CN108212053A - 本体法氯乙烯用聚合釜 - Google Patents
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Abstract
一种本体法氯乙烯用聚合釜，包括装配有搅拌器I和搅拌器II的釜体，搅拌器I及其搅拌轴I或搅拌器II及其搅拌轴II为中空结构，搅拌器I底部封闭，搅拌器II顶部封闭；搅拌轴I顶部设有冷却水进口I和冷却水出口I，搅拌轴II底部设有冷却水进口II和冷却水出口II，其技术要点是：搅拌轴I内设有位于中部的与冷却水出口I相连通的通道I，通道I外围设有与冷却水进口I相连通的通道II，冷却水进口I、通道II、通道I以及冷却水出口I之间形成冷却水循环。其具有结构简单紧凑、冷却效果好、运行过程稳定可靠、维护成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及化工用混料设备，具体说是一种本体法氯乙烯用聚合釜，其主要适应于聚氯乙烯本体法的制备。
背景技术
现有PVC树脂的生产方法主要有三种，即悬浮法、乳液法和本体法。其中，本体法聚氯乙烯(M-PVC)工艺是法国阿托公司的专利技术，于1956年开发成功。并在法国的里昂“圣方斯”建成了世界第一套工业化生产装置，当时称之为“一步法”。有18台12m3的卧式旋转聚合釜，聚合釜自身旋转，釜内装有麻花型搅拌和不锈钢球，起搅拌作用，防止粉末结块和聚合物粘壁。
该公司于1960年又开发成功了“二步法”，即聚合反应分两步进行。第一步为预聚合，在预聚合釜内进行，加入单体总量的1/3～1/2和相应的引发剂，聚合转化率控制在8%～12%。第二步为聚合，在聚合釜内进行，将预聚合的物料转入后，再将剩余的氯乙烯单体加入，并补足引发剂，当聚合转化率达到70%～80%时，聚合反应结束。但是，该工艺仍存在有料放不尽，清釜困难，成品“鱼眼”多，残留的氯乙烯单体含量高等缺点。直到1978年该公司再次开发成功了“两段式聚合釜”后，即采用立式聚合釜，才成功地解决了传热、搅拌、回收、自控、树脂质量差等一系列问题，使M-PVC的生产达到了成熟的阶段。
本体法聚合釜中，随着PVC生产规模的不断扩大，大型聚合釜已被广泛应用。通常将容积30m3以下的釜成为小型釜，将容积70 m3以上的釜成为大型釜。大型釜不但可提高产品质量和均一性，而且占地面积小，基建投资也相应较低。
经过大量分析与实验可知，釜体的传热能力是制约其生产能力的关键之一，约60%的热量通过回流冷凝器交换，约30%的热量通过反应釜壁交换，约10%的热量通过冷却搅拌系统交换。由于聚氯乙烯合成属于强放热反应，而现有的反应釜冷却效果有限，若无法保持温度的稳定，则会引起大量副反应产物的生成。
现有的本体法聚合釜，如授权公告号为CN2839283Y的实用新型专利公开的“一种氯乙烯本体法聚合的大型聚合釜”，该技术方案包括釜体、传动装置、搅拌器、聚合反应DCS控制系统，其特点是：传动装置包括设在釜体顶部的上传动装置和底部的下传动装置，搅拌器包括设在釜体内上部的上搅拌器和底部的下搅拌器，釜体直段外壁固设有快开人孔、螺旋半管夹套，釜体底部外壁上固设有螺旋导流夹套。该技术方案存在以下缺陷：虽然填料密封结构更简单、维护更方便，但由于聚合过程中体系温度的升高，导致密封填料落入反应体系，进而影响了最终产品的质量。该技术方案虽然提及了搅拌器内部采用空心结构，便于冷却水流通借以弥补夹套换热不足的缺陷，但是由于该部分需要在保证搅拌轴旋转稳定前提下以保证密封性和冷却效果，本领域技术人员无法在该技术方案的基础上结合本领域的常规技术手段而轻易联想到其具体结构，因为上述结构并非本领域的公知常识。
