106 m3內膽式PVC聚合釜的研制

楊春輝 ,劉路新，李建輝，陸曉峰，趙國程，張濤，羅忠新

(1.葫蘆島華遠化工機械裝備有限公司，遼寧 葫蘆島 125003；2.唐山三友氯堿有限責任公司，河北 唐山 063305)

國內106 m3PVC聚合釜及其工藝技術是在20世紀90年代從歐洲乙烯公司引進的105 m3PVC聚合釜裝置及其工藝技術的基礎上改進而來的，該裝置及其工藝技術與當時國內PVC發展水平、規模相比，具有大型化、高轉化率、助劑無毒化等特點，且控制系統高度自動化；其生產過程采取密閉入料方式，具有汽提效率高、VCM殘留量低、樹脂顆粒均勻、表觀規整、增塑劑吸收性好等特性；生產的PVC樹脂易于塑化、便于加工，可使塑料加工企業的生產能力提高15%以上；使用該PVC樹脂加工生產的塑鋼門窗、管材、管件等成品的外觀白度、光滑度顯著提高，且更耐沖擊、彎曲、老化。

隨著該引進裝置及其工藝技術在國內的應用，經過PVC行業人士對其工藝技術的吸收、改進和創新，以及國內裝備研制水平的不斷提高，特別是聚合釜等核心設備的改進和創新，形成了目前國內特有的106 m3PVC聚合釜及其工藝技術，在保證原有引進裝置特點和樹脂顆粒優秀特性的前提下，設備產能及樹脂質量進一步提高。

1 106 m3 PVC 聚合釜的研制情況

截至目前，在保持設計壓力、設計溫度等參數不變的前提下，國內聚合釜制造廠家研發的106 m3PVC 聚合釜有以下3種釜型。

1.1 106 m3半管外夾套PVC 聚合釜

106 m3半管外夾套PVC 聚合釜是傳統釜型，目前已逐漸成為我國PVC生產的主要釜型，其結構見圖1。

圖1 106 m3半管外夾套PVC 聚合釜結構簡圖Fig.1 Diagram of structure of 106 m3 PVC polymerizer with external half-pipe jacket

葫蘆島華遠化工機械裝備有限公司(以下簡稱華遠化機)為唐山三友氯堿有限責任公司研制的106 m3半管外夾套PVC聚合釜(以下簡稱原始釜型)是通過設計優化和應用華遠化機的整體一次性電解拋光專利技術制造的，單釜產能達到4萬t/a，清釜周期每年1～2次，生產過程平穩，產品質量優異。

1.2 106 m3內夾套PVC聚合釜

106 m3內夾套PVC 聚合釜分為2種釜型。

(1)第1種106 m3內夾套PVC聚合釜。

第1種106 m3內夾套PVC聚合釜結構見圖2。

圖2 第1種106 m3內夾套PVC聚合釜結構簡圖Fig.2 Diagram of structure of first kind of 106 m3 PVC polymerizer with internal jacket

第1種106 m3內夾套PVC聚合釜主要將原半管外夾套改為內夾套，并向內凸起，由50余條窄環圈焊接而成，這種結構導致該型釜可能存在如下問題。

①由于內夾套是由50余條窄環圈焊接而成的，焊縫間隔僅為120 mm左右，造成焊接應力過于集中，且由于聚合釜釜體不銹鋼復層的存在，沒有合適的方法消除大部分焊接應力，而設備在運行過程中，隨著冷熱交替、物料沖擊等多種因素的作用，應力不斷釋放，使釜體內漏的概率大大增加。

②內夾套向內凸起，在攪拌器上方形成一個封閉環狀的擋環，根據攪拌過程基本理論及多年試驗研究經驗可知，該擋環改變了流場內部結構，對流場會產生消極影響，甚至產生死區，從而影響最終樹脂產品的產量和質量。生產實踐最終也證明，該型釜的流場無法滿足相應的化工工藝要求，不得不進一步改造。

該型釜改造后結構如圖3所示。

圖3 第1種106 m3內夾套PVC 聚合釜改造后結構簡圖Fig.3 Diagram of improved structure of first kind of 106 m3 PVC polymerizer with internal jacket

