淺談干式電石反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與研究

（新疆天業(yè)天辰化工有限公司，石河子市，832000） 張林英

在電石法制聚氯乙稀系統(tǒng)中，電石反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)選擇對(duì)PVC生產(chǎn)有著至關(guān)重要的影響。傳統(tǒng)的電石反應(yīng)器在目前節(jié)能降耗等方面出現(xiàn)很大的局限性，不能滿足現(xiàn)有的生產(chǎn)情況對(duì)各方面的要求，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，電石法生產(chǎn)工藝得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在2007年5月被國(guó)家環(huán)?？偩至腥搿秶?guó)家先進(jìn)污染防治示范技術(shù)名錄》和《國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的環(huán)境保護(hù)技術(shù)目錄》的干法電石法制乙炔裝置中，干式電石反應(yīng)器有著非常明顯的優(yōu)點(diǎn)，其中該設(shè)備占地較少，單臺(tái)發(fā)生器的產(chǎn)能大，電石分解效率高以及廢渣采用水泥處理難度小、能耗低都是新型電石反應(yīng)器最為突出特點(diǎn)。本文將對(duì)干式的電石反應(yīng)器進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行情況的介紹。

1 傳統(tǒng)電石反應(yīng)器與干式的電石反應(yīng)器構(gòu)造對(duì)比

干式的電石反應(yīng)器具有反應(yīng)時(shí)間短、收率高、輸出氣穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是從外部結(jié)構(gòu)來看，新式的電石反應(yīng)器與傳統(tǒng)的電石反應(yīng)器區(qū)別不大，采用的都是非標(biāo)準(zhǔn)件的制作構(gòu)架，都不屬于壓力容器范疇，外部構(gòu)建所采用的材料都是以Q235材質(zhì)為主，甚至在外形的尺寸方面都比較相近。

在PVC行業(yè)中，傳統(tǒng)的電石反應(yīng)器進(jìn)料方式常用三級(jí)料斗入料，保證生產(chǎn)正常，三級(jí)料斗往往常用循序置換法進(jìn)行安全置換，以供反應(yīng)器的正常安全使用。而新式反應(yīng)器采用一級(jí)儲(chǔ)斗進(jìn)行安全的連續(xù)入料，具有較強(qiáng)的反應(yīng)控制能力，可以根據(jù)不同的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)反應(yīng)量。

圖1 傳統(tǒng)反應(yīng)器

圖2 干式反應(yīng)器

上述的兩幅電石反應(yīng)器的外部構(gòu)造圖，能夠形象的表述二者之間的差距。首先顯著的區(qū)別在于傳動(dòng)方式的安裝位置，因傳統(tǒng)反應(yīng)器在攪拌時(shí)需要的扭力很高，需要以兩面固定的方式對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行加固，保證設(shè)備傳動(dòng)需要的扭力；而干式反應(yīng)器在進(jìn)行攪拌時(shí)需要的扭力較低，所以采用的是單懸軸進(jìn)行傳動(dòng)。其次的區(qū)別是反應(yīng)器的入料方式，傳統(tǒng)的反應(yīng)器入料采用大物料經(jīng)過置換后直接通過振動(dòng)器進(jìn)入反應(yīng)器；干式的反應(yīng)器則采用稱量輸送器將反應(yīng)物料連續(xù)穩(wěn)定的輸送至反應(yīng)器。最后還存在一些比如出氣口的位置、排渣口的角度等等一些區(qū)別，這些都是建立在前面兩點(diǎn)的基礎(chǔ)之上的差異，本身沒有特別的意義。

電石反應(yīng)器在PVC行業(yè)中采取的高溫低壓的生產(chǎn)方式，這樣使得乙炔損耗小、安全性能高。干式的反應(yīng)器不僅具備這兩種傳統(tǒng)反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，還具有低能耗、低水耗的特點(diǎn)，圖2中我們看出，干式反應(yīng)器的攪拌方式為單懸軸，扭力較小，所以我們采用22KW的電機(jī)（M）來做功，而傳統(tǒng)的反應(yīng)器僅此一項(xiàng)需要45KW（M）的傳動(dòng)來做功。對(duì)于低水耗而言，干式反應(yīng)器加料方式采用連續(xù)穩(wěn)定可計(jì)量的小物料入料，這樣我們針對(duì)干式反應(yīng)器的特殊性，通過可控注水，投入?yún)⑴c反應(yīng)適量的水即可，不需要投入過量水來電石反應(yīng)。

