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无泄漏泵选型浅析

作者:陈慧聪 兖矿鲁南化工 浏览: 发表时间:2020-09-23 14:06:26 来源:《中氮肥》

【摘要】己内酰胺生产系统中涉及的化工原料多为强腐蚀性、有毒有害、易燃易爆的介质,运行中对无泄漏的要求高于一般化工产品,无泄漏泵(主要包括磁力泵和屏蔽泵)的选型尤为关键。


结合兖矿鲁南化工有限公司拟建300kt/a己内酰胺装置工艺流程的特点,简介磁力泵和屏蔽泵的工作原理,对比分析磁力泵和屏蔽泵之结构参数、性能参数、采购成本、运行维护和故障处理等方面的优缺点,总结国内部分己内酰胺及类似产品生产装置内无泄漏泵的选型情况,并对己内酰胺装置之氨肟化系统和己内酰胺精制系统的无泄漏泵选型提出建议。

 

0 引言


己内酰胺全称ε-己内酰胺(英文名称Cap-rolactam,缩写CPL),是重要的中间体和化工原料。目前,工业上主流的己内酰胺生产路线为苯部分加氢生产环己烯、环己烯水合生产环己醇、环己醇脱氢生产环己酮,环己酮氨肟化生产环己酮肟、环己酮肟经贝克曼液相重排及中和结晶生产己内酰胺。


生产中涉及的主要化工原料有苯、甲苯、液氨、叔丁醇、氢气、双氧水、环己烷、环己酮、环己酮肟、发烟硫酸、硝酸等,这些介质之特性多为强腐蚀性、有毒有害、易燃易爆,对生产系统的无泄漏要求高于一般化工产品,因而工艺过程中应采用无泄漏泵输送这些介质,以有效减少泄漏、提升装置的安全等级。

1 国内己内酰胺产业概况


早在上世纪50年代末,我国己内酰胺产业已开始发展,但未形成工业化生产规模。己内酰胺产能在2012—2017年之间迅速增长(见表1),由1210kt/a增至3530kt/a。



2018年国内己内酰胺总产能达3840kt/a,新增产能只有福建天辰耀隆新材料有限公司己内酰胺装置由280kt/a扩能至350kt/a和12月底福建永荣控股集团有限公司200kt/a己内酰胺装置投产,整体增幅不大。


预计至2021年新上装置及扩能装置完全投产,国内己内酰胺产能将达到5000kt/a以上,届时,早期投产的老旧装置会因系统配置低、运行维护成本高等面临被淘汰,而新上装置在安全环保等方面也将面临更严苛的要求,因此,系统内无泄漏泵的选型若无更好的解决方案,必然会造成其故障率及维护成本居高不下,难以适应新形势的需要。


应用于工业生产的无泄漏泵主要有磁力泵和屏蔽泵,这两种泵既有相似相近之处,又有各自的特点和优势。随着行业的发展和经验的积累,应用于己内酰胺装置的无泄漏泵选型理念也在不断地进步与更新。


兖矿鲁南化工有限公司(简称鲁南化工)拟建300kt/a己内酰胺项目(可利用现有240kt/a合成氨装置,并配套新建PSA制氢装置及水、电、气、汽等公用工程;总包单位为中国天辰工程有限公司),以下结合系统工艺流程的特点,就己内酰胺装置中无泄漏泵的选型等作相关分析。

2 磁力泵与屏蔽泵的对比


2.1 工作原理


2.1.1 磁力泵


磁力泵主体结构见图1。电机通过联轴器驱动输入轴转动,外磁缸安装在输入轴上,与输入轴一起转动;内磁缸与外磁缸在永磁铁(材质为钐钴或钕铁硼)的磁场作用下同步转动,安装在内磁缸上的转子在内磁缸的驱动下带动叶轮转动,使泵壳内的液体在离心力的作用下离开泵出口,完成电能到机械能再到液体动能和势能的转换。



为避免内磁缸和外磁缸因强磁力吸附在一起无法独立转动,两者之间采用能够抵抗介质腐蚀和耐温的非磁性材料制作的隔离罩进行隔离,并把工艺介质密封在泵壳一侧,设计上只存在静密封而没有动密封,达到理论上的“无泄漏”。


2.1.2 屏蔽泵


屏蔽泵主体结构见图2。屏蔽泵是离心泵和三相鼠笼式异步电机的共同体。叶轮、转子组件等共同组成转动部件,转动部件完全浸在液体介质中;在定子内侧镶装屏蔽套隔离定子腔和转子腔,并将工艺介质密封在泵壳一侧,达到理论上的“无泄漏”。



转子屏蔽套镶装在转子外表面,保护转子免受介质腐蚀;电机转子压装在泵轴上,共同组成转子组件在电磁作用下做离心转动。转子屏蔽套和定子屏蔽套均由耐腐蚀的非磁性材料制作而成。


2.2 结构参数


磁力泵与屏蔽泵结构参数的对比见表2(有关参数为设备固有属性,作为选型依据)。磁力泵采用永磁体的磁力传动模式,其内件厚度和配合间隙与屏蔽泵相比均要略大一些,因此磁力泵对介质含固量、洁净度的要求相对较低。而屏蔽泵对介质内的杂质较为敏感,要求介质洁净(不含固体颗粒),极细微的杂质也可能导致屏蔽套磨穿和电机烧毁事故的发生。




2.3 性能参数


磁力泵有3个转动部件,靠永磁磁场(磁片)间接传递动能,存在辅助能耗和磁力损失,因此磁力泵整体效率比屏蔽泵低约5%,大功率泵可能低约10%。屏蔽泵的电机和泵体采用的是同一根轴,电磁直接作用在转子上(即轴上),能耗损失较小,其效率略高。


