CFD在離心泵泄漏防控優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)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(zhuǎn)動設(shè)備。泵的可靠性決定著生產(chǎn)過程的本質(zhì)安全，尤其是輸送介質(zhì)具有易燃易爆、易揮發(fā)、滲透性及腐蝕性強等性質(zhì)，一旦泵體故障導(dǎo)致物料泄漏，不僅直接中斷生產(chǎn)過程，還會造成周邊環(huán)境污染，更有可能引起生產(chǎn)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(yōu)化改進方案，根據(jù)CFD數(shù)值計算結(jié)果，確定解決循環(huán)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(chǎn)過程采用外循環(huán)固定床反應(yīng)裝置，為常壓間歇操作方式，液相溫度40～45℃。反應(yīng)釜R01內(nèi)的金屬鈷床層高度約400 mm，注入質(zhì)量分數(shù)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(zhì)量分數(shù)30%的H2O2?；旌先芤涸谥亓ψ饔孟峦ㄟ^鈷固定床，進行醋酸鈷的合成反應(yīng)，進入中間釜R02后在離心泵P01的作用下再次進入反應(yīng)釜R01。溶液酸度和醋酸鈷濃度合格后關(guān)閉H2O2進料，執(zhí)行醋酸鈷物料的轉(zhuǎn)釜操作。待轉(zhuǎn)釜操作結(jié)束，再開始下1批次的生產(chǎn)過程。

2 運行中存在的問題

醋酸鈷的生產(chǎn)過程間歇，每釜物料檢測合格后，需要先轉(zhuǎn)釜再進行下1批次的生產(chǎn)。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(guān)閉循環(huán)泵。通常結(jié)束轉(zhuǎn)釜操作時，釜內(nèi)物料基本被抽空。隨著中間釜R02液位逐漸降低，當(dāng)液層過低時，液面上方開始產(chǎn)生漩渦，而漩渦對氣相介質(zhì)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(xiàn)刺耳的噪聲、震動，引起機械密封失效、介質(zhì)泄漏［1］。在啟動下1批次生產(chǎn)時，離心泵及管道內(nèi)積聚的氣體使泵的啟動很不穩(wěn)定，常需人為干預(yù)，不僅增加工藝操作的復(fù)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(yīng)速度則不同，完成1釜醋酸鈷合成的反應(yīng)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(tài)。泄漏出的醋酸鈷在水份蒸發(fā)后，在泵下方形成紫紅色結(jié)晶體。該機械密封若不及時更換，可能發(fā)生大規(guī)模的跑料事故，造成產(chǎn)品污染、生產(chǎn)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(chǎn)運營，造成經(jīng)濟損失。

3 優(yōu)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(dāng)釜內(nèi)液層降至一定高度后聯(lián)鎖關(guān)閉離心泵，結(jié)束物料轉(zhuǎn)釜過程。

圖1釜底液位聯(lián)鎖圖

方案的關(guān)鍵在于確定合理的釜底液位聯(lián)鎖值。液位聯(lián)鎖值過大，則造成釜內(nèi)空間浪費，降低裝置生產(chǎn)能力。液位聯(lián)鎖值過低，則容易出現(xiàn)吸氣漩渦，對泵的穩(wěn)定運行不利。由于化工設(shè)備出流口的形狀、大小等不盡相同，開始出現(xiàn)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(jù)運動形態(tài)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(yīng)液面出現(xiàn)輕微凹陷，基本不吸氣，對機泵沒有影響，而應(yīng)盡量消除和禁止出現(xiàn)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(qū)的概念，即孔口上方具有明顯流速的區(qū)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(qū)的范圍。采用計算流體動力學(xué)軟件Fluent6.2對孔前流動影響區(qū)的流場特性進行了3維單相模擬，模擬結(jié)果與實驗基本吻合。當(dāng)液層高度較大時，孔前區(qū)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(qū)形狀偏扁，等速線開始出現(xiàn)凹形，相應(yīng)的模擬液層高度與實驗觀察到的開始出現(xiàn)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(qū)形狀接近半球形，HC與工況條件下的管口流動影響區(qū)頂端等高。當(dāng)液層高度H＜HC時，液面上方開始出現(xiàn)漩渦。因此，文中采用計算流體動力學(xué)（CFD）軟件計算出工況條件下的半球形管口流動影響區(qū)，取其頂端高度為HC，做為液位切斷循環(huán)泵的聯(lián)鎖值。

4 釜底液位聯(lián)鎖值的CFD數(shù)值計算

計算流體動力學(xué)（CFD）是伴隨著計算機技術(shù)、數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，只要是涉及流動、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等的工程問題，都可以用CFD軟件進行大量的數(shù)值計算。CFD技術(shù)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(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等方面均具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢［7］。

4.1 計算模型及邊界條件設(shè)置

中間釜R02直徑1 200 mm，封頭高300 mm，釜底出料口管線內(nèi)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(qū)域進行網(wǎng)格劃分。筒體、封頭及出料管壁面設(shè)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(jù)循環(huán)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(zhì)與水接近，因此，選用水為介質(zhì)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(wǎng)格節(jié)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(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壁面采用無滑移條件及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進行處理?？刂品匠倘缦拢?］：

質(zhì)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(xù)相的質(zhì)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(yīng)力張量。

4.3 計算結(jié)果

計算區(qū)域內(nèi)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(qū)。流動影響區(qū)的形狀近似半球形，見圖2（b）。在流動影響區(qū)內(nèi)，隨著流通截面縮小，流速逐漸增加，流動影響區(qū)以外的區(qū)域，流速變化很小。

圖2模擬計算結(jié)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(shù)據(jù)，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(dāng)釜內(nèi)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(lián)鎖關(guān)閉循環(huán)泵，將物料轉(zhuǎn)釜過程結(jié)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(huán)泵的機械密封泄漏問題。

圖3管口流動影響區(qū)等值線頂部速度V，m/s

5 結(jié)束語

在醋酸鈷間歇生產(chǎn)中，離心泵頻繁抽空，易導(dǎo)致機械密封泄漏。采用液位聯(lián)鎖停泵的控制方式，其實施效果關(guān)鍵在于液位控制值的設(shè)定。根據(jù)流動影響區(qū)的理論，應(yīng)用計算流體動力學(xué)（CFD）軟件模擬出工況條件下的半球形管口流動影響區(qū)，取其頂端高度HC作為液位切斷循環(huán)泵的聯(lián)鎖值，將物料轉(zhuǎn)釜過程結(jié)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(shè)備出流口的液位控制提供借鑒。