破解大容積、超高壓反應釜設計難題的研究

孟闐 白亮 孟明

1.北京畢派克項目有限公司；2.中國石化工程建設公司；3.北京化工大學

一條線一臺釜式法生產LDPE、EVA或POE 的反應釜，目前有據可查的最大容積是3 m3，本文以世界最大容積的5 m3LDPE 或EVA 反應釜為例，闡述破解的研究結果。

LDPE 或EVA 生產主要有釜式法和管式法，目前，管式法的生產能力已經可以達到30 萬t/a，說明生產工藝已經沒有問題了，而生產專用牌號，高附加值產品的裝置則采用釜式法。由于不同工藝的特點，釜式法產品支鏈多、沖擊強度較好，適用于擠出涂層樹脂，這是管式法不能取代的。而采用大容積的聚合釜使單釜產量可以提高到30 萬t/a，可明顯降低投資費用，提高安全性和減少環境問題。

釜式法生產LDPE或EVA是聚合工藝中的關鍵設備，其生產條件為溫度200～300℃、壓力200～350 MPa，反應釜的高徑比在9：1～18：1。由于釜式反應釜屬于厚壁容器，通過反應釜壁的熱傳遞受限制，故反應基本為絕熱過程，沒有明顯的熱量從反應釜內移出，主要通過多點注入冷乙烯和引發劑的進料來控制反應溫度，平衡反應熱。

由于壓力高，LDPE 或EVA 反應釜的電動機都是安裝在反應釜內驅動攪拌器，使反應釜內混合均勻，避免局部熱點出現。引發劑均采用有機過氧化物，沿反應釜徑向在不同位置多點注入，形成不同操作溫度的多個反應段，反應段間無返混，操作靈活，產品應用范圍寬，可生產高含量的共聚產品。

1 對國外兩種反應釜的分析

1.1 某種國外反應釜主要參數

1）電動機直徑Φ600 mm，反應筒體內直徑Φ508 mm，反應段長度9 344 mm，總高度10 163 mm。

2）采用四葉葉端寬的扇形斜槳葉和扇形槳葉組合，將槳葉按照傾斜角度的不同進行成對的組合，改變軸向流動的方向，延長停留時間。槳葉直徑Φ440 mm，葉端線速度22.6 m/s。

3）攪拌器通過2 組中間軸承座將攪拌軸分為3 節，加上圓盤節流，將釜內分成3 個反應區域。

4）攪拌器上端與電動機共用2 組角接觸軸承，承擔攪拌器和電動機轉子的自重。

5）中間兩組軸承座和底部軸承座都選用N 型圓柱滾子軸承，外環沒有擋圈，以利于攪拌器軸向伸縮變形。

6）電動機功率400 kW，直徑600 mm，攪拌器功率279 kW。

1.2 另一種國外反應釜主要參數

1）電動機處內直徑Φ560/600 mm，反應段內直徑Φ600 mm。

2）反應段長度4 835 mm，筒體高度6 852 mm，總高度7 700 mm。

3）攪拌器軸徑230 mm，攪拌器功率320 kW，槳葉直徑Φ590 mm，葉端線速度30 m/s。

4）5 個圓盤單面六葉渦輪槳+24個單葉三角形槳+兩葉槳的組合。

5）渦輪槳將反應區分為5 個區域，延長停留時間。

6）無中間軸承座。

7）電動機額定功率400 kW，電壓660 V，轉速970 r/min，工作電流320 A。

2 破解需要解決的難題

設計容積為5 m3的LDPE或EVA反應釜的難點需要解決以下幾個難題：1）擴大直徑后釜體鋼件的熔煉、鍛造與加工要與加工單位協商，確定是采用一節筒體還是采用兩節筒體；2）如何在筒體內設置多個反應區域和乙烯和引發劑注入點；3）選擇什么樣的攪拌器槳葉形式與結構；4）如何解決攪拌器細長軸的剛度問題；5）如何降低攪拌器葉端的線速度等。

3 破解難題的思路

要破解LDPE 或EVA 反應釜的放大這一世界難題，關鍵是要解決增加反應釜內的反應區域、選用新型槳葉以及降低攪拌器的轉速、槳葉的線速度和功率和提高混合效果這些難題。

