聚合釜設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

1、文獻(xiàn)綜述1聚合釜的現(xiàn)狀及發(fā)展我國PVC生產(chǎn)企業(yè)平均規(guī)模為年產(chǎn)8萬多噸，PVC生產(chǎn)處于低壟斷狀態(tài)。由于國產(chǎn)化PVC生產(chǎn)技術(shù)的成熟，在很大程度上降低了行業(yè)進(jìn)入門檻。行業(yè)內(nèi)和行業(yè)外企業(yè)為追求較高利潤，競相建設(shè)和擴(kuò)產(chǎn)，近幾年國內(nèi)PVC熱的顯著特征是大干快上。所謂大，是指規(guī)模大，新建改擴(kuò)建項(xiàng)目年生產(chǎn)規(guī)模動(dòng)輒十萬噸以上，二三十萬噸以上也不少見。未來PVC生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模將向40萬80萬t/a大規(guī)模水平發(fā)展，規(guī)模小的企業(yè)將由于技術(shù)水平較低、污染嚴(yán)重、生產(chǎn)成本高、競爭能力弱而逐步被淘汰1。 我國PVC行業(yè)采用大型聚合釜生產(chǎn)裝置成為近年來明顯的發(fā)展趨勢，前幾年北京化二在消化吸收國外引進(jìn)的先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷摸索實(shí)

2、踐，成功實(shí)現(xiàn)了70m3聚合釜成套工藝及關(guān)鍵技術(shù)的國產(chǎn)化，并在國內(nèi)很多聚氯乙烯生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了推廣應(yīng)用。70m3聚合釜由于長徑比適中、生產(chǎn)強(qiáng)度大、換熱能力好、運(yùn)輸方便、綜合性能好，在建設(shè)10萬t/a的聚氯乙烯生產(chǎn)裝置時(shí)具有較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益，但隨著新建或擴(kuò)建聚氯乙烯生產(chǎn)裝置規(guī)模越來越大，如建設(shè)20萬t/a以上生產(chǎn)裝置，需要采用至少2條生產(chǎn)線，采用70m3聚合釜就存在設(shè)備投資較大、建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用較高、單釜生產(chǎn)能力偏低、控制不方便等不足，目前不少廠家在進(jìn)行二期或三期擴(kuò)建項(xiàng)目時(shí)，首選是采用100m3,以上聚氯乙烯大型反應(yīng)釜2。在這種背景下，開發(fā)新型聚合釜及成套工藝技術(shù)就成為必然的趨勢。大型反應(yīng)釜的開

3、發(fā)不是簡單的容積擴(kuò)大，而是綜合技術(shù)的體現(xiàn)，涉及到多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)合作。北京化二與上海森松公司吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對聚合釜容積的選型、換熱方式、攪拌結(jié)構(gòu)和方式、關(guān)鍵配件選擇等進(jìn)行了認(rèn)真的討論研究并進(jìn)行了嚴(yán)格的計(jì)算，研制和開發(fā)了100 m3型聚合釜（該聚合釜正在申請專利），北京化二在吸收國內(nèi)外各種先進(jìn)工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套工藝技術(shù)。2聚合釜的設(shè)計(jì)2.1 聚合釜容積的選型 聚合釜容積的選型與制造費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用、運(yùn)輸條件、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量等密切相關(guān)。100m3聚合釜是引進(jìn)和吸收歐洲PVC聚合釜先進(jìn)技術(shù)，在國內(nèi)成功研究開發(fā)和制造的聚合釜。聚合釜直徑為4 300mm，內(nèi)夾

4、套直徑 4 200，筒體切線長度5 900，長徑比為1.38。釜體內(nèi)壁電解拋光，拋光精度Ra 0.1 um，機(jī)械密封使用壽命12 000 h以上，泄漏量小于5 mL/h3。設(shè)備總體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，可用于生產(chǎn)各種型號的懸浮法PVC樹脂，尤其是生產(chǎn)用于注塑料的高型號樹脂（SG7 和SG8樹脂），更顯出其獨(dú)特的優(yōu)勢，并實(shí)現(xiàn)全過程自動(dòng)化控制。 從運(yùn)輸條件來考慮，直徑#4 500以內(nèi)可以采用平板車運(yùn)輸，運(yùn)輸較為容易。從制造費(fèi)用上比較，100m3聚合釜制造費(fèi)用不高于400萬元/臺，而70m3聚合釜制造費(fèi)用約為二百七十萬元/臺，100m3聚合釜比較經(jīng)濟(jì)。從生產(chǎn)強(qiáng)度上來看，該聚合釜單釜生產(chǎn)設(shè)計(jì)能力達(dá)到4

