聚合釜指型管和內(nèi)壁改造提高聚合釜撤熱能力

摘要：本文介紹了聚丙烯車(chē)間在使用高效催化劑生產(chǎn)聚丙烯的過(guò)程中，對(duì)聚合釜撤熱能力的要求，通過(guò)對(duì)聚合釜傳熱原理的分析，得出傳熱系數(shù)、傳熱面積、傳熱溫差是影響聚合釜傳熱效果的主要因素，并提出了幾種改進(jìn)途徑，重點(diǎn)探討了傳熱系數(shù)、傳熱面積的改進(jìn)，并考慮車(chē)間的現(xiàn)有設(shè)備及改造能力，提出了改進(jìn)的具體方法。關(guān)鍵詞：聚合釜；內(nèi)冷管；撤熱；傳熱系數(shù)；傳熱面積；引言鎮(zhèn)海石化工業(yè)貿(mào)易有限責(zé)任公司聚丙烯車(chē)間建于1995年，采用國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的已有20多年歷史的間歇式液相本體法（以下簡(jiǎn)稱(chēng)間歇式）生產(chǎn)工藝，原則工藝流程圖見(jiàn)圖1：循環(huán)回水聚合釜原料罐7包裝崗位R402閃蒸釜丙烯回收活化劑力4

氫氣加入循環(huán)上水循環(huán)回水聚合釜原料罐7包裝崗位R402閃蒸釜丙烯回收活化劑力4

氫氣加入循環(huán)上水圖1聚丙烯裝置原則工藝流程圖間歇式液相本體法工藝以聚合釜為反應(yīng)器,采用單釜操作，在聚合釜內(nèi)加入活化劑、催化劑等助劑，通過(guò)熱水加熱引發(fā)助劑，液相丙烯開(kāi)始聚合反應(yīng)，通過(guò)夾套的循環(huán)水把聚合放出的熱量撤走。車(chē)間裝置原設(shè)計(jì)能力6000t/a，經(jīng)過(guò)多次擴(kuò)能改造，現(xiàn)有8臺(tái)聚合釜，加工能力為40000t/a，設(shè)計(jì)時(shí)采用絡(luò)合一II型催化劑體系，2003年開(kāi)始采用高效催化劑CS—1型催化劑，通過(guò)幾年的生產(chǎn)實(shí)踐和技術(shù)改造實(shí)踐，證明聚合釜的取熱效果是影響單釜產(chǎn)量的主要因素,單釜產(chǎn)量是體現(xiàn)聚丙烯裝置生產(chǎn)能力的主要指標(biāo)。因此,單釜產(chǎn)量對(duì)裝置經(jīng)濟(jì)效益有著直接影響。只有努力改善聚合釜的取熱效果,避免反應(yīng)過(guò)程丙烯的回收,才能達(dá)到提高單釜產(chǎn)量的目的。聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)從絡(luò)合一II型、高效CS-1型催化劑體系丙烯液相本體聚合動(dòng)力學(xué)曲線（見(jiàn)圖2）可知，丙烯聚合反應(yīng)速率在反應(yīng)過(guò)程中通常是變化的，也就是說(shuō)丙烯本體聚合過(guò)程是一個(gè)非穩(wěn)定過(guò)程，反應(yīng)速率受催化劑濃度、丙烯濃度、活化劑濃度及各種操作條件的影響。在整個(gè)聚合過(guò)程中，聚合反應(yīng)熱不是均勻放出的，在反應(yīng)速率最高時(shí)，反應(yīng)熱量也最大，是平均值的1—2倍。

反應(yīng)速率反應(yīng)速率圖2聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線用高效CS-1高效型催化劑時(shí)初期反應(yīng)強(qiáng)，后期反應(yīng)弱，反應(yīng)放熱很不均勻，造成初期反應(yīng)難以控制，反應(yīng)初期換熱量需求大，所以高效催化劑前期反應(yīng)放熱高峰時(shí)撤熱矛盾比絡(luò)合一II型突出。初期的反應(yīng)熱能否及時(shí)被循環(huán)冷卻水系統(tǒng)撤出，將直接影響高效聚丙烯的生產(chǎn)。高效催化劑生產(chǎn)的傳熱要求聚合釜總傳熱系數(shù)的確定對(duì)于丙烯聚合這樣一個(gè)十分復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，傳熱基本公式Q=KAAT仍然適用，但按照傳統(tǒng)的理論方法來(lái)計(jì)算聚合釜夾套和指形管的傳熱系數(shù)，即公式：總傳熱系數(shù)K=l/(1/a+l/a+b/入+Re+Re)OiOi按照公式①計(jì)算不但計(jì)算繁瑣，而且與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。目前在聚合釜設(shè)計(jì)工程應(yīng)用上國(guó)內(nèi)基本認(rèn)可的液相本體聚合釜和指形管的傳熱系數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：總傳熱系數(shù)K=a「epg式中：K—總傳熱系數(shù)w/m2?Ka°—丙烯轉(zhuǎn)化率為零時(shí)，即釜內(nèi)是液相丙烯時(shí)的傳熱系數(shù)w/m2?K(對(duì)鋼結(jié)構(gòu)材料a可取580—698w/m2?K，聚合釜材質(zhì)是16MnR，取a。=600w/m2?K。)C—丙烯轉(zhuǎn)化率由上式可知，當(dāng)C=0時(shí)，K=a0，當(dāng)轉(zhuǎn)化率增大時(shí)，因固體聚丙烯顆粒的傳熱系數(shù)小，則K值變小。根據(jù)聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征，當(dāng)轉(zhuǎn)化率在10%左右時(shí)為反應(yīng)放熱的高峰期，此時(shí)根據(jù)公式②總傳熱系數(shù)為：K=a?e-0.809C100=600Xe(-0.809X0.1)=553.4w/m2?K2.2聚合高峰期總需撤熱量Qta、反應(yīng)熱的計(jì)算：根據(jù)丙烯聚合實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，丙烯聚合為放熱反應(yīng)，其反應(yīng)熱為2172.95kJ/kg,根據(jù)高效載體催化體系的動(dòng)力學(xué)特征可知反應(yīng)高峰期每小時(shí)丙烯的轉(zhuǎn)化率為45.26%。對(duì)于12m3聚合釜，按聚合釜的設(shè)計(jì)產(chǎn)量以120包(3000kg)計(jì)算，則反應(yīng)高峰1小時(shí)內(nèi)的反應(yīng)熱Qmax

