106 m3內(nèi)膽式PVC聚合釜的研制

楊春輝 ,劉路新，李建輝，陸曉峰，趙國程，張濤，羅忠新

(1.葫蘆島華遠(yuǎn)化工機(jī)械裝備有限公司，遼寧 葫蘆島 125003；2.唐山三友氯堿有限責(zé)任公司，河北 唐山 063305)

國內(nèi)106 m3PVC聚合釜及其工藝技術(shù)是在20世紀(jì)90年代從歐洲乙烯公司引進(jìn)的105 m3PVC聚合釜裝置及其工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，該裝置及其工藝技術(shù)與當(dāng)時國內(nèi)PVC發(fā)展水平、規(guī)模相比，具有大型化、高轉(zhuǎn)化率、助劑無毒化等特點，且控制系統(tǒng)高度自動化；其生產(chǎn)過程采取密閉入料方式，具有汽提效率高、VCM殘留量低、樹脂顆粒均勻、表觀規(guī)整、增塑劑吸收性好等特性；生產(chǎn)的PVC樹脂易于塑化、便于加工，可使塑料加工企業(yè)的生產(chǎn)能力提高15%以上；使用該PVC樹脂加工生產(chǎn)的塑鋼門窗、管材、管件等成品的外觀白度、光滑度顯著提高，且更耐沖擊、彎曲、老化。

隨著該引進(jìn)裝置及其工藝技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用，經(jīng)過PVC行業(yè)人士對其工藝技術(shù)的吸收、改進(jìn)和創(chuàng)新，以及國內(nèi)裝備研制水平的不斷提高，特別是聚合釜等核心設(shè)備的改進(jìn)和創(chuàng)新，形成了目前國內(nèi)特有的106 m3PVC聚合釜及其工藝技術(shù)，在保證原有引進(jìn)裝置特點和樹脂顆粒優(yōu)秀特性的前提下，設(shè)備產(chǎn)能及樹脂質(zhì)量進(jìn)一步提高。

1 106 m3 PVC 聚合釜的研制情況

截至目前，在保持設(shè)計壓力、設(shè)計溫度等參數(shù)不變的前提下，國內(nèi)聚合釜制造廠家研發(fā)的106 m3PVC 聚合釜有以下3種釜型。

1.1 106 m3半管外夾套PVC 聚合釜

106 m3半管外夾套PVC 聚合釜是傳統(tǒng)釜型，目前已逐漸成為我國PVC生產(chǎn)的主要釜型，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 106 m3半管外夾套PVC 聚合釜結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Diagram of structure of 106 m3 PVC polymerizer with external half-pipe jacket

葫蘆島華遠(yuǎn)化工機(jī)械裝備有限公司(以下簡稱華遠(yuǎn)化機(jī))為唐山三友氯堿有限責(zé)任公司研制的106 m3半管外夾套PVC聚合釜(以下簡稱原始釜型)是通過設(shè)計優(yōu)化和應(yīng)用華遠(yuǎn)化機(jī)的整體一次性電解拋光專利技術(shù)制造的，單釜產(chǎn)能達(dá)到4萬t/a，清釜周期每年1～2次，生產(chǎn)過程平穩(wěn)，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)異。

1.2 106 m3內(nèi)夾套PVC聚合釜

106 m3內(nèi)夾套PVC 聚合釜分為2種釜型。

(1)第1種106 m3內(nèi)夾套PVC聚合釜。

第1種106 m3內(nèi)夾套PVC聚合釜結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 第1種106 m3內(nèi)夾套PVC聚合釜結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Diagram of structure of first kind of 106 m3 PVC polymerizer with internal jacket

第1種106 m3內(nèi)夾套PVC聚合釜主要將原半管外夾套改為內(nèi)夾套，并向內(nèi)凸起，由50余條窄環(huán)圈焊接而成，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致該型釜可能存在如下問題。

