CN102898560B - 一种新型聚合反应釜 - Google Patents

Abstract

本发明的一种新型聚合反应釜包括釜顶人孔、釜体、内夹套、聚合釜搅拌及传动装置，其中聚合釜顶部人孔直接设置在釜体上，不设短节，解决了人孔短节易结垢的问题。釜体直径为4200mm-4400mm，釜体高度为6900mm-8100mm。本发明的内夹套聚合釜适用于100m³以上的聚合釜，优选106m³、127m³、135m³、143m³的聚合釜。本发明的一种新型聚合反应釜的釜体强度，内壁抛光度，防粘釜性能均能达到实际生产的需要，并优于一般的内夹套式聚合釜。本发明通过内夹套形式把聚合釜的传热系数从原来的600w/(m².K)提高到1100w/(m².K)；单台产能由原来的4-4.5万吨/年提高到4.5-5万吨/年，对于25万吨/年生产能力的装置，共需要6台聚合釜，可提高产能约30000吨/年。聚氯乙烯的价格约为8000元/吨，一年可以多获得2.4亿元的经济效益。

Description

一种新型聚合反应釜

技术领域

本发明属于化工设备领域，尤其涉及一种用于聚氯乙烯生产的聚合反应釜。

背景技术

随着悬浮法聚氯乙烯工业的不断发展，其生产规模不断扩大，由原来的10万～20万t/a向40万～80万t/a发展。聚氯乙烯生产的核心设备是聚合釜，提高单台聚合釜的产能是聚氯乙烯生产规模扩大的瓶颈；聚合釜体积的不断扩大，从30m³到45m³,再到70m³，在扩大到100m³以上，现在100m³及其以上体积的聚合釜是应用的主流，如何提高100m³及其以上体积的聚合釜的产能是现在研究的重点，而传统的大型聚合釜为外夹套形式。

单体聚合成高分子是焓值减少，所以聚合反应是一般是放热反应，对于氯乙烯聚合来说，其聚合放热约为1540kJ/kg,是强换热反应，因此聚合釜的换热能力决定了聚合釜的生产强度。聚合釜的传热过程符合Q=K×F×ΔT，其中，Q—换热量；K—传热系数；F—换热面积；ΔT—换热的温差。可以看出,聚合釜的换热能力取决于3个因素，即传热系数、换热面积、换热的温差。当聚合釜体积确定之后，换热面积基本确定；聚合反应温度对于同一牌号的树脂来说是一个定值，用于移热的循环水温差基本也是固定的，所以能够提高的换热温差很有限，所以能够显著改善的传热因素就是传热系数。

对于外夹套聚合釜来说，釜的内壁既具有承重的功能,又具有换热的功能。由于内壁较厚（如106m³聚合釜如果使用复合钢板的厚度为(3+30)mm），其换热能力较低；釜体壁厚是影响传热的主要部分，占总热阻的56%以上，因此减少金属壁厚的热阻是提高聚合釜传热效率的主要方向，但釜体壁厚受压力和材料强度的制约，无法进一步减薄，所以外夹套聚合釜在提高传热系数的改进上没有显著优势。对于外夹套的改进目前一般是在夹套中设导流板或采用半管夹套，改进半管夹套的焊接方式等，这些措施对于提高聚合釜的传热系数有一定的作用，但效果并不十分明显，其传热系数约为600w/(m².K)，106m³外夹套聚合釜的单台产能约为4-4.5万吨/年。

如果将聚合釜的夹套设置在聚合釜内部，釜自身和反应物料的质量由釜外壳来承担，釜内壁只是具有隔绝冷却介质和换热的功能，可以很大程度地减少釜内壁的厚度，增大传热系数，提高聚合釜的生产强度。