如授权公告号为CN205387556U的实用新型专利公开的“一种聚氯乙烯大型化树脂聚合釜”，该技术方案包括聚合釜本体、搅拌轴、搅拌器、轴封和传动装置，所述搅拌轴为内外双层中空结构，形成冷却水进和出的独立通道，所述搅拌器为中空结构且内部设置导流通道，所述搅拌器与搅拌轴之间设置冷却水进、出通道，所述聚合釜本体外层还设置有冷却水夹套。该技术方案虽然可通过冷却水在聚合釜内、外同时进行循环流动带走聚合过程产生的热量，能有效实现聚合釜内物料的均匀冷却。但是，本领域技术人员仅通过该说明书记载的内容无从得知冷却水如何在下轴头（304）持续旋转的情况下从套筒（307）进入外搅拌轴管冷却水进口（3011），冷却水如何在下轴头（304）持续旋转的情况下从中心轴管（302）流出外搅拌轴管冷却水出口（3012），因为上述结构并非本领域的公知常识。
发明内容
本发明的目的是提供一种本体法氯乙烯用聚合釜，从根本上解决了上述问题，其具有结构简单紧凑、冷却效果好、运行过程稳定可靠、维护成本低等优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：该本体法氯乙烯用聚合釜包括装配有搅拌器I和搅拌器II的釜体，搅拌器I及其搅拌轴I或搅拌器II及其搅拌轴II为中空结构，搅拌器I底部封闭，搅拌器II顶部封闭；搅拌轴I顶部设有冷却水进口I和冷却水出口I，搅拌轴II底部设有冷却水进口II和冷却水出口II，其技术要点是：搅拌轴I内设有位于中部的与冷却水出口I相连通的通道I，通道I外围设有与冷却水进口I相连通的通道II，冷却水进口I、通道II、通道I以及冷却水出口I之间形成冷却水循环。
通道I和通道II分别与搅拌器I的中空结构相连通。
搅拌轴I内设有倒锥形结构。
搅拌器I为螺旋搅拌器，螺旋叶片内设有螺旋通道，螺旋通道的顶部和底部分别设有导流口，螺旋通道顶部的导流口与通道II相连通，螺旋通道底部的导流口与通道I相连通。
搅拌轴II内设有位于中部的与冷却水出口II相连同的通道III，通道III外围设有与冷却水进口II相连通的通道IV，通道III和通道IV分别与搅拌器II的中空结构相连通，冷却水进口II、通道III、通道IV以及冷却水出口II之间形成冷却水循环。
釜体顶部和底部的搅拌轴导流口上分别设有安装座，安装座上设有底板，底板上分别固定有用于限位搅拌轴I的机架I和用于限位搅拌轴II的机架II，搅拌轴I与机架I的底板之间或搅拌轴II与机架II的底板之间设有机械密封。
搅拌器II通过螺栓固定在搅拌轴II顶部，搅拌轴II与搅拌器II之间设有通道III进口和通道IV出口。
搅拌器II内位于通道III进口和通道IV出口之间的导流板。
搅拌轴I通过联轴器与空心轴I刚性连接，空心轴I，空心轴I上固定有空心轴II，空心轴II上沿周向设有与冷却水进口I相对应的导流孔。
搅拌轴II通过联轴器与空心轴III刚性连接，空心轴III上固定有空心轴IV，空心轴IV上沿周向设有与冷却水进口II相对应的导流孔。
本发明的有益效果：将填料密封改装为机械密封，不但克服了原有机械密封不利于维护检修的缺陷，在不拆减速机电机的情况下即可直接更换机械密封；而且克服了填料密封导致产品质量均一性差的问题。方便安装维护，减少了设备的检修时间，进而提高了生产效率。
通过电解研磨抛光，使釜体内表面粗糙度、搅拌器I、搅拌器II与反应介质接触的外表面粗糙度Ra≤0.08μm，从而有效减少了清釜次数，缩短了生产周期，提高了生产效率。
