新型聚醚多元醇反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

山東淄博某大型國(guó)營(yíng)化工企業(yè)聚醚多元醇8O m 反應(yīng)釜自2000年投人生產(chǎn)以來，工況隨著工藝及技術(shù)磨合日漸成熟。目前4臺(tái)反應(yīng)釜形成年l0萬t 生產(chǎn)能力。

聚醚多元醇(簡(jiǎn)稱PPG)是由起始劑(含活性氫基團(tuán)的化合物)與環(huán)氧乙烷(EO)、環(huán)氧丙烷(PO) 等在催化劑存在下經(jīng)酯化反應(yīng)制得，生產(chǎn)出各種通用的聚醚多元醇。

常用的PPG主要有：聚丙二醇型、聚四氫呋喃二醇型、接枝型聚醚多元醇、雜環(huán)改性聚醚多元醇等。由于中國(guó)聚氨酯的需求一直保持著高速增長(zhǎng)勢(shì)頭，該反應(yīng)釜的研制投產(chǎn)，使得中國(guó)聚醚多元醇的產(chǎn)能進(jìn)一步得到提升，基本上能滿足市場(chǎng)需求，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖，做到了達(dá)產(chǎn)達(dá)效。

1、設(shè)計(jì)參數(shù)

1．1 反應(yīng)釜主要設(shè)計(jì)參數(shù)該反應(yīng)釜在聚醚生產(chǎn)過程中，釜體外及下部需要安裝盤管夾套，設(shè)備所需的物料、溶劑、催化劑等進(jìn)口以及壓力表、溫度計(jì)、安全閥等儀表接口，只能布置在頂蓋上。只有物料出口布置在殼體下部。加之，攪拌軸及軸密封裝置必須布置在設(shè)備頂部，因而反應(yīng)釜設(shè)計(jì)難度很大。而設(shè)備內(nèi)物料進(jìn)行酯化反應(yīng)，反應(yīng)過程中有聚醚副產(chǎn)物氯化鈣結(jié)晶顆粒產(chǎn)生。固體顆粒的產(chǎn)生對(duì)攪拌葉片影響很大。設(shè)計(jì)時(shí)反應(yīng)釜由四個(gè)耳式支座支撐在樓板上。考慮工作時(shí)，溫差達(dá)到一l0℃～300℃，溫差對(duì)反應(yīng)釜體焊縫有較大的影響，在釜體上增加了熱膨脹緩沖節(jié)，保護(hù)焊縫不開裂。反應(yīng)釜主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1：反應(yīng)釜主要設(shè)計(jì)參數(shù)
 

1．2 強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱

聚醚多元醇一般都是以多元醇或其它含有活潑氫的有機(jī)化合物為起始劑與環(huán)氧化物開環(huán)酯化而成，其中以環(huán)氧丙烷開環(huán)酯化物制備聚醚多元醇為較常見。由于其用途廣需求量大，適合于合成各種聚氨酯泡沫塑料而稱之為通用聚醚多元醇。環(huán)氧丙烷有較強(qiáng)的反應(yīng)能力，它的酯化過程屬于離子型的反應(yīng)機(jī)理。環(huán)氧丙烷在堿金屬氫氧化物催化劑作用下發(fā)生酯化反應(yīng)。要使酯化完全，必須將酯化副產(chǎn)物單體盡快抽出，越快越好，這是聚醚多元醇生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵所在。只有將混和物迅速加熱到工藝溫度，才能加快酯化速度，提高產(chǎn)品優(yōu)級(jí)品率，設(shè)計(jì)時(shí)采取增大盤管傳熱面積的設(shè)計(jì)方法。

由于80 m 聚醚多元醇反應(yīng)釜容積大，其夾套面積(即比表面F／V)相對(duì)減少，傳熱不利設(shè)計(jì)在釜內(nèi)設(shè)置了2段雙列盤管，其冷熱媒轉(zhuǎn)換面積達(dá)到108 m ，大大增加了反應(yīng)釜釜體的總傳熱面積。2段加熱可適用不同牌號(hào)的聚醚多元醇的生產(chǎn)，靈活節(jié)能實(shí)用性強(qiáng)(見圖1)。

1．3 提高傳熱系數(shù)

在釜外夾套內(nèi)設(shè)置螺旋導(dǎo)流板，可使冷媒或熱媒在夾套中的流速提高到2—4 m/s，則夾套側(cè)的導(dǎo)溫系數(shù)從一般的3 000 kJ／(m ，h，℃)提高到9 000～ 12 000 kJ／(m3，h，℃)可使總傳熱系數(shù)提高40％ ～ 60％ ，見圖l所示。

