淺談4號聚合釜內(nèi)冷改造

1、淺談聚合釜內(nèi)冷的改造摘 要：本文主要討論了聚丙烯廠4號聚合釜內(nèi)冷的改造，通過改造優(yōu)化了裝置冷卻系統(tǒng)的傳熱過程，提高了聚合釜的撤熱能力使得聚合反應(yīng)的壓力更好控制。關(guān)鍵詞：聚丙烯 聚合釜 內(nèi)冷 1. 我裝置聚合釜的現(xiàn)狀1.1 聚合釜的設(shè)計(jì)參數(shù) 參數(shù)規(guī)模12m³實(shí)際容積/ m³12.14釜高/m4.3筒體高度/m3上下封頭高度/m1.3釜內(nèi)徑/m2.0夾套內(nèi)徑/m2.2螺帶外徑/m1.6螺帶內(nèi)徑/m0.94螺帶寬度/m0.33螺帶螺距/m0.72螺帶總高度/m2.7螺帶升高斜率0.24攪拌轉(zhuǎn)速(r/min)60電機(jī)功率/kW75夾套傳熱面積/23U形內(nèi)冷管面積/5冷卻水流量/(m

2、3/h)100聚合釜設(shè)計(jì)壓力/MPa4夾套設(shè)計(jì)溫度/100設(shè)備總高度/m8141設(shè)備總質(zhì)量/kg147501.2 聚合釜的流程圖 如下圖所示，為聚合釜的流程圖。聚合釜在小于3.7MPa的壓力條件下進(jìn)行操作。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，釜內(nèi)物料的相態(tài)也發(fā)生變化。開始反應(yīng)時(shí)釜內(nèi)全是液相丙烯，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，液相丙烯中懸浮的聚丙烯固體顆粒逐漸增多，反應(yīng)后期幾乎全是聚丙烯顆粒。因此，聚合釜采用螺帶式攪拌器。聚合釜以夾套撤熱為主，輔以釜內(nèi)冷卻管撤熱的方式。 圖1 聚合釜流程圖1.3 聚合釜的壓力控制聚合釜的壓力控制表現(xiàn)在恒溫階段，聚合釜的壓力是通過與夾套循環(huán)水和內(nèi)冷循環(huán)水調(diào)節(jié)閥組成的回路進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)實(shí)際測量壓力

3、超過設(shè)定值0.03MPa時(shí)，夾套循環(huán)水全開，當(dāng)實(shí)際測量壓力超過設(shè)定值0.06MPa時(shí)，內(nèi)冷循環(huán)水全開。相反，當(dāng)實(shí)際測量壓力低于設(shè)定值0.03MPa時(shí)，內(nèi)冷循環(huán)水全關(guān)，若壓力繼續(xù)下降，當(dāng)實(shí)際測量壓力低于設(shè)定值0.06MPa時(shí)，夾套循環(huán)水全關(guān)。通過以上控制方案實(shí)施，使壓力保持穩(wěn)定。下圖為聚合釜的壓力控制圖。圖2 聚合釜壓力控制2 內(nèi)冷改造的原因2.1 生產(chǎn)原理間歇式液相聚丙烯裝置生產(chǎn)工藝采用齊格勒-納塔催化劑，使丙烯上的甲基受催化劑的影響沿一定的方向在主鏈上有規(guī)則的排列，得到堅(jiān)韌的高結(jié)晶度聚合物，即立構(gòu)規(guī)整聚丙烯。 聚丙烯廠采用的是三氯化鈦-三乙基鋁TiCl3-Al(C2H5)3催化體系，反應(yīng)式如

4、下：2.2 內(nèi)冷改造的理論意義該反應(yīng)屬于放熱量為+590kJ/mol的放熱效應(yīng)。聚丙烯的熔點(diǎn)為164170，因此在反應(yīng)的整個(gè)過程中，反應(yīng)釜溫度必須恒定在一定的范圍，以避免聚合物的爆聚和塑化結(jié)塊；同時(shí)，由于釜內(nèi)存在大量的液相丙烯，根據(jù)單組分汽液平衡，氣相量不斷增多；又根據(jù)氣體狀態(tài)方程PV=NRT(其中為校正因子)，溫度T也升高，釜內(nèi)的壓力P也隨之成倍的增長，而聚合釜的安全定壓為4.0 MPa。所以，必須不斷地將反應(yīng)熱撤出，以確保整個(gè)反應(yīng)體系的溫度、壓力保持在一定的范圍內(nèi)，以保證成品質(zhì)量和避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。2.2.1 反應(yīng)熱的計(jì)算該反應(yīng)熱效應(yīng)為2172.9KJ/kgPP,在TiCl3-Al(C2