改造方案是應用一段錐體把內夾套凸向釜內的部分過渡到封頭弧段，該型釜按圖3改造完成后，流場狀態有所好轉，但仍無法達到原始釜型的技術性能。

(2)第2種106 m3內夾套PVC聚合釜。

鑒于第1種106 m3內夾套聚合釜存在的問題，國內廠家又研制了第2種內夾套釜型，其結構如圖4所示。

圖4 第2種106 m3內夾套PVC 聚合釜結構簡圖Fig.4 Diagram of structure of second kind of 106 m3 PVC polymerizer with internal jacket

汲取了第1種106 m3內夾套PVC 聚合釜因改變釜內結構尺寸而造成的流場狀態惡化的教訓，第2種106 m3內夾套PVC 聚合釜的設計保持了釜體內部流場不變，即釜體內部結構、尺寸與原始釜型相同。從結構、尺寸的角度看，相當于把第1種內夾套釜型向內凸起的內夾套擴張至與封頭內表面平齊，解決了第1種釜型中因流場改變而產生的消極影響。

但該釜型的內夾套仍是由50余條窄環圈焊接而成，這種結構導致釜體內漏概率大大增加的問題仍然存在。

1.3 106 m3內膽式PVC聚合釜[1-2]

106 m3內膽式PVC聚合釜是華遠化機研制的新型聚合釜產品，在大幅度提高傳熱能力的同時，通過攪拌試驗研究手段，對攪拌能力進行了優化調整，設計產能達到4.8萬～5萬t/a，采用的內膽式結構華遠化機已經申報國家專利。該內膽式結構在理論上可應用于所有規格的PVC聚合釜，可大大提升聚合釜的產能，是一項具有劃時代意義的突破技術，將促進我國PVC 行業的技術進步。

106 m3內膽式PVC 聚合釜結構簡圖如圖5所示，技術參數見表1。

圖5 106 m3內膽式PVC 聚合釜結構簡圖Fig.5 Diagram of structure of 106-m3 inner-bladder-type PVC polymerizer

表1 106 m3內膽式PVC 聚合釜技術參數Table 1 Specification of 106-m3 inner-bladder-type PVC polymerizer

2 106 m3內膽式PVC聚合釜的設計

在PVC生產中，如果攪拌效果、傳熱效率不好，則聚合熱量集中，易產生局部爆聚，造成樹脂質量低劣，甚至成為廢品。因此，傳熱和攪拌是PVC生產中極其重要的過程。

(1)傳熱能力的提升。

當一種釜型確定后，換熱面積A基本就確定了，由于每釜反應物料數量、組成一定，因而反應熱負荷Q就一定，由傳熱速率方程式Q=K·A·Δt可知，若要提高傳熱速率，設計時應著重考慮盡可能提高傳熱系數K。傳熱系數K是評價聚合釜的重要技術指標，它對聚合釜的生產能力、產品質量、生產成本、動力消耗都有重大影響。

由式(1)傳熱系數方程式可知，減小壁厚δ可有效提高傳熱系數K。

(1)

式中：K—總傳熱系數,α1—熱流體傳熱系數，δ—壁厚，λ—壁材的導熱系數，α2—冷流體傳熱系數。

不論是之前的內夾套聚合釜還是華遠化機研制的內膽式聚合釜，設計思路之一就是通過最大程度地減薄與物料接觸的釜體的壁厚，使聚合反應過程中產生的熱量被冷卻介質最大程度地交換出去為出發點，提高換熱速率，以縮短聚合反應時間，進而增加樹脂產量，乃至提高樹脂質量。

華遠化機研制的內膽式聚合釜的內殼體仍沿襲原始釜型的結構設計，制作成為一個整體結構，與上下封頭組焊后，再逐條組焊導流板(兼起內膽的加強圈作用)、外夾套，使內膽、導流板、外夾套成為封閉的結構，這樣滿足了有限元應力分析計算條件。該型釜與原始釜型的制作工藝基本一致，但內殼體的壁厚減薄了50%以上，所以稱之為內膽式聚合釜更為準確。這種封閉的結構通過有限元應力分析計算(結構應力分析圖見圖6)表明強度完全滿足技術要求，有效地保證了設備運行的穩定性和使用壽命。而需要說明的是，此種結構也有效避免了前種釜型因內夾套是由50余條窄環圈焊接而成，一旦焊縫或焊接影響區產生裂紋，導致釜體內漏的問題。