為：Q=2172.95X3000X45.26%max=2950431.5kJ/h=819.6kwb、攪拌摩擦熱Q計(jì)算n攪拌軸功率的消耗可近似的認(rèn)為都轉(zhuǎn)化為攪拌螺帶與物料的摩擦熱，即Q=P軸n軸P=1.71pg0.95H1.34n1.1D2軸式中：p—物料的表觀密度p=0.45t/m3H—物料高度 H=2.34mn—攪拌轉(zhuǎn)速 n=50r/min=0.833r/sD—螺帶外徑 D=1.36mP=1.71X0.45X9.810.95X2.311.34X0.8331.1X1.362軸=31.8kwc、聚合釜所需換熱量Qt聚合釜本體也在散熱，散熱量約為總量的5%,扣除本體散熱，聚合釜所需換熱量Q為:tQ=(Q+Q)X(1-5%)t maxn=(819.6+31.8)X95%=808.9kw2.3冷卻系統(tǒng)移熱能力Q'ta、夾套平均溫差(AT)tt反應(yīng)溫度 75 75冷卻水溫度 30 32溫差 45 43根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，以我車(chē)間8月份循環(huán)水溫度一般不低于28^,取夾套平均進(jìn)出口溫度為30和32r,t反應(yīng)溫度 75 75冷卻水溫度 30 32溫差 45 43AT=(45—43)/Ln(45/43)=44.0rtb、 傳熱面積A夾套傳熱面積％人廠直筒面積+封頭面積=3.14X2.0X3.0＋4.0X3.14X0.65X1.0/2=22.9m2指形管傳熱面積f2指形管為Q89共四根，每根長(zhǎng)2.85米，則傳熱面積F2A=0.089X3.14X2.85X4=3.19m22c、 撤熱能力Q'tQ'=K?A?ATt=K?(A+A)?AT1 2 t=553.4X(22.9+3.19)X44=635.3kw<Q=808.9kwt數(shù)據(jù)表明反應(yīng)高峰期時(shí)熱量未能及時(shí)撤出。提高聚合釜傳熱效果的途徑前面已經(jīng)計(jì)算出高效生產(chǎn)反應(yīng)的高峰期需要撤出的反應(yīng)熱為808.9kw，而實(shí)際操作中聚合釜通過(guò)夾套和指形管只能撤走635.3kw，撤熱能力偏小，反應(yīng)放出的部分熱量無(wú)法及時(shí)通過(guò)循環(huán)冷卻水移去，導(dǎo)致反

