聚醚反應(yīng)釜換熱優(yōu)化設(shè)計

宋新軍+王麗+谷昭儀

摘 要：目前我國已成為世界范圍內(nèi)聚醚生產(chǎn)和消費的大國，但是我國研發(fā)力量相對薄弱，國內(nèi)聚醚品種主要集中在中低端通用型，一些高端產(chǎn)品及特殊用途的聚醚尚需國外進(jìn)口。當(dāng)下市場可謂機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。海外市場的拓展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整升級、研發(fā)技術(shù)的不斷提升是企業(yè)擺脫困境的必然途徑。總而言之，新生產(chǎn)工藝、高質(zhì)量產(chǎn)品是未來聚醚產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。本文介紹了一種新型聚醚反應(yīng)釜制造技術(shù)，通過優(yōu)化換熱結(jié)構(gòu)及其布局，使該設(shè)備的換熱效果、溫度控制精度大幅度提升，有效的提升了反應(yīng)效果，使該設(shè)備成為了能夠生產(chǎn)高品質(zhì)聚醚產(chǎn)品的反應(yīng)設(shè)備。

關(guān)健詞：反應(yīng)釜；半圓管；盤管；攪拌器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.015

1 問題提出

近幾年國內(nèi)聚醚工業(yè)的快速發(fā)展，對于大型化的聚醚反應(yīng)釜及其關(guān)鍵設(shè)備和成套工藝技術(shù)提出了更高的要求。聚醚反應(yīng)釜是聚醚合成生產(chǎn)過程中最關(guān)鍵的設(shè)備。聚醚工業(yè)的快速發(fā)展帶動了聚醚生產(chǎn)工藝的技術(shù)進(jìn)步。合成工藝的技術(shù)進(jìn)步推動了聚醚反應(yīng)釜的技術(shù)發(fā)展，聚醚反應(yīng)釜技術(shù)水平的提高保證了先進(jìn)工藝得以實現(xiàn)。

然而聚醚反應(yīng)是個放熱過程，在反應(yīng)到關(guān)鍵階段，物料會放出的大量熱量，隨著物料反應(yīng)的進(jìn)行物料的粘度也會增加，聚合物流動性越來越差，熱量不能有效的被置換出去，這會導(dǎo)致生成物的分子量和不飽度和雙鍵含量難以控制，平均分子量與理論分子量相差過大，使體系中物料分散不均勻，形成局部凝膠，分散體的粒徑不均勻。從而導(dǎo)致生產(chǎn)出來的產(chǎn)品雜質(zhì)較多，質(zhì)量不高，還會加長了聚合反應(yīng)的周期，減少了聚合產(chǎn)品的產(chǎn)量，甚至有可能因熱量無法及時擴(kuò)散而發(fā)生危險事故。

2 解決方案

以往用于聚醚反應(yīng)的攪拌設(shè)備的換熱結(jié)構(gòu)靠外部夾套實現(xiàn)冷卻過程，由于冷卻循環(huán)水在外部夾套的流動，外部夾套內(nèi)會出現(xiàn)流動的死區(qū)、氣相空間，致使正在用于置換熱量的流體沿著阻力最小的路線流動，致使反應(yīng)釜內(nèi)的熱量置換區(qū)域不均，置換時間長，所需能量消耗高。以往用于聚醚反應(yīng)的攪拌設(shè)備的攪拌器往往只注重后期高粘度物料的特點，因此所需攪拌功率高，攪拌葉片厚重，攪拌轉(zhuǎn)速低，不利于反應(yīng)物放熱后對熱量的置換。

我公司根據(jù)上述不良現(xiàn)象，進(jìn)行了專項研發(fā)，對聚醚反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，取得了很好的效果。解決上述不良現(xiàn)象，我們對聚醚反應(yīng)釜的伴熱結(jié)構(gòu)和攪拌結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化時采用理論計算、仿真模擬、冷模試驗對比的方法，根據(jù)聚醚反應(yīng)的工藝過程進(jìn)行理論計算，確定所需的解決的熱量數(shù)值，并根據(jù)計算確定初步方案；通過全容積的仿真模擬計算，優(yōu)選結(jié)構(gòu)，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，修正結(jié)構(gòu)，并優(yōu)選出最佳的結(jié)構(gòu)組合；利用冷模試驗裝置按比例進(jìn)行驗證，減少理論計算和仿真模擬的計算偏差，取保結(jié)構(gòu)的優(yōu)選和可實現(xiàn)性。

具體優(yōu)化如下：

（1）對于伴熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化：采取用內(nèi)、外同時伴熱結(jié)構(gòu)，減少每段換熱部件的直線長度，減少了熱量置換流體流動的阻力，有效的控制了反應(yīng)物料的反應(yīng)溫度，保證了釜內(nèi)反應(yīng)壓力的平穩(wěn)，可使釜內(nèi)溫度的穩(wěn)定易控，可以有效的控制反應(yīng)釜溫度，減小釜內(nèi)的溫度梯度；內(nèi)部盤管和釜壁采用高精度拋光處理（Ra≤0.1μm），減少物料粘連，提高換熱效率，促進(jìn)物料的流動，保證了快速的熱量置換。