圖6 106 m3內膽式PVC 聚合釜結構應力分析圖Fig.6 Structural stress analysis diagram of 106-m3 inner-bladder-type PVC polymerizer

(2)攪拌能力的提升。

多年來，華遠化機對聚合釜的攪拌特性進行了不斷地研究和探索，并在與浙江大學、北京化工大學的多項攪拌研究項目的合作中頗有受益，技術水平不斷提升。在106 m3內膽式PVC聚合釜的研發過程中，考慮到換熱效率大幅增加，用攪拌過程放大的理論來描述，就是該型釜釜壁大幅減薄后，攪拌傳熱過程產生了放大效應，因而有必要對攪拌的其他過程也進行適當的放大調整，以達到理想的放大匹配效果。為此，華遠化機選擇了攪拌器比擬放大，通過攪拌冷模試驗，在原攪拌器、擋板參數的基礎上，分別增加、調整一定比例的長寬尺寸，組成若干組數據，并進行試驗比較，根據試驗結果淘汰、優化數據，最后應用先進的粒子圖像測速系統和計算流體力學實時模擬軟件等先進手段對優化后的數據組予以印證(速度矢量圖和流場速度分布圖分別見圖7和圖8)，由此確定了合理的攪拌器、擋板匹配參數(該攪拌器參數范圍華遠化機也已經申報了國家專利)。據此數據對攪拌器和擋板參數進行了優化調整，使流場循環次數、均勻度進一步提升，有利于PVC產量和質量的進一步提高。

圖7 速度矢量圖Fig.7 Velocity vector diagram 圖8 流場速度分布圖Fig.8 Diagram of flow velocity distribution

在研制過程中，采用的冷模試驗模型如圖9所示；功率特性測定采用電阻應變法，通過扭矩傳感器測取應變信號，然后由數字表頭轉變成電信號后再用試驗軟件系統計算結果；攪拌轉速測定是通過磁電轉速傳感器采集信號后由數字轉速儀顯示結果；攪拌試驗槽的形狀、尺寸與原始釜型的幾何形狀、尺寸相同，采用直徑為390 mm的無色透明有機玻璃圓柱槽，并配橢圓封頭，裝料系數按0.85計，試驗物料為潔凈水和密度、粒度與PVC相近的示蹤粒子；通過試驗取得的各組攪拌器功率特性、循環特性和流場特性，確定攪拌功率準數NP、排出流量準數Nqd，然后計算攪拌功率、單位體積功和循環次數等特性參數。

試驗槽結構尺寸 試驗裝置

(3)表面拋光。

釜體制作完成后，利用機械拋光設施對釜體內表面進行整體機械拋光，達到表面粗糙度Ra≤0.05后，再對其內表面進行整體一次性電解拋光，該技術將有效降低生產過程中的粘釜現象，縮短每次清釜時間。正常生產情況下，可保證每年清釜次數≤2次。華遠化機整體一次性電解拋光效果如圖10所示。

圖10 整體一次性電解拋光效果Fig.10 Electropolishing effect of the entire polymerizer in a single process

3 結語

我國從引進歐洲乙烯公司的105 m3聚合釜裝置及其工藝技術開始，至今歷經20余年，在充分消化吸收其技術的同時，我國PVC行業人士經過對其工藝配方、生產過程控制的調整、優化，以及聚合釜設備的改進、創新，形成了我國特有的106 m3聚合釜裝置及其工藝技術。華遠化機攪拌技術研發團隊通過建立冷模試驗，優化選擇攪拌參數，并應用先進的粒子圖像測速系統和計算流體力學實時模擬軟件等先進手段予以印證，最終確定了合理的攪拌器、擋板參數匹配，成功研制出了新型106 m3內膽式PVC聚合釜。該釜的攪拌流場循環次數、混勻度進一步提升，與該公司為唐山三友氯堿有限責任公司研制的106 m3PVC聚合釜相比，產能將再提高25%以上，預計可達到4.8萬～5萬t/a。該釜的成功研發將為我國PVC聚合釜技術水平的提升帶來一場革命，必將進一步促進我國PVC行業的可持續性健康發展。