搅拌器I（螺旋式搅拌器）从聚合釜顶部一直到底部，在搅拌进行的同时，推动并维持粉末的上下循环运动。另外，在反应釜底部设有搅拌器II（锚形刮刀搅拌器），搅拌器底部与反应釜底面曲线相配合。搅拌器II一方面可在液相反应时阻止颗粒形成沉淀，另一方面可在粉末相反应时向搅拌器I送料。两个搅拌器均为低速运转，通过配置变频调速器来实现生产所需搅拌转速。搅拌器I的螺杆叶片采用双弧面（凹面结构），配合外表面Ra≤0.08μm，有效降低了原料粘连在搅拌器I上。
虽然将螺杆搅拌器与挂板/刮刀式搅拌器用于聚合釜的搅拌器属于本领域的常规技术选择，但是如何在保证搅拌器稳定旋转的前提下保证搅拌轴与搅拌器之间的密封性，同时保证搅拌器的冷却效果并非本领域技术人员所能够轻易联想到的。
釜体厚度26+3mm，Q345R是由GB713-1997中的16Mng、19Mng和GB6654-1996中的16MnR合并而成，由于其中含有一定量的合金元素，具有较高的屈服强度。GB150规定的厚度范围为3mm~200mm，其含碳量不高，焊接性较好，当厚度≤34mm时，具有良好的可加工性，即使加工过程不进行预热，不会产生冷、热裂纹。但是，其厚度大、环境温度低时同样会产生冷、热裂纹，在加工前需要进行预热以消除其内应力。
在保证釜体刚性的前提下，采用上述厚度的复合板材，相较于采用Q345R单一材质制成的釜体，不但保留了Q345热阻值低的性能，而且由于采用了复合材质，使得整体质量更轻，制造成本更低。由于各单体的厚度更小，最大的发挥了各单体板材单体易加工性。同时，Q345R与S31603具有更好的相容性和传热性。因此，极大简化了制造工艺。利于釜体容积向大型化发展，更少的受到或者避免了制造工艺条件的制约，延长了聚合釜的使用寿命。
釜体的体积按照几何相似放大以及搅拌器的参数按照动力相似放大后，体积是按照m3级放大，换热面积是按照m2放大，所以需要综合考虑化工工艺过程的热相似理论，通过增加夹套换热面积补充放大后换热面积的不足部分，目前国内本领域技术人员无法娴熟应用上述综合理论研发设备。相较于容积50m3的聚合釜，本发明单釜产能可达3万吨/年，容积提高了40%，产能提高了50%。
半管式夹套盘绕在釜体外壁上，并采用分段进水、出水结构。即将各夹套冷却单元并联，不但有效降低了整个夹套同时出现“短路现象”的几率，而且减小了冷却水在夹套中的流动阻力，从而提高夹套的传热能力。另外，在釜体上设置了体外冷凝器，以更好的完成热量热交换。（冷凝器属于本领域的常规技术选择，此处不再详细阐述其结构）。
附图说明
图1为本发明的剖视结构示意图；
图2为图1中A部分的局部放大结构示意图；
图3为图1中B部分的局部放大结构示意图；
图4为图1中C部分的局部放大结构示意图；
图5为本发明搅拌器I的结构示意图；
图6为图5沿D-D线的剖视结构示意图；
图7为图6沿F-F线的剖视结构示意图；
图8为图5沿E-E线的剖视结构示意图；
图9为图8沿G-G线的剖视结构示意图；
图10为图8沿H-H线的剖视结构示意图；
图11为图10沿K-K线的剖视结构示意图；
图12为图8沿I-I线的剖视结构示意图；
图13为图8从J向沿外管外壁展开的结构示意图。
附图标记说明：1驱动电机I、2冷却水出口I、3冷却水进口I、4冷凝器、5液压缸I、6搅拌轴I、7搅拌器I、8半管夹套、9搅拌轴II、10机械密封、11液压缸II、12机架II、13联轴器、14减速机II、15冷却水进口II、16冷却水出口II、17驱动电机II、18搅拌器II、19快开人孔、20釜体、21过滤器、22机架I、23减速机I、24变频调速器、25通道I、26通道II、27搅拌轴I空腔、28底板、29安装座、30主轴承I、31端盖、32空心轴I、33空心轴II、34主轴承II、35减速机输入轴、36机架I主轴承、37通道III、38通道IV、39通道III进口、40通道IV出口、41堵板I、42上封板、44隔板、45堵板II、46下封板、47外弧板II、48内弧板II、49中隔板、50顶板、51支撑柱、52内弧板I、53外弧板I、54机架II主轴承、55空心轴IV、56螺旋通道、57导流板、58空心轴III。
