聚醚反应釜换热优化设计

学术论文 2018-02-27 16:09:26
  1 问题提出 
  近几年国内聚醚工业的快速发展,对于大型化的聚醚反应釜及其关键设备和成套工艺技术提出了更高的要求。聚醚反应釜是聚醚合成生产过程中最关键的设备。聚醚工业的快速发展带动了聚醚生产工艺的技术进步。合成工艺的技术进步推动了聚醚反应釜的技术发展,聚醚反应釜技术水平的提高保证了先进工艺得以实现。 
  然而聚醚反应是个放热过程,在反应到关键阶段,物料会放出的大量热量,随着物料反应的进行物料的粘度也会增加,聚合物流动性越来越差,热量不能有效的被置换出去,这会导致生成物的分子量和不饱度和双键含量难以控制,平均分子量与理论分子量相差过大,使体系中物料分散不均匀,形成局部凝胶,分散体的粒径不均匀。从而导致生产出来的产品杂质较多,质量不高,还会加长了聚合反应的周期,减少了聚合产品的产量,甚至有可能因热量无法及时扩散而发生危险事故。 
  2 解决方案 
  以往用于聚醚反应的搅拌设备的换热结构靠外部夹套实现冷却过程,由于冷却循环水在外部夹套的流动,外部夹套内会出现流动的死区、气相空间,致使正在用于置换热量的流体沿着阻力最小的路线流动,致使反应釜内的热量置换区域不均,置换时间长,所需能量消耗高。以往用于聚醚反应的搅拌设备的搅拌器往往只注重后期高粘度物料的特点,因此所需搅拌功率高,搅拌叶片厚重,搅拌转速低,不利于反应物放热后对热量的置换。 
  我公司根据上述不良现象,进行了专项研发,对聚醚反应釜的结构进行了优化,取得了很好的效果。解决上述不良现象,我们对聚醚反应釜的伴热结构和搅拌结构进行优化。 
  优化时采用理论计算、仿真模拟、冷模试验对比的方法,根据聚醚反应的工艺过程进行理论计算,确定所需的解决的热量数值,并根据计算确定初步方案;通过全容积的仿真模拟计算,优选结构,并根据仿真数据,修正结构,并优选出最佳的结构组合;利用冷模试验装置按比例进行验证,减少理论计算和仿真模拟的计算偏差,取保结构的优选和可实现性。 
  具体优化如下: 
  (1)对于伴热结构的优化:采取用内、外同时伴热结构,减少每段换热部件的直线长度,减少了热量置换流体流动的阻力,有效的控制了反应物料的反应温度,保证了釜内反应压力的平稳,可使釜内温度的稳定易控,可以有效的控制反应釜温度,减小釜内的温度梯度;内部盘管和釜壁采用高精度抛光处理(Ra≤0.1μm),减少物料粘连,提高换热效率,促进物料的流动,保证了快速的热量置换。 
  (2)对于搅拌结构的优化:由于聚醚反应过程中的反应物料在开始到完成反应会出现牛顿流体和非牛顿流体不同的反应时期,致使搅拌需要在不同的流体形式下需要不同的搅拌形式,但不可能在反应过程中更换搅拌器,所以必须选用新型的搅拌装置,有效的完成不同流体形式的混合搅拌的需要,为此根据需要,通过仿真模拟和冷模试验对比,采取了门框式搅拌形式,下部采取随形的锚式形式,并在搅拌器的迎液面进行了减阻力处理,大大提升了搅拌效果,降低了搅拌功率。 
  通过如此的的结构优化后设计出的新型聚醚反应釜,具备了生产稳定聚醚产物的所需的结构特点,该聚醚反应釜,包括釜体,在釜体上部的中间位置安装有机架,在机架上部连接有减速机,在减速机上连接有搅拌电机,在机架内的减速机与釜体之间设有机械密封部件。搅拌轴通过机械密封部件与减速机相连接,在搅拌轴上安装高性能流体搅拌混合搅拌器。在釜体内部设有单进单出双螺旋盘管,釜体内表面及盘管的外壁进行抛光处理。釜体外部用半圆管伴热,外部半圆管分三部分,位于下封头一部分,筒体上分上、下两部分,并且每一部分半圆管均有单独的冷媒进、出口。本发明针对现有技术存在的不足,通过对反应釜伴热结构与强有力的搅拌系统相配合可使反应放出的大量热能迅速散失,通过冷媒将之带走,提高了聚合反应的换热效果,对反应更便于控制,而且更安全,使换热效果达到最佳,同时有利于缩短反应的时间,使产品的生产周期缩短。 
  通过大量模拟试验和冷漠对比试验可以看出,在聚醚反应过程中,高性能流体搅拌混合搅拌器能达到良好的混合效果,对于前期加入大量固体催化剂,高性能流体搅拌混合搅拌器具有较大的桨叶面积,可以很好的分散催化剂颗粒,满足反应的要求。通过对速度矢量的分析可以得出,搅拌时反应釜内的流体分为内外上下的大循环,可以使釜内流体流动充分,换热及时,减小釜内的温度梯度,有利于反应的均匀进行。 
  设备运行时,在釜内,冷媒从冷媒进口管进入,并分为两路直接走盘管,经冷媒出口管流出釜后,进入冷媒回管线。在釜外冷媒分为三路,分别通过冷媒进口,进入三部分夹套半圆管,经冷媒出口管流出夹套半圆管,进入冷却水回水管线。在反应的初始阶段,高性能流体搅拌混合搅拌器以较高转速将催化剂均匀分布到釜内介质中,在反应的中后期,高性能流体搅拌混合搅拌器将釜内的流体分为内外上下的大循环,可以使釜内流体流动充分,换热及时,减小釜内的温度梯度。 
  该反应釜的优点:本设备内、外部均采用特殊伴热结构,可以严格的控制反应装置温度,能增加反应速率、缩短反应时间,并有效控制聚醚平均分子量和不饱和双键含量。能较好的控制反应链增长过程序中,歧化反应、链转移反应以及大分子间的副反,使制得的聚醚平均分子量与理论分子量接近。使体系中物料分散均匀,不会形成局部凝胶,分散体的粒径均匀,粘度低。生产出的聚醚产物具有分子量高、不饱和度低、分子量分布窄、平均官能度高等优质特点。 
  3 结束语 
  换热优化的聚醚反应釜的经过使用,能有效的控制反应釜温度,减小釜内的温度梯度。减少反应链增长过程序中的歧化反应、链转移反应以及大分子间的副反应,使制得的聚合物平均分子量与理论分子量接近。使体系中物料分散均匀,不会形成局部凝胶。可以生产出高质量的聚醚产品。能满足聚醚行业对反应设备高效、节能、升温快、控温准、保温好、操作方便、使用寿命长要求。
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