①由于內(nèi)夾套是由50余條窄環(huán)圈焊接而成的，焊縫間隔僅為120 mm左右，造成焊接應(yīng)力過于集中，且由于聚合釜釜體不銹鋼復(fù)層的存在，沒有合適的方法消除大部分焊接應(yīng)力，而設(shè)備在運行過程中，隨著冷熱交替、物料沖擊等多種因素的作用，應(yīng)力不斷釋放，使釜體內(nèi)漏的概率大大增加。

②內(nèi)夾套向內(nèi)凸起，在攪拌器上方形成一個封閉環(huán)狀的擋環(huán)，根據(jù)攪拌過程基本理論及多年試驗研究經(jīng)驗可知，該擋環(huán)改變了流場內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對流場會產(chǎn)生消極影響，甚至產(chǎn)生死區(qū)，從而影響最終樹脂產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。生產(chǎn)實踐最終也證明，該型釜的流場無法滿足相應(yīng)的化工工藝要求，不得不進(jìn)一步改造。

該型釜改造后結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 第1種106 m3內(nèi)夾套PVC 聚合釜改造后結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Diagram of improved structure of first kind of 106 m3 PVC polymerizer with internal jacket

改造方案是應(yīng)用一段錐體把內(nèi)夾套凸向釜內(nèi)的部分過渡到封頭弧段，該型釜按圖3改造完成后，流場狀態(tài)有所好轉(zhuǎn)，但仍無法達(dá)到原始釜型的技術(shù)性能。

(2)第2種106 m3內(nèi)夾套PVC聚合釜。

鑒于第1種106 m3內(nèi)夾套聚合釜存在的問題，國內(nèi)廠家又研制了第2種內(nèi)夾套釜型，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 第2種106 m3內(nèi)夾套PVC 聚合釜結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Diagram of structure of second kind of 106 m3 PVC polymerizer with internal jacket

汲取了第1種106 m3內(nèi)夾套PVC 聚合釜因改變釜內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸而造成的流場狀態(tài)惡化的教訓(xùn)，第2種106 m3內(nèi)夾套PVC 聚合釜的設(shè)計保持了釜體內(nèi)部流場不變，即釜體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、尺寸與原始釜型相同。從結(jié)構(gòu)、尺寸的角度看，相當(dāng)于把第1種內(nèi)夾套釜型向內(nèi)凸起的內(nèi)夾套擴(kuò)張至與封頭內(nèi)表面平齊，解決了第1種釜型中因流場改變而產(chǎn)生的消極影響。

但該釜型的內(nèi)夾套仍是由50余條窄環(huán)圈焊接而成，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致釜體內(nèi)漏概率大大增加的問題仍然存在。

1.3 106 m3內(nèi)膽式PVC聚合釜[1-2]

106 m3內(nèi)膽式PVC聚合釜是華遠(yuǎn)化機(jī)研制的新型聚合釜產(chǎn)品，在大幅度提高傳熱能力的同時，通過攪拌試驗研究手段，對攪拌能力進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，設(shè)計產(chǎn)能達(dá)到4.8萬～5萬t/a，采用的內(nèi)膽式結(jié)構(gòu)華遠(yuǎn)化機(jī)已經(jīng)申報國家專利。該內(nèi)膽式結(jié)構(gòu)在理論上可應(yīng)用于所有規(guī)格的PVC聚合釜，可大大提升聚合釜的產(chǎn)能，是一項具有劃時代意義的突破技術(shù)，將促進(jìn)我國PVC 行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

106 m3內(nèi)膽式PVC 聚合釜結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示，技術(shù)參數(shù)見表1。

圖5 106 m3內(nèi)膽式PVC 聚合釜結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Diagram of structure of 106-m3 inner-bladder-type PVC polymerizer

表1 106 m3內(nèi)膽式PVC 聚合釜技術(shù)參數(shù)Table 1 Specification of 106-m3 inner-bladder-type PVC polymerizer

2 106 m3內(nèi)膽式PVC聚合釜的設(shè)計

在PVC生產(chǎn)中，如果攪拌效果、傳熱效率不好，則聚合熱量集中，易產(chǎn)生局部爆聚，造成樹脂質(zhì)量低劣，甚至成為廢品。因此，傳熱和攪拌是PVC生產(chǎn)中極其重要的過程。

