关于聚合釜的发展现状及展望

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关于聚合釜的发展现状及展望
摘要：针对聚合釜的设计问题，聚氯乙烯(PVC)在其中发挥了不可替代的作用。为使得更好的服务于生产，应该从各方面加以研究。
关键词：聚合釜  聚氯乙烯(PVC)  研究
1聚合釜研究现状
    聚氯乙烯(PVC)树脂是合成树脂中的大宗品种之一。随着我国国民经济的高速增长，PVC树脂的需求量也在迅猛增长。据有关机构预测，未来8年内中国PVC的年需求量将达到900万～1 000万t，成为全球最大的PVC消费国。这也成为目前国内许多PVC生产厂家正在或计划新、改、扩建大型PVC生产装置的主要原因。我国PVC 工业已经过了40 多年的发展,在消化、吸收国外先进技术的基础上,国产化聚合釜技术研究已得到了很大程度的提高。在PVC 生产工艺中,聚合釜是最关键的设备,直接影响着PVC 产品的质量和产量。
    聚合釜技术主要取决于两点:搅拌流场和传热系统。搅拌流场是决定PVC 产品质量的主要因素,而传热系统的好坏是决定聚合釜生产能力的重要因素[1-3]。目前聚合釜的发展有如下几个特点:(1)大型化。随着PVC生产装置规模的不断扩大，大型聚合釜已在国内外PVC装置中普遍采用，采用大型釜的好处是：PVC村脂产品质量和均一性提高，装置建设的占地面积减少，装置建设投资降低，装置生产管理费用和维修费用降低。因此，在新建或扩建的单釜生产线生产能力在5万t/a以上的PVC生产装置中，大多采用了70～200m3的聚合釜；(2)高生产强度。聚合釜生产强度取决于两个方面的因素：一是聚合釜设计的传热能力；二是化工工艺设计的聚合反应时和生产辅助时间。提高聚合釜的传热能力通常采用最佳的搅拌与挡板组合、高传热系数的传热结构、适宜的冷却水流速及回流冷凝器等。缩短聚合生产周期通常的工艺措施有加冷热水技术、防粘釜技术、采用复合引发剂降低热负荷分布指数、带压出料及采用部分冷冻水等。聚合釜的高传热能力与相应的化工工艺措施相结合，保证了聚合釜的高生产强度。(3)使用的安全可靠性大大加强。在搅拌冷模试验技术放大的基础上进行聚合釜搅拌器的选型和结构设计，对树脂质量和传热支果提供了可靠保证，聚合釜搅拌转速可调，更适应了不同型号树脂的生产要求。聚合釜的安全泄放装置采用安全阀与爆破膜的组合结构，解决了单一安全阀易堵失灵的弊病。聚合釜的轴封多采用带集油盘的双端面机械密封，国内配套的机械密封使用寿命有的已经达到了l6 000 h，泄漏量指标降到5mL/h以下[5-7]。
2聚合釜设计中的关键问题
2.1聚合釜传热能力与结构之间的关系
    在聚合釜设计中, 内壁的强度与传热是一对突出的矛盾, 从力学的角度, 内壁越厚, 强度越好, 安全性越高但从工艺的角度, 内壁越薄, 传热越好, 单釜产量越高, 而且发生聚合的可能越小, 从这个角度,也有利于安全生产[6-8]。传统的聚合釜都是以釜内壁承压,为安全起见,釜内壁往往较厚,而且随着聚合釜体积的增大而增加,结果增加了传热热阻,降低了聚合釜的传热能力和生产强度[7、8]。从聚合反应过程描述可看出, 对聚合釜的设计和制造有着严格的要求, 其表现如下：反应为带压操作, 因此聚合釜必须按压力容器相关规范设计, 具有足够的强度及安全系数;间歇生产, 聚合釜承受交变循环载荷, 实际为一疲劳设备, 应按相关规范做疲劳评定;聚合反应放出大量的热, 这些热量必须及时通过内壁与夹套冷媒交换带走, 这就要求聚合釜要具相应的传热性能;聚合过程中, 釜中气液固三相应均匀混合,气相单体TFE均匀地向液相传递, 这就要求有一个高效的搅拌器, 同时搅拌器所建立的流动场又影响着传热和聚合物的品质; 由于聚合釜内壁与其他内件存在表面物理微观缺陷, 同时内壁金属晶格结点间存在失去电子的空穴, 形成价键, 并与TFE单体或单体自由基结合成化学键, TFE单体极易在这些地方发生聚合, 形成粘釜中必。粘釜不但影响传热效果和产品质量,而且对安全的威胁极大。因此镜面壁的制造技术是减少和避免粘釜的一个关键[5、9、10]。
2.2聚合釜传质能力与结构之间的关系
    搅拌能力是聚合釜关键技术指标之一，良好的搅拌，不仅仅是提供一个好的传质条件，而且促进物料间传热及物料与壁面的传热，同时在全釜空间制造一个良好紊流条件，杜绝流场死角，减少粘釜。就立式聚合釜内物料相态而言, 同时存在气、液、固三相产物后逐步转变成气、液、固三相反应。这三相反应物料充分混合接触, 不仅是传质、传热、减少粘釜的要求, 也是提高产品质量的要求, 良好的搅拌能使聚合物的分子量分布集中, 品质得到提高。初始物料为气、液两相, 反应生成固体[6、7、11、13]。
2.3聚合釜传热传质能力与结构之间矛盾的解决办法
    聚合釜的传热传质能力是制约其生产能力的关键之一， 为了使聚合釜具有较高的传热传质能力，目前国内大中型釜的设计中采取了四项措施：一是改变釜体夹套结构，采用高传热系数的半管夹套；二是增大内冷管的传热面积，采用高传热系数的内冷管结构；三是采用釜顶冷凝器；四是采用在聚合全过程向釜内注水的新工艺。经传热测定，证实聚合釜的传热能力明显提高。传热能力提高后，配以高效复合引发剂配方，并改进操作方式，使国产聚合釜的生产强度已经接近国际先进水平[8、9、14、15]。到目前为止，计算流体力学模型也已经应用于聚合反应中传热系数的计算，由于烯烃的聚合反应是一个高度放热反应,聚合温度及产热率极高，聚合物的熔点温度为80 - 90°C，不同于105°C到135°C取决于其成分[16、17、18- 21]。利用计算流体力学模型建模是一项高度复杂的任务，其中涉及反应器设计,复杂的多相流、传质,传热现象,例如动力学催化剂活性网络和聚合物结晶等[18、19]。利用计算流体力学模型，可以模拟釜内的聚合反应，并且探索提高传热系数的方法，在聚合釜反应中得到广泛应用[20、21]。
3总结
    随着PVC生产技术的进步，国产聚合釜的技术开发也日渐成熟，但提高聚合釜的传热传质速率与聚合釜的结构之间的矛盾还是不能很好地解决。同时为了节约成本，减少浪费，也需要对聚合釜生产装置进一步研究，努力在各个环节做到节能降耗，提高生产速率，对其中不合理或不必要的地方进行技术改造，使生产装置的消耗，能耗降到最低。
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专业：化工过程机械
学号：122080706008
姓名：张官正