5、.0萬t/a，20萬t/a聚氯乙烯生產(chǎn)裝置可以采用1條生產(chǎn)線控制，可以很好地滿足目前國內(nèi)新建或擴(kuò)建PVC裝置大型化的需要。2.2 聚合釜換熱方式的選擇與優(yōu)化 聚合釜的換熱能力的大小決定釜的生產(chǎn)能力，聚合釜的換熱能力取決于3個(gè)因素，即傳熱系數(shù)、換熱面積、換熱的溫差。 聚合釜的大型化的一個(gè)主要問題就是當(dāng)釜的直徑增大時(shí)，其釜壁實(shí)際厚度必須增加，否則達(dá)不到耐壓等級。一般氯乙烯單體聚合的最高溫度選為80oC，對應(yīng)的蒸汽壓力為1.5 Mp，考慮到安全系數(shù)，一般懸浮法聚氯乙烯聚合釜的設(shè)計(jì)最高工作壓力定為2.5 Mp。我國聚氯乙烯樹脂標(biāo)準(zhǔn)有8個(gè)牌號，SG-8樹脂的反應(yīng)溫度最高一般為6567 oC，對應(yīng)的壓力為

6、1.151.20 Mpa，其實(shí)際工作最高壓力不超過1.20 Mpa，聚合釜的設(shè)計(jì)最高工作壓力可以定為2.0 Mpa4。如70m3聚合釜的直徑為3 810，如果使用不銹鋼和碳鋼的復(fù)合鋼板的厚度為3mm + 27mm，而100m3聚合釜的直徑為4 250，如果使用復(fù)合鋼板的厚度為3mm + 30mm，100m3聚合釜壁的傳熱系數(shù)比70m3傳熱系數(shù)降低7%。因此，當(dāng)聚合釜的體積增大時(shí)，直筒段夾套和封頭的總換熱能力降低很多，表面積與體積比例從1.26降為1.00。如果不從工藝方面采取措施（如設(shè)置釜頂冷凝器等），聚合反應(yīng)時(shí)間將會(huì)增加25%。 換熱夾套方式可以分為傳統(tǒng)的釜外冷卻夾套方式和釜內(nèi)換熱夾套方式，

7、釜外夾套冷卻方式具有制造簡單，釜的內(nèi)壁既承擔(dān)承重的作用也要承擔(dān)換熱的功能，由于內(nèi)壁較厚其換熱能力較低；釜內(nèi)換熱夾套方式制造技術(shù)要求高，釜自身和反應(yīng)物料的重量由釜外殼來承擔(dān)，釜內(nèi)壁只是起到隔絕冷卻介質(zhì)和換熱的功能，可以很大程度地減少釜內(nèi)壁的厚度，提高傳熱系數(shù)，提高聚合釜的生產(chǎn)強(qiáng)度。 上海森松和北京化二對于聚合釜換熱方式進(jìn)行了研究。針對夾套的方式進(jìn)行了比較，認(rèn)為使用釜內(nèi)夾套應(yīng)用于懸浮法聚氯乙烯聚合釜是可行的。 對外夾套結(jié)構(gòu)而言，釜體壁厚是影響傳熱的主要部分，占總熱阻的56%以上，因此減少金屬壁厚的熱阻是提高聚合釜傳熱效率的主要方向，但釜體壁厚受壓力和材料強(qiáng)度的制約，無法進(jìn)一步減薄。 100m3聚合

8、釜采用不銹鋼復(fù)合鋼板內(nèi)夾套結(jié)構(gòu)的聚合釜型，可以同時(shí)解決聚合釜強(qiáng)度和傳熱的問題。使得夾套內(nèi)的冷卻水與釜內(nèi)的介質(zhì)僅隔幾毫米厚度，金屬壁厚的熱阻大大下降，提高了釜的傳熱系數(shù)。另外，全流通螺旋夾套結(jié)構(gòu)傳熱面積達(dá)到最大化。 上海森松和北京化二的技術(shù)人員對于夾套的方式進(jìn)行比較，重點(diǎn)對以下4種換熱內(nèi)夾套的方式進(jìn)行了研究，圖1為螺旋導(dǎo)流板全流通夾套結(jié)構(gòu)，圖2為半圓管夾套結(jié)構(gòu)，圖3為角鋼全流通內(nèi)夾套結(jié)構(gòu)，圖4為半管層疊焊接全流通內(nèi)夾套結(jié)構(gòu)。 通過對于聚合釜夾套方式的研究，認(rèn)為圖4半管層疊焊接全流通內(nèi)夾套結(jié)構(gòu)是最為理想的釜內(nèi)換熱夾套結(jié)構(gòu)，其換熱面積最大、傳熱系數(shù)最高，但制造水平要求高，制造成本較高，與之配套的防黏