5、H5)3動力學(xué)特征中，反應(yīng)高峰期每小時(shí)丙烯轉(zhuǎn)化率為38.46%。所以，每釜生產(chǎn)聚丙烯3000kg，則反應(yīng)高峰期的反應(yīng)熱：Q=2172.95×3000×38.46%÷1=2507150kJ/h=696.4 kW由于攪拌螺帶與物料的摩擦產(chǎn)生的熱Qa=P軸查得P軸=1.71其中:-物料表觀密度=0.45t/H-物料高度 H=2.34 mn-攪拌轉(zhuǎn)速n=60r/min=1 r/sD-螺帶外徑 D=1.6 mg-物理常數(shù) g=9.810所以P軸=1.71×0.45×9.810.95×2.341.34×11.1×1.62 =5

6、3.5 kW所以Q1=Q+P軸=696.4+53.5=749.9kW聚合釜本身散熱約為5%，則需要冷卻水每小時(shí)撤走熱量（散熱總量）為：Qmax=Q1×95%=749.9×95%=712.44 kW2.2.2 傳熱面積計(jì)算在改造之前，聚合釜的傳熱面積是： S=S夾套+S內(nèi)冷=23+5=282.2.3 溫差計(jì)算循環(huán)水進(jìn)出聚合釜的平均溫度分別約為25和31，釜體上下溫度分別為76和72，所以溫差為：熱介質(zhì)7672冷介質(zhì)322444 48 t=(48-44)(48/44)=45.972.2.4 傳熱系數(shù)的計(jì)算據(jù)液相本體法PP聚合釜夾套傳熱系數(shù)的計(jì)算公式：K=a×e(-0.

7、809C)式中，K-傳熱系數(shù)，W/m2·K丙烯轉(zhuǎn)化率為零，即釜內(nèi)全為液相丙烯時(shí)的傳熱系數(shù)，W/m2·KC-丙烯轉(zhuǎn)化率查資料在聚合釜材質(zhì)：16MnR，a可取580698 W/m2·K取a=600 W/m2·K根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)特征，轉(zhuǎn)化率為10%時(shí)反應(yīng)熱放熱高峰期，則取C=0.1K=a×e(-0.809C)= 600×e(-0.809×0.1)=600×0.922=553.2 W/m2·K2.2.5 問題的提出由上面計(jì)算實(shí)際生產(chǎn)中的傳熱總效率為Qt=K·S·t=553.2×28&#

8、215;45.9=710.97 kW所以QT<Qmax說明實(shí)際生產(chǎn)中撤熱能力偏小，使得釜的一部分熱無法及時(shí)撤出，而導(dǎo)致大量問題的出現(xiàn)。由于丙烯聚合時(shí)液相本體聚合反應(yīng)，其過程是一個(gè)非穩(wěn)定過程。因此，反應(yīng)熱的放出也是一個(gè)非穩(wěn)定過程，反應(yīng)撤熱矛盾相對突出。由于夾套是聚合釜的一部分，改造起來比較困難，所以只能對內(nèi)冷進(jìn)行改造。2.3 內(nèi)冷改造的現(xiàn)實(shí)意義2.3.1 催化劑用量提不起來目前國內(nèi)與我們廠相同的裝置單釜的催化劑已經(jīng)提到了平均90g/釜，而我們裝置目前的催化劑基本上穩(wěn)定在50g/釜,造成反應(yīng)周期延長。而催化劑用量提不起來的主要原因是催化劑一旦提起來，反應(yīng)的壓力就難以控制，只有通過高壓回收去控