专利200520043542.3公开了全流通半管内夹套PVC聚合釜，该夹套形式为早期聚合釜内夹套形式之一，该内夹套形式为半管内夹套，会造成釜内壁凹凸不平，且半管之间的焊点无法进行深度抛光，其结果影响聚合釜喷涂效果，釜内壁黏釜严重；而且夹套内部结垢严重，传热系数极低；另外该夹套形式一般只能应用小型聚合釜，无法实现大型化，具有很大的局限性，在目前工业生产中鲜有应用。

专利200520043545.7公开了双壳壁全流通内夹套PVC聚合釜，该夹套形式为全流通半管内夹套的改进形式，相当于把半管外夹套移至原釜内壁，半管夹套位于两层釜壁之间，为保证釜壁强度，其内壁厚度仍然较厚，并没有显著提高釜壁传热系数；且该夹套形式一般只能应用小型聚合釜，具有一定的局限性，在目前工业生产中也鲜有应用。

专利200610155807.8公开了105m³的内夹套式聚氯乙烯树脂聚合釜，但是其仅给出了一般内夹套聚合釜的结构组成，并没有解决大体积夹套聚合釜所面临的高难度机械制造问题，并且该内夹套聚合釜顶部人孔与釜体均设有一附加短节，该部分易产生黏釜，黏釜杂质混入PVC浆料会极大影响产品质量；另外其内夹套流道设计存在缺陷，夹套内部易结垢，结垢之后釜壁传热系数急剧降低，无法体现出内夹套聚合釜的优势。

专利200520045285.7公开了全流通内夹套聚氯乙烯聚合釜，该夹套形式与专利200610155807.8公开的聚合釜形式类似，从专利附图可以清楚看出，在夹套焊点处无法实现深度抛光，在该处易发生黏釜，而且难以清洗，在整个聚合釜使用周期中都对产品质量产生不利影响；另外该内夹套流道设计存在缺陷，夹套内部易结垢，结垢之后釜壁传热系数急剧降低，无法体现出内加套聚合釜的优势。

发明内容

本发明首次将内夹套结构用于大型的聚合反应釜，并且克服了一般内夹套聚合反应釜所面临的技术问题，如高难度机械制造工艺、釜壁太厚、易粘釜、易结垢等问题，提供一种换热能力强的新型内夹套大型聚合反应釜。

本发明的一种新型聚合反应釜包括釜顶人孔、釜体、内夹套、聚合釜搅拌及传动装置，其中聚合釜顶部人孔直接设置在釜体上，不设短节，解决了人孔短节易结垢的问题。釜体直径为4200mm-4400mm，釜体高度为6900mm-8100mm。

该聚合釜在釜体设计、机械制造等方面克服了瓶颈和技术难题，该聚合釜采用应力分析设计，传统聚合釜设计仅采用常规设计，一般是以材料力学及板壳薄膜理论的简化计算公式为基础,加上一些经验系数,但并未对容器重要区域的实际应力进行严格而详细的计算；本发明采用应力分析设计，根据应力在容器上的分布、产生的方式及对容器失效时所起作用的差异进行分类并予以不同的限制条件，提高了许用应力强度值,降低了基本安全系数，但对选材、工艺、检验等方面的要求更为严格，在无损检测和热处理等方面有比常规设计更高的要求，这极大改进了传统聚合釜仅仅进行强度计算的设计；以106m³内夹套聚合釜为例，釜体直径4400mm，长径比1.47，总高度12.89m；经过计算后夹套不锈钢厚度仅为6mm，外侧碳钢壁厚22mm；封头处由于受力较大，所以壁厚相对较厚，壁厚3+23mm，其中3mm为不锈钢厚度，23mm为碳钢厚度。

其次为了增加聚合釜壁的传热系数，内部夹套厚度仅为6mm，在聚合釜直径高达4200mm～4400mm，内部反应压力大于1.2MPaG的情况下必须保证足够的强度和刚度，夹套在制作及焊接过程中严格控制加工精度和焊接质量，保证夹套与桶体的同心度，使其在使用中不发生形变；内夹套角钢之间的焊接质量要足够好，整个釜内壁焊接面很大，要保证焊缝的焊接质量，而且角钢之间的焊缝要进行抛光，抛光之后的抛光度要达到Ra<0.1μm，而且抛光之后的焊缝仍必须有足够的强度，保证使用性能。本发明焊接采用机械焊接并辅以人工辅焊，焊接完毕后采用机械抛光和电化学抛光，保证焊缝的抛光度Ra<0.1μm；

