT M袁WONGWISES S.Pre鄄dicting performance of radial flow type impeller ofcentrifugal pump using CFD咱J暂.Journal of MechanicalScience and Technology袁2009袁23渊6冤院1620-1627.咱8暂YUAN S Q袁NI Y Y袁PAN Z Y袁et al.Unsteady Turbu鄄lent Simulation and Pressure Fluctuation Analysis forCentrifugal Pumps 咱J暂.Chinese Journal of MechanicalEngineering袁2009袁22渊1冤院64-69.渊收稿日期院2022-04-13袁修回日期院2023-06-26冤Development and Application of High鄄density PolyethyleneMother Liquor DeactivatorJIANG Wei鄄hong1袁 ZHAN Zhong鄄fu2袁 ZHAO Xu2袁 LIU Shi鄄ping2袁 QIN Yun鄄long2渊1.Sinopec Yizheng Chemical Fiber Co.袁 Ltd.曰 2.Tianhua Chemical Machinery&Automation Institute Co.袁 Ltd.冤AbstractIn the process of producing high density polyethylene by the CX process of oil slurry method,theHDPE mother liquor out of the device contains alkylaluminum and other substances that are easy tospontaneous combustion and explosion.In view of this situation,the deactivation device,a key equipment torealize efficient mixing transportation in mother liquor deactivation system,was designed and the design idea ofaxial flow impeller matched with centrifugal impeller was proposed to realize high鄄speed mixing reaction andcentrifugal pumping of materials.Making use of CFD analyze the flow field of axial flow impeller andcentrifugal impeller was implemented,including the establishment of testing apparatus so as to obtain the datasimilar to that from the numerical simulation.The processing capacity of this equipment is more than 80 m3/h,and its head is greater than 15 m.Key wordshigh density polyethylene,deactivator,numerical simulation,experimental comparison第十五届上海国际石油和化工技术装备展将于 8 月 23 至 25 日在上海新国际博览中心举办第十五届上海国际石油和化工技术装备展览会渊cippe 上海石化展冤于 2023 年 8 月 2325 日在中国 窑 上海新国际博览中心盛大召开遥 本届展会超 1 000 家企业应邀参展袁展区面积逾 70 000 平方米袁今年现场到访专业观众预计突破 100 000 人次遥展会由北京振威展览有限公司尧中国石油和石油化工设备工业协会联合主办遥 应邀参展的行业知名企业包括宁波石化工程公司尧江苏武进不锈股份有限公司尧锡安达防爆尧上海九高节能技术尧融成智能设备尧德安环保尧飞策防爆尧苏尔寿工程机械尧德维透平机械尧史丹利尧蓝滨石化尧凯凡石化尧恒业电力石化尧凯盛电力石化尧柯恒石化机械尧唐工阀门尧正源阀门尧科科集团尧东方电热尧上海恩邦自动化尧曼太柯尧纽帕得机械尧聚鑫源新材料尧德国莱茵集团尧斯派莎克工程渊中国冤有限公司尧隆华科技尧倍仕得电气尧东庚化工尧重庆明珠机电噎噎展会期间将有沙特石油尧壳牌石油尧道达尔尧德希尼布尧巴斯夫尧金陵石化尧高桥石化尧镇海炼化尧金山石化尧扬子石化尧中国化学尧环球工程设计院尧中化集团尧大唐发电尧中煤能源尧仪征化纤尧上海市印染协会尧上海石油化工研究院尧上海化学试剂所尧上海吴泾化工设计院等国内外专业参观团到现场采购尧洽谈遥 展会期间会举办多场行业相关技术论坛遥 各大技术论坛邀请了全国各个石化尧化工园区的主管领导尧行业知名专家学者尧国内外知名企业领袖袁交流议题主要涉及炼化尧VOCs 回收利用尧化工园区安全防护与防爆消防尧自动化仪器仪表尧企业安全生产等领域遥相信通过组委会的精心策划袁展商在本届展会上收获更多遥 8 月 23 日袁第十五届上海国际石油和化工技术装备展览会与您相约上海新国际博览中心袁在此诚挚欢迎您的到来浴554