(1)傳熱能力的提升。

當(dāng)一種釜型確定后，換熱面積A基本就確定了，由于每釜反應(yīng)物料數(shù)量、組成一定，因而反應(yīng)熱負(fù)荷Q就一定，由傳熱速率方程式Q=K·A·Δt可知，若要提高傳熱速率，設(shè)計時應(yīng)著重考慮盡可能提高傳熱系數(shù)K。傳熱系數(shù)K是評價聚合釜的重要技術(shù)指標(biāo)，它對聚合釜的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本、動力消耗都有重大影響。

由式(1)傳熱系數(shù)方程式可知，減小壁厚δ可有效提高傳熱系數(shù)K。

(1)

式中：K—總傳熱系數(shù),α1—熱流體傳熱系數(shù)，δ—壁厚，λ—壁材的導(dǎo)熱系數(shù)，α2—冷流體傳熱系數(shù)。

不論是之前的內(nèi)夾套聚合釜還是華遠(yuǎn)化機(jī)研制的內(nèi)膽式聚合釜，設(shè)計思路之一就是通過最大程度地減薄與物料接觸的釜體的壁厚，使聚合反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量被冷卻介質(zhì)最大程度地交換出去為出發(fā)點，提高換熱速率，以縮短聚合反應(yīng)時間，進(jìn)而增加樹脂產(chǎn)量，乃至提高樹脂質(zhì)量。

華遠(yuǎn)化機(jī)研制的內(nèi)膽式聚合釜的內(nèi)殼體仍沿襲原始釜型的結(jié)構(gòu)設(shè)計，制作成為一個整體結(jié)構(gòu)，與上下封頭組焊后，再逐條組焊導(dǎo)流板(兼起內(nèi)膽的加強(qiáng)圈作用)、外夾套，使內(nèi)膽、導(dǎo)流板、外夾套成為封閉的結(jié)構(gòu)，這樣滿足了有限元應(yīng)力分析計算條件。該型釜與原始釜型的制作工藝基本一致，但內(nèi)殼體的壁厚減薄了50%以上，所以稱之為內(nèi)膽式聚合釜更為準(zhǔn)確。這種封閉的結(jié)構(gòu)通過有限元應(yīng)力分析計算(結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析圖見圖6)表明強(qiáng)度完全滿足技術(shù)要求，有效地保證了設(shè)備運行的穩(wěn)定性和使用壽命。而需要說明的是，此種結(jié)構(gòu)也有效避免了前種釜型因內(nèi)夾套是由50余條窄環(huán)圈焊接而成，一旦焊縫或焊接影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致釜體內(nèi)漏的問題。

圖6 106 m3內(nèi)膽式PVC 聚合釜結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析圖Fig.6 Structural stress analysis diagram of 106-m3 inner-bladder-type PVC polymerizer

(2)攪拌能力的提升。

多年來，華遠(yuǎn)化機(jī)對聚合釜的攪拌特性進(jìn)行了不斷地研究和探索，并在與浙江大學(xué)、北京化工大學(xué)的多項攪拌研究項目的合作中頗有受益，技術(shù)水平不斷提升。在106 m3內(nèi)膽式PVC聚合釜的研發(fā)過程中，考慮到換熱效率大幅增加，用攪拌過程放大的理論來描述，就是該型釜釜壁大幅減薄后，攪拌傳熱過程產(chǎn)生了放大效應(yīng)，因而有必要對攪拌的其他過程也進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯笳{(diào)整，以達(dá)到理想的放大匹配效果。為此，華遠(yuǎn)化機(jī)選擇了攪拌器比擬放大，通過攪拌冷模試驗，在原攪拌器、擋板參數(shù)的基礎(chǔ)上，分別增加、調(diào)整一定比例的長寬尺寸，組成若干組數(shù)據(jù)，并進(jìn)行試驗比較，根據(jù)試驗結(jié)果淘汰、優(yōu)化數(shù)據(jù)，最后應(yīng)用先進(jìn)的粒子圖像測速系統(tǒng)和計算流體力學(xué)實時模擬軟件等先進(jìn)手段對優(yōu)化后的數(shù)據(jù)組予以印證(速度矢量圖和流場速度分布圖分別見圖7和圖8)，由此確定了合理的攪拌器、擋板匹配參數(shù)(該攪拌器參數(shù)范圍華遠(yuǎn)化機(jī)也已經(jīng)申報了國家專利)。據(jù)此數(shù)據(jù)對攪拌器和擋板參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，使流場循環(huán)次數(shù)、均勻度進(jìn)一步提升，有利于PVC產(chǎn)量和質(zhì)量的進(jìn)一步提高。