具体实施方式
以下结合图1~13，通过具体实施例详细说明本发明的内容。该本体法氯乙烯用聚合釜包括装配有搅拌器I 7和搅拌器II 18的釜体20。在釜体上分别安装冷凝器4和过滤器21，并在釜体侧部安装快开人孔19，上述特征在现有技术中已存在较为详细的描述，并且在本文中所起的作用与现有技术相同，不再详细描述其结构。为增加整个系统的换热效率，将搅拌器I 7及其搅拌轴I 6 或搅拌器II 18及其搅拌轴II 9采用中空结构，搅拌器I 7底部封闭，搅拌器II 18顶部封闭（文中的位置限定关系，如顶部、底部等，仅是为描述方便，而以图1的坐标系为参考，并不指代实际安装中各部件的位置）。搅拌轴I 6顶部设有冷却水进口I和冷却水出口I，搅拌轴II底部设有冷却水进口II和冷却水出口II 16。搅拌轴I 6内设有位于中部的与冷却水出口I相连通的通道I 25，通道I 25外围设有与冷却水进口I 2相连通的通道II 26，冷却水进口I 2、通道II 26、通道I 25以及冷却水出口I之间形成冷却水循环。
此外，为提高釜体外壁的换热效果，在釜体外壁上设置半管夹套，为保证釜体夹套8，并将各管路并联，构成若干半管夹套换热单元。一方面可减小夹套内冷却水的流动阻力，另一方面可避免所有管路同时出现“短路”的情况。
在釜体顶部，驱动电机I 1输出轴通过联轴器（附图未标记）与减速机输入轴35刚性连接（为方便控制驱动电机I或驱动电机II的转速，而设置变频调速器24），减速机输入轴35通过一系列的齿轮轴及齿轮调速后最终将驱动电机I 1的扭矩传递给空心轴I 32。空心轴I 32为减速机I 23的输出轴，空心轴I 32通过位于轴承座（图中未标记）内的主轴承I 30和主轴承II 34限位在减速机I 23内，并通过端盖31密封。空心轴I 32底部通过联轴器13与搅拌轴I 6衔接，空心轴II 33通过螺栓固定在空心轴I 32的顶部，在空心轴II 33与冷却水进口I 3对应的高度上沿周向设有若干导流孔（图中未标记），从而可保证即使在空心轴II33持续旋转的情况下，保持冷却水进口I 3保持不动，并将冷却水通入到通道II 26中。
釜体底部的结构与釜体顶部结构相似，驱动电机II 17输出轴与减速机II 14的输入轴（图中未标记）刚性连接，减速机II的输入轴通过一系列的齿轮轴及齿轮调速后最终将驱动电机II 17的扭矩传递给空心轴III 58。空心轴III 58为减速机II 17的输出轴，空心轴III 58通过位于轴承座（图中未标记）内的主轴承（图中未标记）限位在减速机II内，并通过端盖（图中未标记）密封。空心轴IV 55通过螺栓固定在空心轴III 58的底部，空心轴III58顶部通过联轴器13与搅拌轴II 9衔接，空心轴IV 55与冷却水进口II 15对应的高度上设有若干导流孔（图中未标记），从而可保证即使在空心轴IV 55持续旋转的情况下，保持冷却水进口II 15保持不动，并将冷却水通入到通道IV 38中。
搅拌器I 7为螺旋搅拌器，螺旋叶片内设有螺旋通道56，螺旋通道56的顶部和底部分别设有导流口43，螺旋通道56顶部的导流口与通道II相连通，螺旋通道底部的导流口43与通道I 25相连通。