根據《攪拌與混合設備設計選用手冊》[1]書介紹，渦輪槳葉最高的線速度10 m/s，螺帶式槳葉最高的線速度4 m/s。目前，1.5m3LDPE 或EVA 反應釜攪拌器的葉端線速度都在23 m/s 以上，如果容積5 m3，攪拌器的葉端線速度可達43 m/s 左右，要將攪拌器葉端的轉速降低15 m/s 以下，匹配的電動機功率就可以大幅度降低。筆者為此對一種5 m3LDPE或EVA反應釜采用減速機的結構進行深入研究，并申請了發明專利，希望能將研究成果變為現實。

4 以5 m3 反應釜為例，說明研究結果

4.1 筒體主要參數的確定

1）GB150.1—2011《壓力容器》[2]1 范圍中第1.2.1 條規定鋼制容器≤35 MPa。GB150.1—2011《壓力容器》4.4 表1 鋼材許用應力的取值中，低合金鋼許用應力取Rm/2.7，Rp0.2/1.5 較低值。按抗拉強度計算[σ]=1070/2.7=396 MPa，按屈服強度計算[σ]=960/1.5=640 MPa。埃克森美孚公司提供的LDPE 或EVA 反應釜的許用應力[σ]=290 MPa，安全系數=980/290=3.379，外徑/內徑=1.75，按照許用應力[σ]=290 MPa，外徑/內徑比≥1.75 進行設計計算不是問題。

表1 3 種容積5m3 筒體直徑與主要參數的對比

2）根據GB/T34019—2017《超高壓容器》[2]5.1.5 條款，容器受壓元件應采用鍛造或擠壓方法成型，鍛件應當保留有足夠的加工余量。鍛件鍛造比≥3，對于經電渣重熔精煉的鋼錠，其鍛造比≥2。

3）目前國內最大的電渣爐在上海重型機器廠有限公司，可以加工450T的電渣重熔高壓容器；中國二重有目前世界最大的8 萬t 鍛壓機；武漢重型機床集團成功打造出目前世界最大規格的超重型數控臥式機床——DL250型機床，該機床身長50 多米，床重1 450 t，最大回轉直徑達5 m，加工精度為0.008 mm，約為頭發絲的1/10，且具有完全自主知識產權的重大國產化裝備。按鍛造比2 的要求加工5 m3以下的一節筒體是沒有問題的。

4）LDPE 或EVA 反應釜釜體、端蓋、卡箍緊固結構的設計可參考GB/T34019—2017《超高壓容器》。

因此，設計、制造5 m3LDPE 或EVA反應釜的難點不在筒體，而在攪拌系統。

4.2 電動機的選擇

國外1.5 m3反應釜配用電動機功率為400 kW，轉速980 r/min，攪拌器選用中心軸，根據反應釜的高度選用2～3 節中心攪拌軸，用卡箍緊固結構連接，中間設1～2 個軸承座，防止攪拌軸擺動。在中心軸穿入多個槳葉，槳葉形式有三角形斜葉槳、四葉或六葉渦輪槳、扇形斜葉槳等多層槳葉組合成的攪拌器，槳葉/內直徑=0.95 左右，這是為了防止物料粘壁。按照這個直徑比例，5 m3的反應釜攪拌器還是需要選用980 r/min 的電動機，攪拌器的線速度將達到41m/s 以上，攪拌器的功率將達到930 kW 以上，這樣高的線速度是不利于物料的混合的，要將這樣高功率的電動機裝入直徑800～900 mm 筒體內的難度很大。目前，可放入反應釜內的10～12 級的大功率的低速電動機還很難選到。這就說明，破解大容積的LDPE 或EVA 反應釜不是難在設備筒體的設計，而是難在攪拌系統與電動機的選擇。

4.3 三種容積5 m3 筒體直徑與主要參數的對比

按照前述條件以5 m3容積為例，分別計算出筒體內直徑Φ800 mm、Φ850 mm、Φ900 mm，這3 組反應釜的主要參數進行對比，見表1。

從表中數據分析，如果取筒體內直徑為800 mm，外徑/內徑比1.80，筒體總高度12 101 mm，筒體重量99 603 kg，比內直徑850 mm、900 mm 的重量可減少2.4 t、4.7 t，筒體高度要高出1 130 mm、1 130 mm、2 090 mm。這要看如何解決攪拌器的細長軸的剛度、攪拌器中間是否要加軸承座、如何降低線速度、匹配電動機功率以及如何將反應釜分隔出多區域等問題。