圖7 速度矢量圖Fig.7 Velocity vector diagram 圖8 流場速度分布圖Fig.8 Diagram of flow velocity distribution

在研制過程中，采用的冷模試驗?zāi)Ｐ腿鐖D9所示；功率特性測定采用電阻應(yīng)變法，通過扭矩傳感器測取應(yīng)變信號，然后由數(shù)字表頭轉(zhuǎn)變成電信號后再用試驗軟件系統(tǒng)計算結(jié)果；攪拌轉(zhuǎn)速測定是通過磁電轉(zhuǎn)速傳感器采集信號后由數(shù)字轉(zhuǎn)速儀顯示結(jié)果；攪拌試驗槽的形狀、尺寸與原始釜型的幾何形狀、尺寸相同，采用直徑為390 mm的無色透明有機(jī)玻璃圓柱槽，并配橢圓封頭，裝料系數(shù)按0.85計，試驗物料為潔凈水和密度、粒度與PVC相近的示蹤粒子；通過試驗取得的各組攪拌器功率特性、循環(huán)特性和流場特性，確定攪拌功率準(zhǔn)數(shù)NP、排出流量準(zhǔn)數(shù)Nqd，然后計算攪拌功率、單位體積功和循環(huán)次數(shù)等特性參數(shù)。

試驗槽結(jié)構(gòu)尺寸 試驗裝置

(3)表面拋光。

釜體制作完成后，利用機(jī)械拋光設(shè)施對釜體內(nèi)表面進(jìn)行整體機(jī)械拋光，達(dá)到表面粗糙度Ra≤0.05后，再對其內(nèi)表面進(jìn)行整體一次性電解拋光，該技術(shù)將有效降低生產(chǎn)過程中的粘釜現(xiàn)象，縮短每次清釜時間。正常生產(chǎn)情況下，可保證每年清釜次數(shù)≤2次。華遠(yuǎn)化機(jī)整體一次性電解拋光效果如圖10所示。

圖10 整體一次性電解拋光效果Fig.10 Electropolishing effect of the entire polymerizer in a single process

3 結(jié)語

我國從引進(jìn)歐洲乙烯公司的105 m3聚合釜裝置及其工藝技術(shù)開始，至今歷經(jīng)20余年，在充分消化吸收其技術(shù)的同時，我國PVC行業(yè)人士經(jīng)過對其工藝配方、生產(chǎn)過程控制的調(diào)整、優(yōu)化，以及聚合釜設(shè)備的改進(jìn)、創(chuàng)新，形成了我國特有的106 m3聚合釜裝置及其工藝技術(shù)。華遠(yuǎn)化機(jī)攪拌技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊通過建立冷模試驗，優(yōu)化選擇攪拌參數(shù)，并應(yīng)用先進(jìn)的粒子圖像測速系統(tǒng)和計算流體力學(xué)實時模擬軟件等先進(jìn)手段予以印證，最終確定了合理的攪拌器、擋板參數(shù)匹配，成功研制出了新型106 m3內(nèi)膽式PVC聚合釜。該釜的攪拌流場循環(huán)次數(shù)、混勻度進(jìn)一步提升，與該公司為唐山三友氯堿有限責(zé)任公司研制的106 m3PVC聚合釜相比，產(chǎn)能將再提高25%以上，預(yù)計可達(dá)到4.8萬～5萬t/a。該釜的成功研發(fā)將為我國PVC聚合釜技術(shù)水平的提升帶來一場革命，必將進(jìn)一步促進(jìn)我國PVC行業(yè)的可持續(xù)性健康發(fā)展。