该聚合釜具有独特的流道设计，该流道设计能极大避免传统聚合釜夹套内壁结垢和夹套面积不能充分利用的难题，通过合理分配冷却水在流道内的阻力降，设置夹套冷却水的进出口，一般每4组或5组设一进出口，由于冷却水在流道内的阻力一致，其速度保持均一稳定，另外对夹套内部进行清洁处理，保证夹套内部平滑；冷却水进出口设置在釜壁的同一侧，中间用隔板隔开并使其尽量靠近尽量减小夹套端部盲区，这样保证冷却水能充满整个夹套，但是传统聚合釜一般是冷却水进出口开在聚合釜对侧，受各段夹套阻力降的影响，冷却水无法真正充满整个夹套使其冷却面积不能充分利用，影响聚合釜传热。

由于釜顶取消了人孔短节，严格保证焊点处理的抛光度，夹套内部冷却水流量均一稳定，使聚合釜在防黏釜剂喷涂过程中、反应过程中以及反应后的清洗过程中，浆料很难附着在釜壁上形成黏釜，保证了聚合釜的使用性能和使用寿命。

本发明的内夹套聚合釜还适用于100m³以上的聚合釜，优选106m³、127m³、135m³、143m³的聚合釜。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明的一种新型聚合反应釜的釜体强度，内壁抛光度，防粘釜性能均能达到实际生产的需要，并优于一般的内夹套式聚合釜，并且适合100m³以上大型聚合釜的工业应用。采用上述技术方案使用时，通过内夹套形式把聚合釜的传热系数从原来的600w/(m².K)提高到1100w/(m².K)；单台产能由原来的4-4.5万吨/年提高到4.5-5万吨/年，对于25万吨/年生产能力的装置，共需要6台聚合釜，可提高产能约30000吨/年。

附图说明

图1是本发明的聚合釜结构示意图。

图2是内夹套结构示意图。

图3是内夹套接管示意图。

图中：

1、釜顶人孔        2、釜壁            3、上封头

4、下封头          5、内夹套          6、搅拌器

7、搅拌器电机      8、搅拌器传动装置  9、进出口

10、隔板

具体实施方式

本发明的一种新型聚合反应釜包括釜顶人孔1、釜壁2、上封头3、下封头4、内夹套5、搅拌器6、搅拌器电机7及搅拌器传动装置8，其中釜顶人孔1直接设置在釜体上，不设短节解决了人孔短节易结垢的问题；釜体直径为4200mm-4400mm，釜体高度为6900mm-8100mm。

其主要设计过程为首先根据产能计算聚合釜体积，确定聚合釜的直径以及高径比，聚合釜的管口数量、管口直径以及管口分部；根据聚合釜的结构进行应力分析设计，确定聚合釜的桶体壁厚、上下封头厚度、管口强度等，106m³的聚合釜计算结果为：釜体直径4400mm，长径比1.47，总高度12.89m；经过计算后夹套不锈钢厚度仅为6mm，外侧碳钢壁厚22mm；封头处由于受力较大，所以壁厚相对较厚，壁厚3+23mm，其中3mm为不锈钢厚度，23mm为碳钢厚度。

