特种泵精讲：—聚烯烃环管反应器轴流泵

1、聚烯烃与聚烯烃化工装置

1.1 聚烯烃，是一类由小分子烯烃单体经过聚合化学反应合成一种大分子聚合物，属于一类人工合成的高分子材料。聚烯烃材料可熔可溶，在一定条件下可以反复加工成型，又称为热塑性塑料或热塑性树脂，在当下电子信息、生物医药、汽车工业、航天航空、建筑等现代科技与生活领域有着广泛且重要的应用。

1.2 聚烯烃原料，烯烃单体和添加剂在催化剂作用下聚合反应生成聚烯烃。聚烯烃中以聚乙烯和聚丙烯最为重要，因此乙烯和丙烯是重要的烯烃单体、α烯烃单体（通常指碳原子数为4或6以上的烯烃）通常作为高端新材料的添加剂原料，当前热门的α烯烃原料是1-丁烯、1-辛烯、1-己烯。聚烯烃并不是完全由一种单体聚合生成的，通常根据产品的性能要求，加入其他的单体、α烯烃添加剂等。

1.3 聚烯烃化工装置，是一套可以生产聚烯烃产品的设备管道及控制系统，主要包括三个部分：

1）原料准备区主，包括原料精制、氢气供气、主催化剂配制、助催化剂加注和给电子体进料。

2）聚合反应区，包括反应器进料、反应器反应条件控制、反应器操作、反应器退料。关键设备是反应器与进料泵和/或轴流循环泵。

3）后处理单元，聚合反应区来的粉料经料仓前的风送系统送至缓冲料仓，又经风送系统自料仓送至挤压机造粒、然后进入掺混料仓均化，均化好的聚烯烃粒料进行包装和码垛存储。

2、环管反应器

2.1 反应器，不同的工艺反应法需要不同的反应器，使不同的物料在反应器内经催化剂催化作用加快反应，生成目标产品。反应器型式多样，主要有：

1）根据容器类型分类，有塔式反应器、搅拌釜式反应器、管式反应器等；

2）根据安装方式分类，立式反应器、卧式反应器、旋转式反应器；

3）根据催化剂的流动形态分类，有固定床反应器、移动床反应器、流化床反应器、沸腾床反应器。

2.2 环管反应器，是一种封闭的环状管式反应器，由闭合环形管路、循环轴流泵、连接法兰及紧固件、进出口和冷却夹套组成。聚烯烃从发展开始至今，主要有三代四种生产工艺：溶液法、浆液法、本体法和气相法。其中：

1）溶液法和浆液法作为第一代工艺由于低活性、脱挥（未反应单体、杂质、水分等）和无规物和溶剂问题已淘汰；

2）可以免脱挥和活性高的第二代工艺本体法仍保持优势；本体法的反应器有搅拌釜反应器和环管反应器。

3）以超高活性、无脱挥无脱无规物的第三代工艺气相法是发展趋势。气相法的反应器是流化床反应器。     

与搅拌釜反应器相比，环管反应器结构简单、传热效率高、流场分布均匀、易于扩大规模、易于操作控制反应条件、易于实现连续化操作等优点，在聚烯烃生产中占有重要的地位。

环管反应器实图与示意图，来自网络

3、环管反应器轴流泵

3.1 环管反应器轴流泵，又称反应循环泵，像沸腾泵作用使反应器内的催化剂流态化，实现可控工艺反应。而环管反应器轴流泵，也是类似的作用，让环管内的物料高速流动循环起来，使物料和添加剂以及催化剂均匀化接触反应，使催化剂湍流起来加大接触面积、高流速物料不会产生热量聚集点，易于散热、同时减少物料粘壁和结块。由此可见，轴流泵是环管反应器的核心，直接影响着聚烯烃环管反应器的生产效率和控制反应条件。

3.2 环管反应器循环泵选型考虑的首要因素是泵输送介质的工况和特性，工况和特性决定了泵型式和水力结构，决定了泵的材质、机械密封及辅助系统等选型关键内容。

反应器循环泵剖面图和外形图，来自网络

3.2.1 为何选择轴流泵？环管反应器循环泵工况具有流量大，扬程低的特点，50万吨规模的聚烯烃，流量可达7000m3/h，扬程一般低于30m，选择径向流的离心泵不适用。同时在物料循环过程中，大概会有约50~60%的液态物料转化成粉料，轴流泵更合适。

3.2.2轴流泵的结构，轴流泵安装在环管反应器中，通过一段弯管与反应器对接，轴承间距较长，这样的结构也导致泵的设计有其特殊之处：

1）安装方式，可以采用弹簧式底座或直接悬挂安装在环管反应器上。

2）出口口径大于12英寸的泵，建议采用可倾瓦块推力轴承，并设置自润滑系统和集成冷却器。

3）根据泵尺寸以及厂家方案，如有必要采用加强重型轴。

4）采用直导叶，对叶轮进行支撑。

3.2.3轴流泵的机械密封，建议采用三级高安全密封并配套Plan32+53+52的机封冲洗方案。

3.2.4轴流泵的材质，根据工况和厂商推荐进行选择，建议叶轮和泵壳采用不锈钢。

3.2.5轴流泵的轴功率波动和汽蚀控制，轴流泵随着环管反应器内部反应进行，轴流泵输送介质会呈现气-液-固三相复杂流动状态，介质密度会发生变化，轴功率会波动，易发生汽蚀，所以怎么处理？建议与泵厂家共同核算，必要时加大电机功率；对汽蚀，该泵叶轮设置导叶整流是必要的。

4、结语

当前，由于传统化石能源消费达到顶峰，炼油产能趋于过剩，在国家布局和政策支持下，规模化和集约化发展的石化基地建设已基本完成，传统炼油厂向炼化一体化或化工型炼厂转型也已接近完成。虽然聚烯烃产能随着近几年的高峰建设而趋于饱和，但由于低端聚烯烃材料向高端聚烯烃新材料结构转型优化尚未完成，聚烯烃市场需求仍在增长，轴流泵作为国产化关键设备仍有较大的市场空间。

轴流泵是重要设备，其水力结构在CFD模拟计算和数字模型先进流体工具的加持下，再加上逆向工程设计，进行优化设计不是难事，但国产化的轴流泵是国家工业化制造能力和大型石油化工装置装备国产化下的优秀结晶。

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