2 干式反應(yīng)器反應(yīng)盤的構(gòu)造特點(diǎn)

電石反應(yīng)屬于劇烈的放熱反應(yīng)，反應(yīng)的釋放的熱量如下：

CaC2+2H2O——Ca(OH)2+C2H2↑+31千卡/克分子

從上述反應(yīng)式中我們可以看出，電石的釋放的熱量非常高。在PVC生產(chǎn)安全中，乙炔氣的溫度達(dá)到550℃時(shí)，乙炔氣會(huì)發(fā)生劇烈的爆炸反應(yīng)（1），因此及時(shí)的移走反應(yīng)產(chǎn)生的熱量是反應(yīng)器設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵的部分。

圖3 反應(yīng)盤

傳統(tǒng)電石反應(yīng)器采用大量的水進(jìn)行換熱，雖然在效果上來講，非常明顯，另一方面卻造成水資源的大量浪費(fèi)，就算是采用廢水回收項(xiàng)目，成本也是非常昂貴。新式的電石反應(yīng)器則采用“即反應(yīng)即移走”的設(shè)計(jì)原理來對(duì)電石反應(yīng)的剩余物進(jìn)行移熱處理。

圖3中我們可以看出，耙齒跟隨著軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而進(jìn)行傳動(dòng)，耙齒在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中將反應(yīng)過后的電石推至下一層，也就是在電石反應(yīng)過后，將含有熱量的電石渣推至下一層，防止熱量在第一層進(jìn)行聚集而發(fā)生危險(xiǎn)。但是電石在與水反應(yīng)存在完全水解時(shí)間，不同粒度的電石在反應(yīng)時(shí)需要的時(shí)間也各不一樣，也就是說，耙齒再做傳動(dòng)推動(dòng)的時(shí)候，會(huì)有可能出現(xiàn)電石未反應(yīng)完全，便將其推至下一層，這樣會(huì)出現(xiàn)電石浪費(fèi)現(xiàn)象。解決這個(gè)問題，需要對(duì)不同粒度的電石進(jìn)行分析研究，以下是不同粒度電石的水解時(shí)間：

表1 不同電石粒度水解度

從表1我們可以看出，當(dāng)電石的粒度小于15mm以下，完全水解時(shí)間均小于2分鐘，那么我們?cè)谠O(shè)計(jì)電石反應(yīng)盤時(shí)將電石在盤上的停留時(shí)間控制在2分鐘，這樣既能保證電石的水解完全，又能保證反應(yīng)熱的及時(shí)移走。保證物料在反應(yīng)盤上停留的時(shí)間控制為2分鐘，我們可以通過兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)：一方面是控制傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，來達(dá)到控制停留時(shí)間。另一方面是設(shè)計(jì)好耙齒的分流角度，來達(dá)到時(shí)間的控制。

3 反應(yīng)器的部分構(gòu)件的材質(zhì)分析

反應(yīng)器本體不屬于壓力容器范疇，通常采用Q235材質(zhì)進(jìn)行制作，但是部分的內(nèi)部構(gòu)件因?yàn)楸旧淼奶厥庑?，需要采用不同的材質(zhì)進(jìn)行制作處理。

3.1 耙齒的齒板

電石中的主要成分為鈣化物，但是還有2%的硅鐵等雜質(zhì)存在，對(duì)主要受力部件的磨損非常嚴(yán)重。耙齒的齒板采用普通Q235材料制作時(shí)，使用壽命僅為3個(gè)月，所以在這個(gè)部位采用耐磨高錳鋼板進(jìn)行制作加工，能夠很好的解決現(xiàn)有的問題。