接下来是对聚合釜的各个零部件进行设计，确定聚合釜的搅拌形式、机械密封形式以及机封附属设施。

聚合釜的制造过程如下：

釜体材料到厂后，首先进行材料的化学成分和机械性能的检验，并对复合钢板的表面逐张进行100％超声波探伤。合格后开始进行筒体滚制成型和封头充压成型。在筒体和封头成型过程中，需对滚板轧辊和充压模具进行处理，防止其咯伤复层表面。筒体组焊成型和封头冲压成型后，经检验合格，进行聚合釜内夹套焊接，以机械焊接为主辅以人工焊接，焊接完毕后进行内壁表面抛光，先进行机械抛光再进行电解研磨抛光，使其表面粗糙度Ra＜0.1μm。然后将筒体与封头组焊并经探伤合格、水压试验和气密性试验合格后，开始焊接釜体的上、下封头的半管夹套。上封头上的接管、人孔以及体外冷凝器连接口、下封头的底轴承接缘、内冷挡板接缘以及加热半管等部件组焊合格、并对加工表面进行粗加工后才与筒体组焊，使其满足封头、筒体组焊后的几何形状和位置偏差要求。半管夹套组焊成型后，进行了较高的水压强度试验和气密性试验，确保其焊缝的致密性和强度。

釜体组焊完成后，采用落地式车床，对釜体上、下缘，机架连接缘进行整体加工，使机架安装接缘的平面度、对釜体中心线的垂直度以及传动轴和搅拌轴轴承孔的同轴度达到了施工图设计的要求。另外还需对内冷挡板进行表面处理并抛光。焊接采用机械焊接并辅以人工辅焊，焊接完毕后采用机械抛光和电化学抛光，保证焊缝的抛光度Ra<0.1μm；

聚合釜具有独特的流道设计，该流道设计能极大避免传统聚合釜夹套内壁结垢和夹套面积不能充分利用的难题，通过合理分配冷却水在流道内的阻力降，设置夹套冷却水的进出口9，一般每4组或5组设一进出口，由于冷却水在流道内的阻力一致，其速度保持均一稳定，另外对夹套内部进行清洁处理，保证夹套内部平滑；冷却水进出口设置在釜壁的同一侧，中间用隔板10隔开并使其尽量靠近尽量减小夹套端部盲区，这样保证冷却水能充满整个夹套，

接下来搅拌器的设计制造，首先是对搅拌轴材料的化学成分、机械性能进行检验。经第一次粗加工后，将联轴器接盘与轴组焊，并对组焊件进行振动消除应力处理，还要对搅拌器桨叶进行抛光处理达到设计要求。

聚合釜制造完毕后需进行聚合釜出厂前的机械运转试验，机械试运转试验一般采用水代替工艺物料进行试验，聚合釜机械试运转结束后，经过油漆、包装后运抵现场。

以上对本发明的较佳实施方式进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种聚合反应釜，包括釜顶人孔、釜体、内夹套、聚合釜搅拌及传动装置，其特征在于：釜顶人孔直接设置在釜体上，聚合釜采用应力分析设计，焊接采用机械焊接并辅以人工辅焊，焊接完毕后采用机械抛光和电化学抛光，保证焊缝的抛光度Ra<0.1μm，聚合釜设置夹套冷却水的进出口，每4组或5组设一进出口。

2.根据权利要求1所述的一种聚合反应釜，其特征在于：釜体直径为4200mm-4400mm，釜体高度为6900mm-8100mm。

3.根据权利要求1所述的一种聚合反应釜，其特征在于：聚合釜体积为106m3时，通过应力计算，釜体直径4400mm，长径比1.47，总高度12.89m；夹套不锈钢厚度为6mm，外侧碳钢壁厚22mm；封头处壁厚为3+23mm，其中3mm为不锈钢厚度，23mm为碳钢厚度。

4.根据权利要求1所述的一种聚合反应釜，其特征在于：冷却水进出口设置在釜壁的同一侧，中间用隔板隔开并使其尽量靠近。

5.根据权利要求1所述的一种聚合反应釜，其特征在于：该聚合反应釜适用于100m³以上的聚合釜。

6.根据权利要求1所述的一种聚合反应釜，其特征在于：该聚合反应釜适用于106m³、127m³、135m³、143m³的聚合釜。

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