新型聚醚多元醇反應釜的結構設計優(yōu)化

山東淄博某大型國營化工企業(yè)聚醚多元醇8O m 反應釜自2000年投人生產以來，工況隨著工藝及技術磨合日漸成熟。目前4臺反應釜形成年l0萬t 生產能力。

聚醚多元醇(簡稱PPG)是由起始劑(含活性氫基團的化合物)與環(huán)氧乙烷(EO)、環(huán)氧丙烷(PO) 等在催化劑存在下經酯化反應制得，生產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。由于中國聚氨酯的需求一直保持著高速增長勢頭，該反應釜的研制投產，使得中國聚醚多元醇的產能進一步得到提升，基本上能滿足市場需求，實現(xiàn)了設計意圖，做到了達產達效。

1、設計參數

1．1 反應釜主要設計參數該反應釜在聚醚生產過程中，釜體外及下部需要安裝盤管夾套，設備所需的物料、溶劑、催化劑等進口以及壓力表、溫度計、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備頂部，因而反應釜設計難度很大。而設備內物料進行酯化反應，反應過程中有聚醚副產物氯化鈣結晶顆粒產生。固體顆粒的產生對攪拌葉片影響很大。設計時反應釜由四個耳式支座支撐在樓板上。考慮工作時，溫差達到一l0℃～300℃，溫差對反應釜體焊縫有較大的影響，在釜體上增加了熱膨脹緩沖節(jié)，保護焊縫不開裂。反應釜主要設計參數如表1所示。

表1：反應釜主要設計參數
 

1．2 強化傳質傳熱

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)氧丙烷有較強的反應能力，它的酯化過程屬于離子型的反應機理。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。要使酯化完全，必須將酯化副產物單體盡快抽出，越快越好，這是聚醚多元醇生產工藝的關鍵所在。只有將混和物迅速加熱到工藝溫度，才能加快酯化速度，提高產品優(yōu)級品率，設計時采取增大盤管傳熱面積的設計方法。

由于80 m 聚醚多元醇反應釜容積大，其夾套面積(即比表面F／V)相對減少，傳熱不利設計在釜內設置了2段雙列盤管，其冷熱媒轉換面積達到108 m ，大大增加了反應釜釜體的總傳熱面積。2段加熱可適用不同牌號的聚醚多元醇的生產，靈活節(jié)能實用性強(見圖1)。

1．3 提高傳熱系數

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

1．4 合理設計攪拌器

這種攪拌器由于槳葉面積大，轉速較低，其借助擋板的作用，來強化軸向的混合。它的槳葉端部較長，葉片附近的湍動漩渦區(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，能產生更大的循環(huán)湍流，傳質傳熱效果好。達到同樣的攪拌效果時，它消耗的功率較小，見圖1所示根據聚醚不同生產階段的特點及物料粘度相對密度等物性，設計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。其設計公式為： D/T= 0．53 B／T=0．64 W/T=0．1 式中：D為攪拌槳直徑；T為釜內徑；B為攪拌槳高度； 為漿葉寬度

1．5 合理設計反應釜結構

設計釜體長徑比為L／D=1．35，內盤管高度占釜體高的2／3，反應釜體設計有4個支座耳朵，便于反應釜體的安裝。攪拌葉片及反應釜體設計優(yōu)點：反應速度加快，縮短生產周期；可承受高溫高壓，釜體加工工藝好，釜內外溫差大時，熱膨脹應力小，保護焊縫的使用壽命。

另外，反應釜外夾套頂部設置了安全閥，如果反應很壓，安全閥立刻起跳，反應釜內迅速泄壓，可保障工人的人身安全。

提高自動化水平，做到運行安全可靠節(jié)能環(huán)保，設計將工藝選定的自動檢測儀表通過法蘭套管安裝在釜體中部，通過電腦可隨機自動分析出釜內物料的溫度及壓力，數據精準，跟蹤及時，該反應釜設計手段先進，在國內化工行業(yè)設計中尚屬首次。根據聚醚生產的不同階段，攪拌轉速不同的特點，加裝變頻器，采用變頻無很調速，電機啟動電流小，功耗低，節(jié)省了電能，而且產品收益率提高，節(jié)約能源。系統(tǒng)采用自動氣動調節(jié)閥并與電腦接駁，實現(xiàn)了連續(xù)自動化生產，大大減輕了工人的操作強度。

2、機械密封

在聚醚多元醇的生產過程中，存在兩種壓力條件。在反應初期，為了避免與空氣中的氧氣接觸，產生氧化物，降低聚醚多元醇色澤品質，實行氮氣保護，反應釜內呈正壓狀態(tài)。而在反應后期，為了把聚醚多元醇中未反應的單體抽出，采用邊攪拌邊抽真空的方法，釜內呈負壓狀態(tài)。另外在反應過程中產生大量熱量，這對機械密封使用提出了苛刻的要求。攪拌形式改進加之減速機架的加固，改變了機械式密封的受力結構，采用雙端面多密封圈機械密封后，其使用周期大大延長?？紤]以上使用條件，采用雙端面多密封圈機械密封。系統(tǒng)采用丙二醇冷卻液冷卻。使用效果良好，達到了工藝及使用要求，為反應釜的長周期運行創(chuàng)造了條件。

3、運行結果

表2   全年生產運行情況匯總
 

2000年l0月1日，80 m3聚醚反應釜正式投入使用，且一次試車成功。自投產以來，運行平穩(wěn)安全可靠，省時節(jié)能。與其他小型反應釜相比，產品優(yōu)級品率高。除正常檢修停車外，設備從未出現(xiàn)事故，凸顯出大型化工設備的優(yōu)越性，綜合全年生產運行情況見表2，各項經濟指標對比見表2。

表3  全年各項經濟指標匯總
 

4、經濟分析

通過對表l、表2的對比分析，計算結果如下：用單臺80 m 反應釜比其它單臺反應釜生產周期縮短了近3 h；每臺80 m 反應釜比其他反應釜全年多生產聚醚多元醇1 000 t，多創(chuàng)產值1千多萬元。由于主要原料及輔料消耗下降，使產品成本降低，全年可節(jié)省資金350萬元維修費用。同類其它小容積設備相比，它具有省時、高產、優(yōu)質、低耗、安全環(huán)保等優(yōu)點，是迄今為止國內同類反應釜設計較大且使用較成功的，為其他類型化工反應釜的設計及使用提供了寶貴的經驗，全年各項經濟指標匯總，如表3所示。該反應釜的投用，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經濟效益。