特種泵精講：—聚烯烴環(huán)管反應(yīng)器軸流泵

1、聚烯烴與聚烯烴化工裝置

1.1 聚烯烴，是一類由小分子烯烴單體經(jīng)過聚合化學(xué)反應(yīng)合成一種大分子聚合物，屬于一類人工合成的高分子材料。聚烯烴材料可熔可溶，在一定條件下可以反復(fù)加工成型，又稱為熱塑性塑料或熱塑性樹脂，在當(dāng)下電子信息、生物醫(yī)藥、汽車工業(yè)、航天航空、建筑等現(xiàn)代科技與生活領(lǐng)域有著廣泛且重要的應(yīng)用。

1.2 聚烯烴原料，烯烴單體和添加劑在催化劑作用下聚合反應(yīng)生成聚烯烴。聚烯烴中以聚乙烯和聚丙烯最為重要，因此乙烯和丙烯是重要的烯烴單體、α烯烴單體（通常指碳原子數(shù)為4或6以上的烯烴）通常作為高端新材料的添加劑原料，當(dāng)前熱門的α烯烴原料是1-丁烯、1-辛烯、1-己烯。聚烯烴并不是完全由一種單體聚合生成的，通常根據(jù)產(chǎn)品的性能要求，加入其他的單體、α烯烴添加劑等。

1.3 聚烯烴化工裝置，是一套可以生產(chǎn)聚烯烴產(chǎn)品的設(shè)備管道及控制系統(tǒng)，主要包括三個部分：

1）原料準備區(qū)主，包括原料精制、氫氣供氣、主催化劑配制、助催化劑加注和給電子體進料。

2）聚合反應(yīng)區(qū)，包括反應(yīng)器進料、反應(yīng)器反應(yīng)條件控制、反應(yīng)器操作、反應(yīng)器退料。關(guān)鍵設(shè)備是反應(yīng)器與進料泵和/或軸流循環(huán)泵。

3）后處理單元，聚合反應(yīng)區(qū)來的粉料經(jīng)料倉前的風(fēng)送系統(tǒng)送至緩沖料倉，又經(jīng)風(fēng)送系統(tǒng)自料倉送至擠壓機造粒、然后進入摻混料倉均化，均化好的聚烯烴粒料進行包裝和碼垛存儲。

2、環(huán)管反應(yīng)器

2.1 反應(yīng)器，不同的工藝反應(yīng)法需要不同的反應(yīng)器，使不同的物料在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)催化劑催化作用加快反應(yīng)，生成目標產(chǎn)品。反應(yīng)器型式多樣，主要有：

1）根據(jù)容器類型分類，有塔式反應(yīng)器、攪拌釜式反應(yīng)器、管式反應(yīng)器等；

2）根據(jù)安裝方式分類，立式反應(yīng)器、臥式反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)式反應(yīng)器；

3）根據(jù)催化劑的流動形態(tài)分類，有固定床反應(yīng)器、移動床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、沸騰床反應(yīng)器。

2.2 環(huán)管反應(yīng)器，是一種封閉的環(huán)狀管式反應(yīng)器，由閉合環(huán)形管路、循環(huán)軸流泵、連接法蘭及緊固件、進出口和冷卻夾套組成。聚烯烴從發(fā)展開始至今，主要有三代四種生產(chǎn)工藝：溶液法、漿液法、本體法和氣相法。其中：

1）溶液法和漿液法作為第一代工藝由于低活性、脫揮（未反應(yīng)單體、雜質(zhì)、水分等）和無規(guī)物和溶劑問題已淘汰；

2）可以免脫揮和活性高的第二代工藝本體法仍保持優(yōu)勢；本體法的反應(yīng)器有攪拌釜反應(yīng)器和環(huán)管反應(yīng)器。

3）以超高活性、無脫揮無脫無規(guī)物的第三代工藝氣相法是發(fā)展趨勢。氣相法的反應(yīng)器是流化床反應(yīng)器。     

與攪拌釜反應(yīng)器相比，環(huán)管反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、傳熱效率高、流場分布均勻、易于擴大規(guī)模、易于操作控制反應(yīng)條件、易于實現(xiàn)連續(xù)化操作等優(yōu)點，在聚烯烴生產(chǎn)中占有重要的地位。

環(huán)管反應(yīng)器實圖與示意圖，來自網(wǎng)絡(luò)

