丁苯橡膠凝聚釜攪拌器的優(yōu)化改進(jìn)

王 輪 周恩余

（中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司橡膠一廠)

丁苯橡膠凝聚釜攪拌器的優(yōu)化改進(jìn)

王 輪*周恩余

（中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司橡膠一廠)

針對丁苯橡膠裝置100 m3凝聚釜在運(yùn)行中存在的攪拌效果不理想、釜內(nèi)液面容易積膠、攪拌軸擺動大、中間軸承易磨損、調(diào)節(jié)拉桿易斷裂等不足之處，提出了攪拌器改造方案。攪拌器采用CBY槳葉，取消中間軸承和調(diào)節(jié)拉桿，增大攪拌軸直徑。這次改造滿足了生產(chǎn)需要，改善了攪拌器攪拌效果，解決了攪拌器故障，延長了凝聚釜使用周期。

反應(yīng)釜 攪拌軸 攪拌器 丁苯橡膠 凝聚

0 前言

中石化北京燕山分公司橡膠一廠丁苯橡膠凝聚裝置B線采用兩臺100 m3凝聚釜和等壓溫差式熱水凝析工藝，釜內(nèi)采用上層推進(jìn)式攪拌器、下層圓盤渦輪攪拌器的雙層攪拌器。該設(shè)備生產(chǎn)之初，基本能滿足生產(chǎn)工藝的需要，但隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，逐漸暴露出凝聚釜攪拌分離效果不好、釜內(nèi)液面易積膠、攪拌裝置擺動大、調(diào)節(jié)拉桿易斷裂等問題，嚴(yán)重制約了裝置的高負(fù)荷生產(chǎn)。因此，對凝聚釜攪拌器進(jìn)行優(yōu)化改造以滿足生產(chǎn)工藝的需要已成為當(dāng)務(wù)之急。

1 凝聚釜結(jié)構(gòu)簡介

凝聚釜由釜體和攪拌裝置兩大部分組成。釜體由不銹鋼 (1Cr18Ni9Ti)及碳鋼 (A3F)組焊而成，釜體總高為10.82 m（包括上下封頭，圓柱段高為9 m），釜體內(nèi)壁直徑為3.6 m，設(shè)計(jì)容積為100 m3，電機(jī)功率為75 kW，攪拌器轉(zhuǎn)速為112 r/min。攪拌器采用雙層組合槳，其中上層采用推進(jìn)式攪拌器 （葉輪直徑為1.2 m，d/D=0.33），底層采用六平直葉渦輪攪拌器 （葉輪直徑為1.1 m，d/D=0.31），兩葉輪間的層間距為2.9 m，底層槳葉距釜底1.16 m。釜內(nèi)安裝四塊擋板，擋板寬度0.3 m，沿釜壁豎直延伸，間隔90°。1#凝聚釜入口采用4個(gè)90°間隔分布的膠液噴嘴，噴嘴方向與水平成45°角，并指向圓盤渦輪的葉片。2#凝聚釜膠液溢流管其入口距釜底垂直距離為4.3 m，與水平成45°角進(jìn)入2#凝聚釜。2#凝聚釜水膠粒出口為水平側(cè)出，與釜底垂直距離為1.6 m。

在丁苯橡膠的工業(yè)生產(chǎn)中，凝聚過程是在兩個(gè)釜中不間斷進(jìn)行的。1#凝聚釜底部噴入低壓蒸汽，釜內(nèi)操作壓力控制在0.07 MPa以下。由于在首釜體系中油多膠少，故溶劑的分壓較大，利用這一點(diǎn)，釜內(nèi)液體溫度控制在98±2℃。在機(jī)械攪拌和蒸汽的共同作用下，膠液在熱水中分散為直徑5～20 mm的膠粒，膠液中的95%以上的溶劑油由1#凝聚釜頂部蒸出。脫除大部分溶劑的膠粒和熱水一起由溢流管送入2#凝聚釜。2#凝聚釜底部也噴入低壓蒸汽，在與1#凝聚釜等壓的狀態(tài)下，釜內(nèi)液體溫度控制在102±2℃。在2#凝聚釜中在機(jī)械攪拌和蒸汽的共同作用下，膠粒進(jìn)一步脫除剩余的溶劑。凝聚好的膠粒與熱水一起由膠粒水泵送入后處理單元。