9、釜技術(shù)水平較為困難，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。100m3聚合釜采用圖1和圖3為120條型復(fù)合鋼板（3+8 mm）焊接而成為全流通結(jié)構(gòu)或角鋼全流通內(nèi)夾套結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的傳熱系數(shù)均可以達(dá)到1 074kcal/m2.h.oc，是釜外夾套的1.4倍，其綜合性能最佳，解決了諸多技術(shù)難點(diǎn)，比較適合目前我國的現(xiàn)狀，應(yīng)用前景廣闊。2.3 攪拌器和內(nèi)冷擋板的選擇 （1）攪拌器的作用。到目前還沒有1個(gè)理論公式可完全精確地描述攪拌流場的狀況。攪拌流場是決定PVC樹脂性能的主要因素。攪拌流場是由循環(huán)流量和剪切強(qiáng)度組成。循環(huán)流量可以使用軸向循環(huán)次數(shù)和徑向循環(huán)次數(shù)來表征。實(shí)驗(yàn)中可以用示蹤粒子的徑向和軸向運(yùn)行軌跡的循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律來定量

10、，循環(huán)量是比較數(shù)據(jù)，很難用絕對的數(shù)值來表示，循環(huán)流量對于傳熱和水油的分散與混合起著重要的作用；剪切強(qiáng)度主要由攪拌器和釜內(nèi)擋板的相互作用提供，為懸浮液中的物質(zhì)之間提供傳質(zhì)并且使懸浮VCM液滴提供破碎和聚集的能量。釜內(nèi)擋板起到了破壞和改變流場狀況，強(qiáng)化剪切強(qiáng)度和提高流場的剪切性能的作用。剪切強(qiáng)度一般使用單位體積的攪拌功率來表征。 單位體積的攪拌功率越大，剪切力越強(qiáng)，分散劑使用量相對減少，配方中的分散劑使用與攪拌形式密切相關(guān)。分散劑的品種和使用量必須與攪拌器的型式匹配一致，才能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。 （2）攪拌漿安裝位置。攪拌形式按其安裝位置分為頂伸式攪拌器和底伸攪拌器。頂伸式攪拌器是普遍采用的攪拌形式

11、，由于攪拌軸較長，軸的底部設(shè)有固定軸瓦，容易產(chǎn)生塑化皮子。大型反應(yīng)釜一般采用底伸式攪拌器，與頂伸式攪拌比較，攪拌軸短而細(xì)，一般只有頂伸式的1/3，可以節(jié)約電能，但其制造水平要求高，尤其是攪拌軸密封系統(tǒng)要有不間斷的水沖洗，防止物料沉積。100m3聚合釜的設(shè)計(jì)采用底伸式攪拌形式，采用雙端面平衡型機(jī)械密封，密封環(huán)隙處配置注水系統(tǒng)，可以有效地防止懸浮物的沉積。 （3）漿葉形式。采用何種形式的攪拌葉要根據(jù)釜形狀、長徑比、擋板形式等因素考慮。在聚合反應(yīng)中，攪拌葉對懸浮物料起著混合和分散的作用，直接關(guān)系到顆粒的形態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量、分散劑的用量、傳熱效果等。攪拌器性能和效果主要決定于攪拌轉(zhuǎn)速、幾何尺寸和形狀等。1