3.2 反應(yīng)器底部側(cè)壁

電石經(jīng)過反應(yīng)后產(chǎn)生的電石渣（Ca(OH)2）具有很強(qiáng)的黏附性，非常容易在反應(yīng)器的底部出現(xiàn)電石渣板結(jié)現(xiàn)象，解決這一問題，一些廠家采用的是物理刮料器，但是也有采用特殊的材質(zhì)進(jìn)行解決該問題的方法，譬如使用高分子聚乙烯襯在反應(yīng)器內(nèi)壁來防止結(jié)垢，也有采用鈦材進(jìn)行襯底處理等等，都是一些通過改進(jìn)材料來解決問題的優(yōu)秀方案。

3.3 反應(yīng)器的水噴頭

傳統(tǒng)反應(yīng)器直接采用水管進(jìn)行大量的注水，但是新式反應(yīng)器的反應(yīng)需要通過準(zhǔn)確控制水量來達(dá)到控制反應(yīng)的目的，所以新式反應(yīng)器的注水噴頭必須非常均勻的進(jìn)行布水，但是普通碳鋼材質(zhì)的噴頭極易發(fā)生斑銹，堵塞噴頭，造成不同程度的水不均勻的現(xiàn)象。所以我們?cè)谶x擇噴頭的材質(zhì)上一般選擇高質(zhì)量的不銹鋼，來滿足生產(chǎn)上得需要。

3.4 反應(yīng)器傳動(dòng)軸

反應(yīng)器傳動(dòng)軸直線度允差為0.4mm，調(diào)熱度處理硬度HB>250，這樣才能滿足耙齒的穩(wěn)定準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動(dòng)，材質(zhì)選擇也因此不能選擇容易變形的Q235鋼來制作，所以傳動(dòng)軸也是選擇45#圓鋼來進(jìn)行制作，保證傳動(dòng)過程的扭矩以及同心度，滿足耙齒的穩(wěn)定運(yùn)行。

上述的一些材料選擇，都是建立在生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)上得出分析，反應(yīng)器還有一些問題需要更好的材質(zhì)或者方案進(jìn)一步解決，比如反應(yīng)器出現(xiàn)出料不暢等現(xiàn)象，都需要在以后的生產(chǎn)過程中進(jìn)一步的考慮更優(yōu)異實(shí)用的材質(zhì)來解決。

4 干式反應(yīng)器在國(guó)內(nèi)PVC行業(yè)中的應(yīng)用情況

新式電石反應(yīng)器的技術(shù)與2005年進(jìn)入PVC行業(yè)中，進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)生產(chǎn)，取得代表性的技術(shù)成果的有北京瑞思達(dá)技術(shù)、浙江的貫恒通技術(shù)。在近年來，通過PVC行業(yè)交流，新式反應(yīng)器技術(shù)迅速完善，較之傳統(tǒng)的反應(yīng)器，具有節(jié)能、安全等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。2007年進(jìn)入PVC行業(yè)中大型生產(chǎn)中。

目前采用新式反應(yīng)器的PVC的企業(yè)有甘肅新希望有限公司、河南連冠有限公司、重慶壽光聚丁烯生產(chǎn)公司等等大型企業(yè)。據(jù)了解，干式反應(yīng)器的運(yùn)行情況較為穩(wěn)定，能夠保證生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行，但是在連續(xù)的生產(chǎn)過程中，仍存在一些技術(shù)問題，需要進(jìn)一步解決。

通過行業(yè)的反饋程度來說，雖然干式反應(yīng)器有著節(jié)能等多方面的優(yōu)點(diǎn)，但是在生產(chǎn)運(yùn)行中，還有一些薄弱環(huán)節(jié)，比如設(shè)備磨損、反應(yīng)的控制難度等等，都需要在以后的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)摸索過程中進(jìn)行進(jìn)一步的改造，以達(dá)到連續(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)目的。

[1]何衍慶，黃海燕等.《化工生產(chǎn)與安全》.2005

[2]李耀文.氯堿知識(shí)論文集《干法乙炔工藝簡(jiǎn)介》，.2006

[3]陶珍東，鄭少華.工程學(xué)《粉體工程與設(shè)備》，2003