在正常操作條件下，1#凝聚釜的蒸汽消耗為3.5～4.5 t/h， 操作壓力控制在0.04～0.05 MPa， 釜溫設(shè)定在 98±2℃，循環(huán)熱水流量為150～160 m3/h，噴膠量約為30 m3/h，水膠比為4.0～6.0。設(shè)定的操作液位在由上至下第二個(gè)視鏡下弦處，此處距上層推進(jìn)式葉輪中心線約1.5 m，液深5.4 m。2#凝聚釜的蒸汽消耗為 1.5～2.5 t/h，操作壓力控制在0.04～0.05 MPa，釜溫設(shè)定在102±2℃，水膠粒出口流量為120～150 m3/h，操作液位與1#凝聚釜基本持平。

2 凝聚釜攪拌器存在的主要問題及其原因

2.1 攪拌器存在的主要問題

通過對2009～2010年丁苯橡膠凝聚裝置B線凝聚釜檢修情況的整理分析，原凝聚釜主要存在以下兩個(gè)問題：

（1）攪拌軸擺動量大。攪拌器中間軸承的調(diào)節(jié)拉桿經(jīng)常發(fā)生斷裂；中間軸承和底軸承容易磨損，設(shè)備可靠度低。

（2）攪拌混合效果不佳。膠液容易積聚坨釜；蒸汽消耗量較大 （在噴膠量為15～22 m3/h情況下，消耗蒸汽 2～3 t/h）。

2.2 攪拌器存在問題的原因

2.2.1 攪拌軸擺動量大

原凝聚釜攪拌軸采用上、下兩軸剛性連接，上軸長5872 mm，下軸長5515 mm，上、下軸最大直徑為140 mm，最小直徑為90 mm，屬于撓性軸。從整個(gè)軸系分析，主軸總長11 387 mm，底部軸承、中間軸承和頂部機(jī)封軸承三個(gè)支點(diǎn)支承使軸產(chǎn)生靜不定［1］。

原凝聚釜中間軸承采用球套＋直套的方式，球套的材質(zhì)是酚醛樹脂，直套的材質(zhì)是2Cr13，球套與直套的間隙為0.5 mm。采用這種結(jié)構(gòu)的目的是為了緩減調(diào)節(jié)拉桿和攪拌軸之間的相互作用力。但由于2Cr13與酚醛樹脂硬度和耐磨性能的差異，在運(yùn)行過程中，球套磨損程度遠(yuǎn)大于直套。于是，球套與直套之間的間隙增大，造成攪拌軸擺動加大，同時(shí)也使三根調(diào)節(jié)拉桿受力嚴(yán)重不均，導(dǎo)致調(diào)節(jié)拉桿斷裂或脫落。調(diào)節(jié)拉桿的斷裂脫落又進(jìn)一步加大了攪拌軸的擺動，最終造成攪拌軸嚴(yán)重彎曲或斷裂。

2.2.2 攪拌混合效果不佳

凝聚釜攪拌器采用上層推進(jìn)式攪拌器和下層六平直葉圓盤渦輪攪拌器組成雙層組合槳，兩攪拌器層間距2.9 m。由于凝聚釜的釜體高度和釜體直徑比達(dá)到3∶1，為了產(chǎn)生軸向循環(huán)流動，上層攪拌采用螺旋槳推進(jìn)式葉輪，在攪拌器轉(zhuǎn)動的作用下，液體向下產(chǎn)生較強(qiáng)的軸向流，并在釜內(nèi)形成循環(huán)。通過凝聚釜視鏡可以觀察到，由于層間距較大 (L/D=0.81)，兩層葉輪之間區(qū)域的軸向循環(huán)作用雖然存在，但并不強(qiáng)烈，因此在釜內(nèi)實(shí)現(xiàn)的整體循環(huán)流動性不強(qiáng)，混合所需的時(shí)間較長。溢流管入口略高于2#凝聚釜上層槳葉中心線，從1#凝聚釜溢流出的膠粒水經(jīng)此入口進(jìn)入2#凝聚釜，于是易造成上層槳附近區(qū)域的膠粒濃度大于釜內(nèi)其他區(qū)域。在操作液位波動時(shí)，這種現(xiàn)象更為明顯。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，在原雙層組合槳條件下，2#凝聚釜僅在噴膠量小于25 m3/h時(shí)才能正常生產(chǎn)。超過25 m3/h時(shí)，釜內(nèi)液面漂浮的膠粒層厚度將迅速增加，因此必須加大出料，而加大出料必然增加出水量，從而導(dǎo)致出料口膠粒濃度又變小，進(jìn)出料平衡狀態(tài)被打破，無法進(jìn)行正常生產(chǎn)。