总的来说,功率75kW以下时,这两种泵能耗差别不大;功率75kW以上时,功率越大,磁力泵能耗相对越大。此外,磁力泵永磁体的耐温能力相对较弱,与屏蔽泵相比,磁力泵的设计选型范围相对较窄。磁力泵与屏蔽泵性能参数的对比见表3。




2.4 采购成本、运维管理和故障处理等


无泄漏泵出现故障后的维修及恢复备车过程中,磁力泵与屏蔽泵的差异较大,屏蔽泵因其屏蔽套采用焊接结构,且磨穿后会导致线圈烧毁,只能返厂维修。磁力泵与屏蔽泵其他方面(采购成本、运维管理和故障处理等)的对比见表4。



3 业内无泄漏泵的选型情况


3.1 天辰公司设计的己内酰胺装置


中国天辰工程有限公司较早前参与设计的山东海力化工股份有限公司、福建天辰耀隆新材料有限公司己内酰胺装置(已投产)无泄漏泵选用屏蔽泵,之后参与的山西兰花科创股份有限公司己内酰胺装置扩能设计(已投产)采用磁力泵替换部分屏蔽泵。


3.2 其他设计院设计的己内酰胺装置


鉴于己内酰胺生产工艺的严格保密现状,目前了解到的有关信息相对有限。浙江巴陵恒逸己内酰胺有限责任公司己内酰胺装置由湖南百利工程科技股份有限公司设计,装置中所有无泄漏泵均选用磁力泵。中国平煤神马集团尼龙科技有限公司己内酰胺装置由浙江工程设计有限公司设计,装置中无泄漏泵多采用屏蔽泵。


3.3 类似产品(聚甲醛)生产装置


鲁南化工一期聚甲醛装置大量采用屏蔽泵,运行期间屏蔽泵频繁出现备泵内介质凝固导致的拆泵检修,主要原因是屏蔽泵启动前无法盘车,泵内介质长时间不流动而出现变质、凝固状况;其中1/3因故障频繁返厂维修时间长(1~1.5个月)等原因,改为普通离心泵。鲁南化工二期聚甲醛装置无泄漏泵选型均为磁力泵,部分为夹套式磁力泵。


4 己内酰胺装置主流程无泄漏泵选型建议


己内酰胺装置主流程可划分为氨肟化系统、己内酰胺精制系统、硫酸铵系统,其中涉及到需采用无泄漏泵的区域为氨肟化系统和己内酰胺精制系统。


4.1 氨肟化系统I类工艺介质


氨肟化系统的I类工艺介质——氨、叔丁醇、水、甲苯、环己酮、环己醇的溶液或混合液,较洁净、不含固体颗粒,粘度0.308~0.330mPa·s(试验数据),介质输送设计流量≤150m3/h,电机功率≤50kW,这类介质工况条件温和、洁净度高且粘度不大,可选屏蔽泵;但若考虑到管理维护方便、现场空间限制因素少,也可以选磁力泵(为主)。


4.2 氨肟化系统II类工艺介质


氨肟化系统的II类工艺介质——甲苯、环己酮肟、微量钛硅催化剂等的溶液或混合液,含微量催化剂颗粒,粘度>0.38mPa·s(试验数据),介质输送设计流量≤150m3/h,电机功率≤50kW,这类介质含固体颗粒且粘度较大,不宜选无泄漏泵,只能采用普通离心泵。


4.3 己内酰胺精制系统I类工艺介质


己内酰胺精制系统I类工艺介质———己内酰胺、水、硫铵等的溶液或混合液,腐蚀性较强,含极微量细微催化剂颗粒,粘度0.33~0.38mPa·s(试验数据),介质输送设计流量≤100m3/h,电机功率≤55kW,这类介质含细微固体颗粒且粘度不大,可选磁力泵,不宜选用屏蔽泵。


4.4 己内酰胺精制系统II类工艺介质


己内酰胺精制系统II类工艺介质———己内酰胺、水、碱等的溶液或混合液,腐蚀性较强,洁净度高,粘度0.33~0.38mPa·s(试验数据),介质输送设计流量≤200m3/h,电机功率≤75kW,这类介质建议选用屏蔽泵。


4.5 己内酰胺精制系统III类工艺介质


己内酰胺精制系统III类工艺介质———己内酰胺溶液,洁净度高,粘度>0.38mPa·s(试验数据),介质输送设计流量≤200m3/h,电机功率≤75kW,这类介质粘度高、易结晶,建议选用磁力泵。



5 结束语


己内酰胺生产系统内的工艺介质不仅有毒有害、易燃易爆,且部分介质粘度高、熔点高、易结晶(如环己酮肟、己内酰胺),因此其无泄漏泵的选型对于系统长周期、稳定运行而言至关重要。据磁力泵和屏蔽泵的结构原理、性能参数以及运行维护和故障处理方式上的差异,并对国内部分己内酰胺及类似产品生产装置无泄漏泵选型、运行情况的调研,我们不难得出结论:


工艺流程中输送的介质含固体颗粒(如钛硅催化剂)、硫酸铵等时,不能选用无泄漏泵;介质洁净、粘度不高的可选用屏蔽泵;介质较洁净或含微量细微颗粒、粘度适中的可选用磁力泵,而粘度较高、易结晶的可选用夹套式磁力泵。总的来说,如今己内酰胺装置所用无泄漏泵的选型已由最初的以屏蔽泵为主逐步转变为以磁力泵为主,针对不同的工艺介质,合理的无泄漏泵选型不仅可为今后装置的长周期、稳定运行打下基础,而且能减少装置的运营维护成本。


[参考文献]
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