釜体顶部和底部的搅拌轴导流口（图中未标记）上分别设有安装座29，安装座上设有底板 28，底板 28上分别固定有用于限位搅拌轴I 6的机架I 22和用于限位搅拌轴II的机架II 12，机架I的侧部设置液压缸I 5，机架II的侧部设置液压缸II 11，液压缸的设置方式与现有技术相同，不再详细描述。搅拌轴I 6与机架I 22的底板 28之间或搅拌轴II 9与机架II 12的底板之间设有机械密封10。
搅拌轴I 6的通道I 25为变径结构，通过在联轴器安装位置与螺旋叶片之间设置倒锥形结构（如图2底部所示，附图未标记），倒锥形结构上部为通道I，倒锥形结构下部为搅拌轴I空腔27。
搅拌轴I的安装限位，具体为：搅拌轴I驱动输出端的顶部通过联轴器刚性连接在空心轴I 32上，中部通过机架I内的设有机架I主轴承36的轴承座限位，并在轴承座与搅拌轴之间设置密封圈，下部通过机械密封10限位在底板28上。优选的，将倒锥形结构设置在搅拌轴I的该部分。搅拌轴II的安装限位与搅拌轴I相似，其中部通过带有机架II主轴承54的轴承座限位。
为增大换热面积，在搅拌器I（螺杆搅拌器）的螺旋叶片内设置冷却水通道。螺旋叶片由上下两块弧形板构成，弧形板之间的间隙由外向内依次设置堵头的顶板50、支撑柱51、中隔板49，弧形板外侧逐渐收拢并通过顶板50封堵，弧形板内侧直接焊接在搅拌轴外壁上。其中，顶板50、支撑柱51、中隔板49高度逐渐增加，从而将两块弧形板定形，并作为弧形板的支撑结构。从而为中隔板49、弧形板以及搅拌轴外壁之间形成螺旋状的冷却水通道提供有力的结构支持。
进一步的，弧形板采用双层结构（如图9所示），外弧板I 53和外弧板II 47左端直接焊接在搅拌轴I外壁上，右端通过顶板50封死，在中隔板与搅拌轴I外壁之间设置隔板44，隔板44上下两侧分别设置内弧板I 52和内弧板II 48，螺旋叶片上端部通过上封板42封闭，螺旋叶片下端部通过下封板46封闭。
冷却水在重力与形成旋流的共同作用下沿环形的通道II向下旋转流动，沿设置在螺旋叶片顶部的导流口进入螺旋空腔，并继续在重力与形成旋流的共同作用下沿螺旋通道向下流动，当到达搅拌器底部时，从螺旋叶片底部的导流口进入到搅拌轴I 6空腔内，然后继续沿通道I在克服重力的作用下以最小的阻力流出冷却水出口I。通道II为设置在通道I外部的环形结构，冷却水在通道II内可形成稳定的旋流，并将旋流传递至螺旋通道56，螺旋通道顶部通过堵板I 41封闭，将水流导向至上部导流口，螺旋通道底部通过堵板II 45封闭，将水流导向至下部导流口，可通过旋流增加冷却水的行程，加快冷却水的流动速度。
搅拌器II 18为刮刀搅拌器，为方便搅拌器II 18的装配，将其中部设置成与搅拌轴II相配合的筒状结构，搅拌器II 18通过螺栓将该筒状结构固定在搅拌轴II顶部，进而可通过搅拌轴II驱动搅拌器II 18的运动。搅拌轴II与搅拌器II 18之间设有通道III进口 39和通道IV出口40。进一步的，为提高冷却水的行程，使搅拌器II 18由冷却水进口至出口的温度梯度保持稳定，搅拌器II 18内位于通道III进口 39和通道IV出口40之间的导流板（如图3所示）。
搅拌轴II内设有位于中部的与冷却水出口II 16相连同的通道III 37，通道III37外围设有与冷却水进口II相连通的通道IV，通道III 37和通道IV分别与搅拌器II 18的中空结构相连通，冷却水进口II 15、通道III 37、通道IV以及冷却水出口II 16之间形成冷却水循环。
为增加传热效率，在搅拌器II内均设有类似的冷却水通道。具体而言，将冷却水进口II与搅拌轴垂直设置，使冷却水沿环形通道IV的切线方向进入。在环形通道IV内形成旋流，在旋流的作用下，最终在环形通道IV末端沿垂直于搅拌轴II的通道IV出口进入搅拌器II的空腔内，冷却水流沿空腔内的导板形成的水流通道从通道III进口进入位于中部的通道III，在重力作用下以最小的阻力最终从冷却水出口II排出。