3、環(huán)管反應(yīng)器軸流泵

3.1 環(huán)管反應(yīng)器軸流泵，又稱反應(yīng)循環(huán)泵，像沸騰泵作用使反應(yīng)器內(nèi)的催化劑流態(tài)化，實現(xiàn)可控工藝反應(yīng)。而環(huán)管反應(yīng)器軸流泵，也是類似的作用，讓環(huán)管內(nèi)的物料高速流動循環(huán)起來，使物料和添加劑以及催化劑均勻化接觸反應(yīng)，使催化劑湍流起來加大接觸面積、高流速物料不會產(chǎn)生熱量聚集點，易于散熱、同時減少物料粘壁和結(jié)塊。由此可見，軸流泵是環(huán)管反應(yīng)器的核心，直接影響著聚烯烴環(huán)管反應(yīng)器的生產(chǎn)效率和控制反應(yīng)條件。

3.2 環(huán)管反應(yīng)器循環(huán)泵選型考慮的首要因素是泵輸送介質(zhì)的工況和特性，工況和特性決定了泵型式和水力結(jié)構(gòu)，決定了泵的材質(zhì)、機械密封及輔助系統(tǒng)等選型關(guān)鍵內(nèi)容。

反應(yīng)器循環(huán)泵剖面圖和外形圖，來自網(wǎng)絡(luò)

3.2.1 為何選擇軸流泵？環(huán)管反應(yīng)器循環(huán)泵工況具有流量大，揚程低的特點，50萬噸規(guī)模的聚烯烴，流量可達7000m3/h，揚程一般低于30m，選擇徑向流的離心泵不適用。同時在物料循環(huán)過程中，大概會有約50~60%的液態(tài)物料轉(zhuǎn)化成粉料，軸流泵更合適。

3.2.2軸流泵的結(jié)構(gòu)，軸流泵安裝在環(huán)管反應(yīng)器中，通過一段彎管與反應(yīng)器對接，軸承間距較長，這樣的結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致泵的設(shè)計有其特殊之處：

1）安裝方式，可以采用彈簧式底座或直接懸掛安裝在環(huán)管反應(yīng)器上。

2）出口口徑大于12英寸的泵，建議采用可傾瓦塊推力軸承，并設(shè)置自潤滑系統(tǒng)和集成冷卻器。

3）根據(jù)泵尺寸以及廠家方案，如有必要采用加強重型軸。

4）采用直導(dǎo)葉，對葉輪進行支撐。

3.2.3軸流泵的機械密封，建議采用三級高安全密封并配套Plan32+53+52的機封沖洗方案。

3.2.4軸流泵的材質(zhì)，根據(jù)工況和廠商推薦進行選擇，建議葉輪和泵殼采用不銹鋼。

3.2.5軸流泵的軸功率波動和汽蝕控制，軸流泵隨著環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部反應(yīng)進行，軸流泵輸送介質(zhì)會呈現(xiàn)氣-液-固三相復(fù)雜流動狀態(tài)，介質(zhì)密度會發(fā)生變化，軸功率會波動，易發(fā)生汽蝕，所以怎么處理？建議與泵廠家共同核算，必要時加大電機功率；對汽蝕，該泵葉輪設(shè)置導(dǎo)葉整流是必要的。

4、結(jié)語

當(dāng)前，由于傳統(tǒng)化石能源消費達到頂峰，煉油產(chǎn)能趨于過剩，在國家布局和政策支持下，規(guī)模化和集約化發(fā)展的石化基地建設(shè)已基本完成，傳統(tǒng)煉油廠向煉化一體化或化工型煉廠轉(zhuǎn)型也已接近完成。雖然聚烯烴產(chǎn)能隨著近幾年的高峰建設(shè)而趨于飽和，但由于低端聚烯烴材料向高端聚烯烴新材料結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型優(yōu)化尚未完成，聚烯烴市場需求仍在增長，軸流泵作為國產(chǎn)化關(guān)鍵設(shè)備仍有較大的市場空間。

軸流泵是重要設(shè)備，其水力結(jié)構(gòu)在CFD模擬計算和數(shù)字模型先進流體工具的加持下，再加上逆向工程設(shè)計，進行優(yōu)化設(shè)計不是難事，但國產(chǎn)化的軸流泵是國家工業(yè)化制造能力和大型石油化工裝置裝備國產(chǎn)化下的優(yōu)秀結(jié)晶。

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