3 凝聚釜攪拌器優(yōu)化改進(jìn)

由于攪拌軸是撓性軸，因此通過三根調(diào)節(jié)拉桿進(jìn)行限位，以防止其擺動量過大。但三根調(diào)節(jié)拉桿一旦損壞，操作人員不容易馬上發(fā)現(xiàn)此故障，等到發(fā)現(xiàn)故障后，中間軸承和軸已發(fā)生嚴(yán)重磨損。此外，檢修的工作量大，需要對釜倒空置換才能進(jìn)行檢修。因此，迫切需要對該攪拌器軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

3.1 攪拌器改進(jìn)的條件限制

（1）利用原有的電機(jī)和減速機(jī)，保持電機(jī)功率75 kW不變，攪拌器轉(zhuǎn)速不變。

（2）原設(shè)備機(jī)架保持不變。

（3）原工藝技術(shù)條件和操作方法不改變。

3.2 改進(jìn)方案實(shí)施

為了在滿足生產(chǎn)工藝要求的條件下徹底解決攪拌軸擺動量大、調(diào)節(jié)拉桿容易折斷等問題，經(jīng)過反復(fù)研究和論證，提出了下述改進(jìn)方案：

（1）攪拌軸改為三軸連接。上軸和下軸直徑均增大，上軸與中軸連接處直徑140 mm；下軸與中軸連接處直徑170 mm。

（2）將主軸 （中軸）改為?219 mm×24 mm的空心軸，取消中間軸承和調(diào)節(jié)拉桿，由三點(diǎn)支承改為兩點(diǎn)支承，解決靜不定問題。

（3）攪拌槳葉形式優(yōu)化改造。攪拌器層數(shù)由原來的兩層改為三層；將原上層使用的?1200 mm推進(jìn)式攪拌器改為兩層?1300 mm CBY（長薄葉）槳葉，中間間距1500 mm；原下層使用的?1100 mm六直葉圓盤渦輪攪拌器改為?1100 mm六斜葉圓盤渦輪攪拌器，下層攪拌槳葉距釜底1500 mm[1]。

（4）底軸承將原酚醛樹脂直套改為鑲嵌硬質(zhì)合金套，以增加其耐磨性。底軸承采用支架結(jié)構(gòu)，方便檢修。

（5）傳動軸與減速機(jī)輸出軸采用剛性連接方式，以減小傳動軸擺動量，使傳動軸的擺動量達(dá)到機(jī)械密封的許可值，滿足安裝機(jī)械密封部位對軸的擺動量要求。

4 攪拌器功率消耗計(jì)算

對攪拌器采用的CBY+CBY+6直葉圓盤渦輪組合進(jìn)行功率計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，攪拌軸消耗的軸功率滿足原攪拌軸設(shè)計(jì)功率的要求。計(jì)算數(shù)據(jù)如下 [2-3]：

雷諾數(shù)Re=2210；

攪拌器功率準(zhǔn)數(shù)Np=4；

功率因數(shù) cosφ=0.9；

推進(jìn)式攪拌器直徑d1=1300 mm；

六直葉圓盤渦輪攪拌器直徑d2=1100 mm；

攪拌軸轉(zhuǎn)速n=114 r/min。

5 攪拌軸設(shè)計(jì)校核

根據(jù)扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算攪拌軸直徑，所選用?219 mm×24 mm的空心軸滿足剛度要求。根據(jù)攪拌軸臨界轉(zhuǎn)速和強(qiáng)度計(jì)算，所選用攪拌軸滿足相應(yīng)的要求。計(jì)算的技術(shù)參數(shù)如下[4-6]：