4.4 攪拌系統的選擇

攪拌系統總體結構如圖2 所示，攪拌系統總成由等電動機、行星齒輪減速機、四葉渦輪槳、中心無通軸、框式組合截面軸、中心開孔式波輪槳葉、中心封閉式波輪槳、下壓式外螺帶、上托式內螺帶、上托式外螺帶下壓式內螺帶以及底軸承座零部件組成。圖中攪拌器下部的直箭頭表示乙烯和引發劑注入點，中部的彎箭頭表示物料走向，除了在攪拌器帶動下物料環向流動外，還按彎箭頭所指的方向流動，以增強混合效果。

圖1 5 m3 反應釜內3 個不同直徑示例

圖2 攪拌系統總體結構

4.4.1 行星齒輪減速機

在電動機與攪拌器之間增加一臺行星齒輪減速機是降低攪拌器線速度的最好選擇。減速機結構如圖3 所示，行星齒輪減速機主要由輸入軸與太陽齒輪、上壓蓋、行星齒輪、內齒圈、行星盤與輸出軸、承擔軸向力的軸承以及下壓蓋等零部件組成，這些零部件可以找專業生產廠專制。

圖3 行星齒輪減速機

專為攪拌器配備的行星齒輪減速機，速比3～3.5，內齒圈最外圈的是減速機與上端蓋用螺栓聯接固定的孔，輸出軸處選用角接觸球軸承和四瓣式深溝球軸承，以承擔攪拌器自重和螺帶產生的軸向力。減速機內的齒輪和軸承的降溫與潤滑，采用冷乙烯從頂部和邊部注入減速機內。減速機殼體周邊留有乙烯向下流動的通道。

4.4.2 攪拌器槳葉

1）減速后攪拌器如果采用實心軸的直徑要大于140 mm，而選用兩端四葉渦輪槳葉與4 根圓鋼組成的中心無通軸、框式組合截面軸，如圖4 所示。與實心軸的截面積基本相同，扭轉承載能力相當于Φ260 mm 實心圓鋼軸，軸的剛度也大大提高，可以取消中間軸承座，相當于框式攪拌器，適用于高粘度物料的混合，可提高混合效果，消除中心軸處的流動死區，有利于提高產品質量。

圖4 中心無通軸組合截面框架軸結構

2）渦輪與波輪槳葉結構，如圖5所示。中心開孔式波輪槳葉與中心封閉式波輪槳葉的依次排列組合，將反應釜內分隔出多個區域。

圖5 渦輪與波輪槳葉結構

3）內外螺帶式槳葉，如圖6 所示。下壓式外螺帶、上托式內螺帶共設4 組，與上托式外螺帶、下壓式內螺帶共設2組間隔排列，底端2 組都是下壓式外螺帶、上托式內螺帶，上托式外螺帶、下壓式內螺帶用于減緩液體的軸向流動，加強反混效果，還可以平衡攪拌器產生的重力，減輕上部軸承的負荷。

圖6 內外螺帶式槳葉

4）底軸承座固定在下端蓋上，軸承座選用大間隙的N 型圓柱滾子軸承，外環沒有擋圈，有利于攪拌器軸向伸縮變形。

5）上端蓋與電動機、減速機連接結構，如圖7 所示。將電動機安裝在上端蓋內，釜體的外徑可以按電動機的直徑計算出外徑，這樣可以減輕5 t 的質量。將電動機安裝在上端蓋內，釜體的高度按電動機的高度可減短2.1 m。可以將減速機固定在上端蓋上。減速機輸出軸與攪拌器之間連接，最上層的單向渦輪槳，既是聯軸器，又是槳葉，還是框架軸的固定端。

圖7 上端蓋內電動機與減速機組合

5 結語

目前實現5 m3超高壓反應釜國產化完全沒有問題，可從這些方面著手實現：1）可以提高EVA、LDPE 釜式法單線、單釜的生產能力；2）可以選用直徑600 mm，功率400 kW、電壓660 V、轉速980r/min 的電動機；3）將電動機固定在上端蓋的筒體內可以縮短筒體高度；4）在反應釜內電動機與攪拌器之間增加一臺行星齒輪減速機，可以降低攪拌器的轉速、槳葉的線速度和軸功率，有利于混合與反應；5）選用多個波輪式與螺帶式槳葉的組合，可以將反應釜分隔出多個區域，延長物料在反應釜內的停留時間；6）選用中心無通軸、框式組合截面軸，比實心軸的截面積減少30%；7）選用框架式、中心無通軸的組合截面軸，可以提高軸的剛度，取消中間軸承座，減輕攪拌器的重量，增強了混合效果，消除了中心軸處的流動死區，有利于提高收率和產品質量。