12、00m3聚合釜的設(shè)計(jì)采用單層四葉渦輪平漿葉。 （4）攪拌速度。攪拌的轉(zhuǎn)速對于懸浮液的流場的狀態(tài)起到至關(guān)重要的作用，攪拌轉(zhuǎn)速越高，流場的混合和剪切就越強(qiáng)，但轉(zhuǎn)速太高將會(huì)導(dǎo)致電力浪費(fèi)。懸浮液體系隨著聚合反應(yīng)階段的不同，黏度逐漸變大，所需要的攪拌強(qiáng)度也應(yīng)該逐步加強(qiáng)。根據(jù)反應(yīng)原理，選用變頻器控制攪拌的轉(zhuǎn)速，在不同反應(yīng)階段，控制不同的攪拌轉(zhuǎn)速，達(dá)到聚合反應(yīng)的最佳效果5。 （5）變頻器。變頻器技術(shù)是集電力技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)為一體的先進(jìn)、成熟、可靠的自動(dòng)化技術(shù)。變頻器的工作原理是通過微電子器件、電力電子器件和控制技術(shù)，將供給電機(jī)定子的工頻交流電源經(jīng)過二極管整流成直流電，再由GTR , IGBT等逆變

13、為頻率可以調(diào)節(jié)的交流電源，此電源驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)后，電機(jī)定子電流下降，電源頻率下降，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況明顯改善，延長了使用壽命，降低了設(shè)備的維修費(fèi)用，轉(zhuǎn)距大、啟動(dòng)電流小，軟啟動(dòng)和停止時(shí)對于電網(wǎng)無沖擊。 現(xiàn)有70 m3聚合釜攪拌電機(jī)功率為160 Kw，實(shí)際輸出功率為80100 Kw，隨著轉(zhuǎn)化率的提高，體系黏度的上升，攪拌功率呈上升趨勢，一般不會(huì)超過100 Kw；105 m3聚合釜攪拌電機(jī)功率為315 Kw，而105 m3聚合釜的最大實(shí)際輸出功率不超過210 Kw，127 m3聚合釜電機(jī)功率為310 Kw，135 m3聚合釜電機(jī)功率為335 Kw，通過對100M3聚合釜的攪拌軸功率計(jì)算與實(shí)際

14、的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，將電機(jī)功率選定在250280 Kw較為合理。 100 m3聚合釜的設(shè)計(jì)增加了變頻器，可以將攪拌轉(zhuǎn)速控制在3065r/min。 （6）內(nèi)冷擋板。釜內(nèi)擋板的設(shè)計(jì)原則主要從3個(gè)方面考慮。a. 從傳熱角度考慮，內(nèi)冷擋板（管型）越多，傳熱面積越大，對于聚合的傳熱越有力，反應(yīng)時(shí)間越短；b. 從攪拌功能角度考慮，適度的安裝檔板，可以改變流體的狀況，增加剪切強(qiáng)度，有利于懸浮液的分散和混合；c. 從聚合反應(yīng)防黏釜角度考慮，內(nèi)冷擋板越少越好，最好不設(shè)內(nèi)冷擋板，釜內(nèi)結(jié)構(gòu)越簡單越好6。 100m3聚合釜經(jīng)過攪拌模擬試驗(yàn)和參考實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，綜合多種因素，選定在釜內(nèi)設(shè)有2塊三角型內(nèi)冷擋板，由于其換熱面積只

15、有4 m3，換熱效果可以忽略不計(jì)，擋板與釜壁聯(lián)結(jié)在一起，沒有任何死角，釜內(nèi)平滑通暢，可以很好地滿足氯乙烯懸浮聚合反應(yīng)的混合、剪切和循環(huán)的要求，在保持釜內(nèi)物料呈良好的懸浮狀態(tài)的同時(shí)，又可以兼顧防黏釜的問題。2.4 釜頂冷凝器 使用大型聚合釜，可以采用微機(jī)控制，批次之間樹脂質(zhì)量穩(wěn)定，且消耗定額低。但采用大聚合釜技術(shù)后，聚合釜的除熱問題一直沒有徹底解決。為獲得最佳熱平衡，國外在聚合釜外增加了回流冷凝器，顯著提高了聚合釜的除熱能力。對釜頂回流冷凝器有!種不同的觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為冷凝器導(dǎo)致了物料凝膠量增加。冷凝器通常是多管型的，安裝在聚合釜頂部，含有氯乙烯單體的蒸汽從反應(yīng)混合物中升入冷凝器，冷凝成液態(tài)，