電機(jī)功率P=75 kW;

攪拌軸轉(zhuǎn)速n=114 r/min;

軸的許用扭轉(zhuǎn)角 [γ]=0.7°/m；

軸的剪切彈性模量G=81 000 MPa；

空心軸內(nèi)外徑比值N0=0.78;

攪拌軸總長L=11 387 mm;

流體徑向力系數(shù)K=0.16;

平衡精度等級Gp=6.3 mm/s;

材料抗拉強(qiáng)度 [σb]=520 MPa;許用剪切應(yīng)力 [τ]=32.5 MPa。

由于攪拌軸軸徑同時(shí)滿足剛度、臨界轉(zhuǎn)速和強(qiáng)度的要求，因此，攪拌軸改造所選的軸徑是合理的。

6 凝聚釜攪拌器改進(jìn)后的效果

攪拌器改造后運(yùn)行半年來，設(shè)備底軸承未發(fā)現(xiàn)損壞現(xiàn)象，機(jī)械密封運(yùn)行良好，設(shè)備運(yùn)行周期明顯增長，物料混合效果也好于改造前。從后處理顆粒管線緩沖罐出口觀察，B線的物料顆粒平均直徑為5～10 mm，比改造前的物料顆粒平均直徑8～15 mm要小，釜面很少發(fā)生積膠的情況。

攪拌器的改進(jìn)對凝聚釜的生產(chǎn)能力具有較大的影響。2011年9月份，我們對改造前后的能耗進(jìn)行了對比。B線凝聚釜攪拌裝置改造后，蒸汽的消耗量有所下降，電流有所上升。表1列出了改造前后B線凝聚釜各項(xiàng)操作參數(shù)和性能的對比。

7 結(jié)論

（1）從實(shí)際運(yùn)行情況看，改進(jìn)后的攪拌器自投用以來運(yùn)行狀態(tài)一直平穩(wěn)。丁苯橡膠100 m3凝聚釜采用三層攪拌槳是比較合理的，其中上層和中層選用CBY槳葉、下層選用圓盤六斜葉渦輪槳能滿足丁苯橡膠生產(chǎn)工藝的要求。

表1 凝聚釜各項(xiàng)操作參數(shù)和性能對比

（2）丁苯橡膠100 m3凝聚釜采用大直徑的空心軸、取消中間軸承和調(diào)節(jié)桿的方案是可行的，解決了軸擺動量大的問題。

（3）下一步還需要對凝聚釜攪拌系統(tǒng)做進(jìn)一步的改進(jìn)。通過改變攪拌槳葉的葉片傾角和攪拌器直徑等方法來降低電機(jī)的功率消耗，使其達(dá)到更好的運(yùn)行狀況。

[1]陳志平，章序文，林興華，等.攪拌與混合設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]王凱，虞軍.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書——攪拌設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[3]王凱，馮連芳.混合設(shè)備設(shè)計(jì) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[4]曲文海.壓力容器與化工設(shè)備實(shí)用手冊 （下冊） [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[5]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 （第一卷） [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[6]劉鴻文.材料力學(xué) [M].北京：高等教育出版社，1993.

Optimal Improvement of Mixer of SBR Agglomeration Reactor

Wang Lun Zhou Enyu

There are some problems during operation of 100 m3SBR agglomeration reactor,such as unsatisfactory stirring effect,easy to plot glue in the liquid surface,big stirring shaft swing,easy to wear out,easy broken adjustment rod and so on.For the problems,improvements are proposed,including using CBY blade,cancelling intermediate bearing and adjustment rod,and increasing the stirring shaft diameter.The improvement satisfies the need of production,improves the mixing effect,solves the stirrer fault,and prolongs the life of agglomeration reactor.

Reactor;Stirring shaft;Mixer;Styrene butadiene rubber;Agglomeration

TQ 051.7+2

*王輪，男，1978年生，工程師。北京市，102500。

2012-06-11）