1．4 合理設(shè)計(jì)攪拌器

這種攪拌器由于槳葉面積大，轉(zhuǎn)速較低，其借助擋板的作用，來強(qiáng)化軸向的混合。它的槳葉端部較長(zhǎng)，葉片附近的湍動(dòng)漩渦區(qū)較大，有利于分散且物料不易沉于釜底。這種攪拌器在攪拌功率相同的情況下，能產(chǎn)生更大的循環(huán)湍流，傳質(zhì)傳熱效果好。達(dá)到同樣的攪拌效果時(shí)，它消耗的功率較小，見圖1所示根據(jù)聚醚不同生產(chǎn)階段的特點(diǎn)及物料粘度相對(duì)密度等物性，設(shè)計(jì)采用雙層不同型式的攪拌器，上層為開啟折葉漿式，下層為框板式。其設(shè)計(jì)公式為： D/T= 0．53 B／T=0．64 W/T=0．1 式中：D為攪拌槳直徑；T為釜內(nèi)徑；B為攪拌槳高度； 為漿葉寬度

1．5 合理設(shè)計(jì)反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)釜體長(zhǎng)徑比為L(zhǎng)／D=1．35，內(nèi)盤管高度占釜體高的2／3，反應(yīng)釜體設(shè)計(jì)有4個(gè)支座耳朵，便于反應(yīng)釜體的安裝。攪拌葉片及反應(yīng)釜體設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)速度加快，縮短生產(chǎn)周期；可承受高溫高壓，釜體加工工藝好，釜內(nèi)外溫差大時(shí)，熱膨脹應(yīng)力小，保護(hù)焊縫的使用壽命。

另外，反應(yīng)釜外夾套頂部設(shè)置了安全閥，如果反應(yīng)很壓，安全閥立刻起跳，反應(yīng)釜內(nèi)迅速泄壓，可保障工人的人身安全。

提高自動(dòng)化水平，做到運(yùn)行安全可靠節(jié)能環(huán)保，設(shè)計(jì)將工藝選定的自動(dòng)檢測(cè)儀表通過法蘭套管安裝在釜體中部，通過電腦可隨機(jī)自動(dòng)分析出釜內(nèi)物料的溫度及壓力，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，跟蹤及時(shí)，該反應(yīng)釜設(shè)計(jì)手段先進(jìn)，在國(guó)內(nèi)化工行業(yè)設(shè)計(jì)中尚屬首次。根據(jù)聚醚生產(chǎn)的不同階段，攪拌轉(zhuǎn)速不同的特點(diǎn)，加裝變頻器，采用變頻無很調(diào)速，電機(jī)啟動(dòng)電流小，功耗低，節(jié)省了電能，而且產(chǎn)品收益率提高，節(jié)約能源。系統(tǒng)采用自動(dòng)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥并與電腦接駁，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)，大大減輕了工人的操作強(qiáng)度。

2、機(jī)械密封

在聚醚多元醇的生產(chǎn)過程中，存在兩種壓力條件。在反應(yīng)初期，為了避免與空氣中的氧氣接觸，產(chǎn)生氧化物，降低聚醚多元醇色澤品質(zhì)，實(shí)行氮?dú)獗Ｗo(hù)，反應(yīng)釜內(nèi)呈正壓狀態(tài)。而在反應(yīng)后期，為了把聚醚多元醇中未反應(yīng)的單體抽出，采用邊攪拌邊抽真空的方法，釜內(nèi)呈負(fù)壓狀態(tài)。另外在反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量熱量，這對(duì)機(jī)械密封使用提出了苛刻的要求。攪拌形式改進(jìn)加之減速機(jī)架的加固，改變了機(jī)械式密封的受力結(jié)構(gòu)，采用雙端面多密封圈機(jī)械密封后，其使用周期大大延長(zhǎng)。考慮以上使用條件，采用雙端面多密封圈機(jī)械密封。系統(tǒng)采用丙二醇冷卻液冷卻。使用效果良好，達(dá)到了工藝及使用要求，為反應(yīng)釜的長(zhǎng)周期運(yùn)行創(chuàng)造了條件。

3、運(yùn)行結(jié)果

表2   全年生產(chǎn)運(yùn)行情況匯總
 

2000年l0月1日，80 m3聚醚反應(yīng)釜正式投入使用，且一次試車成功。自投產(chǎn)以來，運(yùn)行平穩(wěn)安全可靠，省時(shí)節(jié)能。與其他小型反應(yīng)釜相比，產(chǎn)品優(yōu)級(jí)品率高。除正常檢修停車外，設(shè)備從未出現(xiàn)事故，凸顯出大型化工設(shè)備的優(yōu)越性，綜合全年生產(chǎn)運(yùn)行情況見表2，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比見表2。

表3  全年各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總
 

4、經(jīng)濟(jì)分析

通過對(duì)表l、表2的對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如下：用單臺(tái)80 m 反應(yīng)釜比其它單臺(tái)反應(yīng)釜生產(chǎn)周期縮短了近3 h；每臺(tái)80 m 反應(yīng)釜比其他反應(yīng)釜全年多生產(chǎn)聚醚多元醇1 000 t，多創(chuàng)產(chǎn)值1千多萬元。由于主要原料及輔料消耗下降，使產(chǎn)品成本降低，全年可節(jié)省資金350萬元維修費(fèi)用。同類其它小容積設(shè)備相比，它具有省時(shí)、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是迄今為止國(guó)內(nèi)同類反應(yīng)釜設(shè)計(jì)較大且使用較成功的，為其他類型化工反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)及使用提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，全年各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總，如表3所示。該反應(yīng)釜的投用，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。