聚醚反應釜換熱優(yōu)化設計

宋新軍,王 麗,谷昭儀

（威?；C械有限公司,山東 威海264203）

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釜及其關鍵設備和成套工藝技術提出了更高的要求。聚醚反應釜是聚醚合成生產(chǎn)過程中最關鍵的設備。聚醚工業(yè)的快速發(fā)展帶動了聚醚生產(chǎn)工藝的技術進步。合成工藝的技術進步推動了聚醚反應釜的技術發(fā)展，聚醚反應釜技術水平的提高保證了先進工藝得以實現(xiàn)。

然而聚醚反應是個放熱過程，在反應到關鍵階段,物料會放出的大量熱量，隨著物料反應的進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散而發(fā)生危險事故。

2 解決方案

以往用于聚醚反應的攪拌設備的換熱結構靠外部夾套實現(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。以往用于聚醚反應的攪拌設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，不利于反應物放熱后對熱量的置換。

我公司根據(jù)上述不良現(xiàn)象，進行了專項研發(fā)，對聚醚反應釜的結構進行了優(yōu)化，取得了很好的效果。解決上述不良現(xiàn)象，我們對聚醚反應釜的伴熱結構和攪拌結構進行優(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)聚醚反應的工藝過程進行理論計算，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)選結構，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，修正結構，并優(yōu)選出最佳的結構組合；利用冷模試驗裝置按比例進行驗證，減少理論計算和仿真模擬的計算偏差，取保結構的優(yōu)選和可實現(xiàn)性。

具體優(yōu)化如下：

（1）對于伴熱結構的優(yōu)化:采取用內(nèi)、外同時伴熱結構，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，有效的控制了反應物料的反應溫度，保證了釜內(nèi)反應壓力的平穩(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，促進物料的流動，保證了快速的熱量置換。

（2）對于攪拌結構的優(yōu)化:由于聚醚反應過程中的反應物料在開始到完成反應會出現(xiàn)牛頓流體和非牛頓流體不同的反應時期，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。

通過如此的的結構優(yōu)化后設計出的新型聚醚反應釜，具備了生產(chǎn)穩(wěn)定聚醚產(chǎn)物的所需的結構特點，該聚醚反應釜，包括釜體，在釜體上部的中間位置安裝有機架，在機架上部連接有減速機，在減速機上連接有攪拌電機，在機架內(nèi)的減速機與釜體之間設有機械密封部件。攪拌軸通過機械密封部件與減速機相連接，在攪拌軸上安裝高性能流體攪拌混合攪拌器。在釜體內(nèi)部設有單進單出雙螺旋盤管,釜體內(nèi)表面及盤管的外壁進行拋光處理。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、出口。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的不足，通過對反應釜伴熱結構與強有力的攪拌系統(tǒng)相配合可使反應放出的大量熱能迅速散失，通過冷媒將之帶走，提高了聚合反應的換熱效果，對反應更便于控制，而且更安全，使換熱效果達到最佳，同時有利于縮短反應的時間，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,在聚醚反應過程中,高性能流體攪拌混合攪拌器能達到良好的混合效果，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，滿足反應的要求。通過對速度矢量的分析可以得出，攪拌時反應釜內(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，有利于反應的均勻進行。

設備運行時，在釜內(nèi)，冷媒從冷媒進口管進入，并分為兩路直接走盤管，經(jīng)冷媒出口管流出釜后,進入冷媒回管線。在釜外冷媒分為三路，分別通過冷媒進口，進入三部分夾套半圓管，經(jīng)冷媒出口管流出夾套半圓管,進入冷卻水回水管線。在反應的初始階段，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。

該反應釜的優(yōu)點：本設備內(nèi)、外部均采用特殊伴熱結構，可以嚴格的控制反應裝置溫度，能增加反應速率、縮短反應時間，并有效控制聚醚平均分子量和不飽和雙鍵含量。能較好的控制反應鏈增長過程序中，歧化反應、鏈轉(zhuǎn)移反應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 結束語

換熱優(yōu)化的聚醚反應釜的經(jīng)過使用，能有效的控制反應釜溫度，減小釜內(nèi)的溫度梯度。減少反應鏈增長過程序中的歧化反應、鏈轉(zhuǎn)移反應以及大分子間的副反應，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)對反應設備高效、節(jié)能、升溫快、控溫準、保溫好、操作方便、使用壽命長要求。