9、制釜的壓力，造成單釜產(chǎn)量降低。2.3.2 新水用量比較大由于我們裝置的U型管換熱面積小，在反應(yīng)前期即使將內(nèi)冷循環(huán)水100%全開，壓力仍然難以控制。不得已只能打開新水，但新水也是對壓力的控制是一個(gè)暫緩的過程，仍然要多次回收，然后再用新水去控制反應(yīng)，只有這樣才能控制住壓力。而國內(nèi)一些相同的裝置，在相同的條件下，幾乎都不用新水，所以考慮到目前的大環(huán)境必須對內(nèi)冷進(jìn)行改造以降低新水的用量。2.3.3 反應(yīng)周期較長 我們知道聚合反應(yīng)是在一定的壓力，一定的溫度下所進(jìn)行的反應(yīng)。聚合反應(yīng)的壓力越高，聚合反應(yīng)的速度越快。而聚合反應(yīng)速度越快，則聚合反應(yīng)會放出大量的熱，由于目前我們裝置夾套和內(nèi)冷的撤熱能力相對較弱，就

10、只能將聚合反應(yīng)的壓力控制的低一點(diǎn)，即在恒溫階段將恒溫壓力設(shè)定的低一點(diǎn)，這樣就會使得聚合反應(yīng)的周期更長。另外由于夾套和內(nèi)冷的撤熱能力較弱，所以催化劑一直提不起來，這也會使得聚合反應(yīng)的周期變長，所以只有通過增大撤熱能力去減少反應(yīng)周期以投更多的釜。2.3.4罐區(qū)壓力高 由于聚合釜的撤熱能力較弱，當(dāng)壓力控制不住的時(shí)候，聚合主操只有通過高壓回收通過液相丙烯汽化帶走大量的反應(yīng)熱去控制聚合釜的壓力，而高壓回收的丙烯都進(jìn)入到了R-3里了，當(dāng)多個(gè)釜同時(shí)回收的時(shí)候就會迅速使得R-3的壓力升高，R-3壓力高就只能向各罐平衡壓力或向氣柜泄壓的辦法來解決，這樣整個(gè)罐區(qū)的壓力都會升高，增加了安全隱患。所以，只有通過內(nèi)冷改

11、造去增加聚合釜的撤熱能力去減少高壓回收的次數(shù)。2.3.5 單釜產(chǎn)量低由于現(xiàn)有聚合釜的撤熱能力較弱，當(dāng)壓力控制不住的時(shí)候就只有通過高壓回收去降低聚合釜的壓力，而每回收一次就會使得聚合釜投進(jìn)去的料更少，使得聚合產(chǎn)生的聚丙烯粉料更少。所以，只有通過內(nèi)冷改造去提高單釜產(chǎn)量。3 內(nèi)冷改造過程由傳熱方程Q=KAT可以看出，提高傳熱系數(shù)K、增大傳熱面積A、增大平均溫度差t中任何一個(gè)均可強(qiáng)化傳熱。根據(jù)我們廠的現(xiàn)狀，增加t只有依靠去更換現(xiàn)有的三臺冷卻塔，而更換現(xiàn)有三臺冷卻塔又需要較大的投入，并且會造成裝置所有的釜停止生產(chǎn)，不太現(xiàn)實(shí)。增大傳熱系數(shù)K即要減小對流傳熱熱阻、污垢熱阻和管壁熱阻，施行起來比較困難，所以未予以采納。對于增大傳熱面積A容易實(shí)現(xiàn)，并且成本不高，所以一致認(rèn)為該項(xiàng)措施比較符合我廠的實(shí)際，實(shí)施起來也比較簡單。而夾套作為釜的一部分增加換熱面積比較困難，所以采取對內(nèi)冷增加換熱面積，并在聚合釜的頂部增加氣相冷凝管。下圖為我裝置內(nèi)冷改造前后的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖我們可以計(jì)算出，改造前的內(nèi)冷換熱面積為圖3 改造前后內(nèi)冷結(jié)構(gòu)對比S內(nèi)冷=5改造后的內(nèi)冷換熱面積為S改造后= S液相+S氣相=7.2+2.3=9.5在其它條件相同的情況下改造后的液相撤熱量相應(yīng)可以增加Q=由以上計(jì)算可知改造后的換熱