16、在沒有保護(hù)膠的情況下，落入聚合釜中，會(huì)增加樹脂中的凝膠量；另一種相反的觀點(diǎn)則認(rèn)為回流冷凝器對氯乙烯單體與水的共沸混合物的除熱是非常有效的，這些冷凝液滴落到聚合釜中以后，在有攪拌的條件下，不會(huì)影響聚氯乙烯樹脂的質(zhì)量。 100 m3聚合釜釜頂冷凝器的面積根據(jù)循環(huán)水冷卻水的溫度不同而異，一般設(shè)計(jì)為140200 m2。同時(shí)采用回流冷凝器時(shí)，將體系內(nèi)的氮?dú)夂筒荒詺怏w排凈，防止惰性氣體聚集在冷凝器的頂部，影響冷凝效果的發(fā)揮。在配方設(shè)計(jì)中盡量不使用帶有揮發(fā)性的引發(fā)劑或溶劑，防止釜內(nèi)霧沫夾帶而使冷凝器堵塞。為防止在冷凝器內(nèi)產(chǎn)生黏壁物，提高換熱速度，凈化由回流冷凝器凈化的部分冷卻的單體和蒸汽，在轉(zhuǎn)化率達(dá)40%

17、70%時(shí)，為儲(chǔ)存冷凝氯乙烯單體提供了回收槽。另外將回流冷凝器的溫度要控制在比聚合釜低1015 oC，以防止回流冷凝器和聚合釜的聯(lián)接處產(chǎn)生結(jié)垢物。2.5 釜上關(guān)鍵配件的選擇 100 m3聚合釜設(shè)計(jì)采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的噴淋閥和專用柱塞式出料閥7。 噴淋閥有氣動(dòng)和電動(dòng)2種驅(qū)動(dòng)，目前電動(dòng)驅(qū)動(dòng)基本上取代了氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是工作平穩(wěn)、準(zhǔn)確，可進(jìn)行微機(jī)程控遠(yuǎn)距離控制；噴淋閥配有過載、短路、斷路等保護(hù)裝置，使用的安全可靠性大大加強(qiáng)；噴淋閥絲杠處安裝了防止操作人員誤操作造成超行程的防鎖死裝置，問題處理完畢后，打開防鎖裝置可繼續(xù)使用，不影響生產(chǎn)。 目前專為聚合釜配套的柱塞式出料閥有氣動(dòng)和電動(dòng)2種形式，大部分用戶

18、采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)裝置同時(shí)配備“短路”“、斷路”、“過載”等，綜合保護(hù)器可調(diào)節(jié)，性能安全可靠。由于采用柱塞式結(jié)構(gòu)，所以在開閉過程中運(yùn)行平穩(wěn)，密封性能好，阻力小，同時(shí)柱塞與釜口平齊，不會(huì)留下死角，避免對樹脂質(zhì)量造成影響。 電動(dòng)專用柱塞式出料閥是手動(dòng)出料閥的替代產(chǎn)品，它通過電力控制，電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)內(nèi)的蝸輪和蝸桿及閥桿的旋轉(zhuǎn)，使閥門中的柱塞做上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，通過行程開關(guān)控制柱塞移動(dòng)的距離，達(dá)到閥開、閥關(guān)的目的。2.6 聚合釜的安裝 70 m3聚合釜采用掛耳式支撐，受力點(diǎn)在建筑物距地7.8 m處。100 m3聚合釜采用裙座式支撐，考慮釜底的攪拌器和電機(jī)的位置、直徑較大的出料管道的安裝位置、出料泵和出

19、料過濾器等設(shè)備的安裝位置，將釜的裙座支撐在距地4 m高的建筑物框架上。3經(jīng)濟(jì)比較和發(fā)展前景 2003年以來，國內(nèi)聚氯乙烯行業(yè)由于除了石油路線外，還有電石路線，因此更成為投資的熱門，出現(xiàn)了多原料路線齊上的熱潮。行業(yè)內(nèi)競爭日趨激烈，競爭優(yōu)勢更多地體現(xiàn)為規(guī)模優(yōu)勢。采用100 m3聚合釜及成套工藝技術(shù)，在目前國內(nèi)聚氯乙烯生產(chǎn)企業(yè)建設(shè)大規(guī)模生產(chǎn)裝置（20萬t/a以上）中具有較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。以某企業(yè)建設(shè)40萬t/a聚氯乙烯生產(chǎn)裝置為例，采用70 m3聚合釜,需要20臺（每臺價(jià)格約為270萬元），而采用100 m3聚合釜，只需要10臺（每臺價(jià)格約為400 萬元），可節(jié)省設(shè)備投資約1 400萬元，同時(shí)聚合釜上的安全閥等配件也相應(yīng)減少。更重要的是，40萬 t/a聚氯乙