（2）對于攪拌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化：由于聚醚反應(yīng)過程中的反應(yīng)物料在開始到完成反應(yīng)會出現(xiàn)牛頓流體和非牛頓流體不同的反應(yīng)時期，致使攪拌需要在不同的流體形式下需要不同的攪拌形式，但不可能在反應(yīng)過程中更換攪拌器，所以必須選用新型的攪拌裝置，有效的完成不同流體形式的混合攪拌的需要，為此根據(jù)需要，通過仿真模擬和冷模試驗對比，采取了門框式攪拌形式，下部采取隨形的錨式形式，并在攪拌器的迎液面進(jìn)行了減阻力處理，大大提升了攪拌效果，降低了攪拌功率。

通過如此的的結(jié)構(gòu)優(yōu)化后設(shè)計出的新型聚醚反應(yīng)釜，具備了生產(chǎn)穩(wěn)定聚醚產(chǎn)物的所需的結(jié)構(gòu)特點，該聚醚反應(yīng)釜，包括釜體，在釜體上部的中間位置安裝有機(jī)架，在機(jī)架上部連接有減速機(jī)，在減速機(jī)上連接有攪拌電機(jī)，在機(jī)架內(nèi)的減速機(jī)與釜體之間設(shè)有機(jī)械密封部件。攪拌軸通過機(jī)械密封部件與減速機(jī)相連接，在攪拌軸上安裝高性能流體攪拌混合攪拌器。在釜體內(nèi)部設(shè)有單進(jìn)單出雙螺旋盤管，釜體內(nèi)表面及盤管的外壁進(jìn)行拋光處理。釜體外部用半圓管伴熱，外部半圓管分三部分，位于下封頭一部分，筒體上分上、下兩部分，并且每一部分半圓管均有單獨的冷媒進(jìn)、出口。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，通過對反應(yīng)釜伴熱結(jié)構(gòu)與強(qiáng)有力的攪拌系統(tǒng)相配合可使反應(yīng)放出的大量熱能迅速散失，通過冷媒將之帶走，提高了聚合反應(yīng)的換熱效果，對反應(yīng)更便于控制，而且更安全，使換熱效果達(dá)到最佳，同時有利于縮短反應(yīng)的時間，使產(chǎn)品的生產(chǎn)周期縮短。

通過大量模擬試驗和冷漠對比試驗可以看出，在聚醚反應(yīng)過程中，高性能流體攪拌混合攪拌器能達(dá)到良好的混合效果，對于前期加入大量固體催化劑，高性能流體攪拌混合攪拌器具有較大的槳葉面積，可以很好的分散催化劑顆粒，滿足反應(yīng)的要求。通過對速度矢量的分析可以得出，攪拌時反應(yīng)釜內(nèi)的流體分為內(nèi)外上下的大循環(huán)，可以使釜內(nèi)流體流動充分，換熱及時，減小釜內(nèi)的溫度梯度，有利于反應(yīng)的均勻進(jìn)行。

設(shè)備運行時，在釜內(nèi)，冷媒從冷媒進(jìn)口管進(jìn)入，并分為兩路直接走盤管，經(jīng)冷媒出口管流出釜后，進(jìn)入冷媒回管線。在釜外冷媒分為三路，分別通過冷媒進(jìn)口，進(jìn)入三部分夾套半圓管，經(jīng)冷媒出口管流出夾套半圓管，進(jìn)入冷卻水回水管線。在反應(yīng)的初始階段，高性能流體攪拌混合攪拌器以較高轉(zhuǎn)速將催化劑均勻分布到釜內(nèi)介質(zhì)中，在反應(yīng)的中后期，高性能流體攪拌混合攪拌器將釜內(nèi)的流體分為內(nèi)外上下的大循環(huán)，可以使釜內(nèi)流體流動充分，換熱及時，減小釜內(nèi)的溫度梯度。

該反應(yīng)釜的優(yōu)點：本設(shè)備內(nèi)、外部均采用特殊伴熱結(jié)構(gòu)，可以嚴(yán)格的控制反應(yīng)裝置溫度，能增加反應(yīng)速率、縮短反應(yīng)時間，并有效控制聚醚平均分子量和不飽和雙鍵含量。能較好的控制反應(yīng)鏈增長過程序中，歧化反應(yīng)、鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)以及大分子間的副反，使制得的聚醚平均分子量與理論分子量接近。使體系中物料分散均勻，不會形成局部凝膠，分散體的粒徑均勻，粘度低。生產(chǎn)出的聚醚產(chǎn)物具有分子量高、不飽和度低、分子量分布窄、平均官能度高等優(yōu)質(zhì)特點。

3 結(jié)束語

換熱優(yōu)化的聚醚反應(yīng)釜的經(jīng)過使用，能有效的控制反應(yīng)釜溫度，減小釜內(nèi)的溫度梯度。減少反應(yīng)鏈增長過程序中的歧化反應(yīng)、鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)以及大分子間的副反應(yīng)，使制得的聚合物平均分子量與理論分子量接近。使體系中物料分散均勻，不會形成局部凝膠?？梢陨a(chǎn)出高質(zhì)量的聚醚產(chǎn)品。能滿足聚醚行業(yè)對反應(yīng)設(shè)備高效、節(jié)能、升溫快、控溫準(zhǔn)、保溫好、操作方便、使用壽命長要求。endprint