虽然现有技术中也公开了在搅拌器内设置冷却水导通管路，但并未公开其中的具体结构。因此，本领域技术人员即使获得上述技术文件，也无从得知如何对现有搅拌器进行改进以获得运行稳定、密封性良好同时具有冷却效果的搅拌器。
使用前，需要在各冷却水通道内（主要为螺旋通道）通入高于实际生产冷却水水压一定数值的高压水流，以测试螺旋通道的密封性和耐压性，避免在实际生产中出现问题。
在保证传热效果的前提下，采用加工效果优良的复合板，如Q345R+S31603，符合NB/T47002.1~4-2009《压力容器用爆炸焊接复合板》标准。釜体的高径比优选为1.22：1，封头是长短轴比值为2：1的标准椭圆形，釜体总容积为70m3。为配合70m3的釜体容积，搅拌器I的螺旋叶片直径优选1600~1950mm，螺距优选1700~2125mm。减速机I可采用LPJ-280，优选在18~26rpm变频调速，减速机II可采用LPJ-280，优选在10~15rpm变频调速。
Claims (10)
1.一种本体法氯乙烯用聚合釜，包括装配有搅拌器I和搅拌器II的釜体，搅拌器I及其搅拌轴I或搅拌器II及其搅拌轴II为中空结构，搅拌器I底部封闭，搅拌器II顶部封闭；搅拌轴I顶部设有冷却水进口I和冷却水出口I，搅拌轴II底部设有冷却水进口II和冷却水出口II，其特征在于：搅拌轴I内设有位于中部的与冷却水出口I相连通的通道I，通道I外围设有与冷却水进口I相连通的通道II，冷却水进口I、通道II、通道I以及冷却水出口I之间形成冷却水循环。
2.根据权利要求1所述的本体法氯乙烯用聚合釜，其特征在于：通道I和通道II分别与搅拌器I的中空结构相连通。
3.根据权利要求2所述的本体法氯乙烯用聚合釜，其特征在于：搅拌轴I内设有倒锥形结构。
4.根据权利要求1或2或3所述的本体法氯乙烯用聚合釜，其特征在于：搅拌器I为螺旋搅拌器，螺旋叶片内设有螺旋通道，螺旋通道的顶部和底部分别设有导流口，螺旋通道顶部的导流口与通道II相连通，螺旋通道底部的导流口与通道I相连通。
5.根据权利要求4所述的本体法氯乙烯用聚合釜，其特征在于：搅拌轴II内设有位于中部的与冷却水出口II相连同的通道III，通道III外围设有与冷却水进口II相连通的通道IV，通道III和通道IV分别与搅拌器II的中空结构相连通，冷却水进口II、通道III、通道IV以及冷却水出口II之间形成冷却水循环。
6.根据权利要求5所述的本体法氯乙烯用聚合釜，其特征在于：釜体顶部和底部的搅拌轴导流口上分别设有安装座，安装座上设有底板，底板上分别固定有用于限位搅拌轴I的机架I和用于限位搅拌轴II的机架II，搅拌轴I与机架I的底板之间或搅拌轴II与机架II的底板之间设有机械密封。
7.根据权利要求6所述的本体法氯乙烯用聚合釜，其特征在于：搅拌器II通过螺栓固定在搅拌轴II顶部，搅拌轴II与搅拌器II之间设有通道III进口和通道IV出口。
8.根据权利要求7所述的本体法氯乙烯用聚合釜，其特征在于：搅拌器II内位于通道III进口和通道IV出口之间的导流板。
9.根据权利要求8所述的本体法氯乙烯用聚合釜，其特征在于：搅拌轴I通过联轴器与空心轴I刚性连接，空心轴I，空心轴I上固定有空心轴II，空心轴II上沿周向设有与冷却水进口I相对应的导流孔。
10.根据权利要求9所述的本体法氯乙烯用聚合釜，其特征在于：搅拌轴II通过联轴器与空心轴III刚性连接，空心轴III上固定有空心轴IV，空心轴IV上沿周向设有与冷却水进口II相对应的导流孔。
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