應(yīng)激烈，回收丙烯次數(shù)增多，尤其是在夏季高溫季節(jié)，單釜產(chǎn)量低，易局部過(guò)熱而結(jié)塊。要及時(shí)撤走反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，使反應(yīng)能夠穩(wěn)定地進(jìn)行，通過(guò)傳熱基本公式Q=KAAT分析，可通過(guò)以下途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：a降低冷卻介質(zhì)的溫度，提高溫差；b改變聚合釜的結(jié)構(gòu)，增大換熱面積；c改善聚合釜的總傳熱系數(shù)。降低冷卻介質(zhì)的溫度對(duì)及時(shí)撤走反應(yīng)熱有很大的作用，因此要及時(shí)撤走反應(yīng)所放出的熱量便利的方法就是降低冷卻水的溫度，我廠聚丙烯裝置于1999年四期改造時(shí)，上了一套溴化鋰機(jī)組，直接對(duì)指形管供應(yīng)7°C左右的冷凍水，針對(duì)絡(luò)合一II型來(lái)說(shuō)，極大的改善了反應(yīng)撤熱，但2001年后，由于溴化鋰機(jī)組本身的問(wèn)題，以及其他故障，造成溴化鋰制冷量只能應(yīng)付冷凝器的負(fù)荷，因此無(wú)法在聚合釜指形管使用，且溴化鋰機(jī)組需使用蒸汽和電力，能耗較高使用上不經(jīng)濟(jì)。另外車(chē)間也想增加冷卻塔來(lái)增加冷卻負(fù)荷，但目前無(wú)地方安裝。針對(duì)我們車(chē)間降低冷卻介質(zhì)不宜采用。從傳熱公式可以看出，增大換熱面積，是改善聚合釜撤熱的一個(gè)明顯的方法，且有同類(lèi)廠家采用上海楊園的改造技術(shù)，有效的改變聚合釜的結(jié)構(gòu)，增大換熱面積。針對(duì)車(chē)間現(xiàn)有的情況，只對(duì)指形管進(jìn)行改造，也是比較經(jīng)濟(jì)且可行的途徑。液相本體法聚合是一種自由基聚合，聚合釜內(nèi)壁及其他附件存在表面物理微觀缺陷，同時(shí)內(nèi)壁金屬晶格節(jié)點(diǎn)間存在失去電子的空穴，極易與聚丙烯單體或單體自由基結(jié)合形成化學(xué)鍵，形成粘釜中心，形成塑料垢層，影響傳熱效果，因此內(nèi)壁的光潔度，能極大的減少垢的形成；另外夾套通未經(jīng)處理的循環(huán)水，由于長(zhǎng)周期的運(yùn)行，，未經(jīng)處理的循環(huán)水在夾套和指形管中流動(dòng)，也易形成一層水垢。因此針對(duì)車(chē)間的具體情況，主要采用增大指形管換熱面積，改善聚合釜的總傳熱系數(shù)兩種途徑。提高傳熱面積指形管改造原聚合釜內(nèi)冷管采用四根C89套管型指形管設(shè)在聚合釜內(nèi)壁進(jìn)行撤熱，在綜合考慮成本的需要，對(duì)釜內(nèi)內(nèi)冷管進(jìn)行改造，改造成0108的U形管結(jié)構(gòu)如圖3：改造后改造后圖3內(nèi)冷管改造前后結(jié)構(gòu)對(duì)比4.2傳熱量核算改造前后換熱面積的變化見(jiàn)表1表1:指形管改造前后比較項(xiàng)目形狀管徑數(shù)量換熱面積改造前指形(P894A=4X3.14X0.089X2.85=3.19m2

改造后U形申1084A〃=4X3.14X0.108X(2.35+2.85)=7.05m2液相段改造后在同等溫差下聚合釜撤熱能力提高了：Q〃/Q'=K?(A+A〃)?AT/K?(A+A)?ATtt12t12t=(22.9+7.05)/(22.9+3.19)=1.15即撤熱能力提高了1.15倍，即Q〃=1.15XQ'=1.15X635.3=730.6kwtt提高傳熱系數(shù)夾套酸洗和釜內(nèi)壁清理夾套酸洗主要是針對(duì)夾套水垢，根據(jù)酸洗廠家提供，酸洗可以洗掉80％的水垢。釜內(nèi)壁清理主要是清理聚丙烯的塑料垢層，這種垢層在聚合釜中下部固體物料接觸部分，由于受到聚丙烯固體物料的摩擦，與聚合釜頂部沒(méi)有受到聚丙烯固體物料的摩擦有很大的區(qū)別，具體見(jiàn)圖4、圖5：圖4聚合釜頂部?jī)?nèi)壁清釜前后對(duì)比圖圖4聚合釜頂部?jī)?nèi)壁清釜前后對(duì)比圖5聚合釜中下部?jī)?nèi)壁清釜前后對(duì)比明顯發(fā)現(xiàn)有垢膜存在。傳熱量核算上面已經(jīng)談到對(duì)于丙烯聚合這樣一個(gè)十分復(fù)雜的非穩(wěn)定系統(tǒng)，按照傳統(tǒng)的理論方法來(lái)計(jì)算聚合釜夾套和指形管的傳熱系數(shù)，即公式：總傳熱系數(shù)K=1/(1/a+1/a+b/入+Re+Re)按照上面公式計(jì)算不但計(jì)OiOi算繁瑣，而且與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。目前國(guó)內(nèi)基本認(rèn)可的液相本體聚合釜和指形管的傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：總傳熱系數(shù)K=a?e-0.809C0但經(jīng)驗(yàn)化公式中，不能清楚的反應(yīng)出聚合釜內(nèi)外壁垢層對(duì)總傳熱系數(shù)的影響，為體現(xiàn)內(nèi)外壁垢層影響情況，計(jì)算總傳熱系數(shù)過(guò)程采用了部分理想化狀態(tài)，采用公式K=1/(1/a+1/a+6/入+Re+Re)計(jì)算對(duì)OiOi比，計(jì)算結(jié)果雖然有小的偏差，但可以體現(xiàn)去除垢層后對(duì)傳熱的影響情況。公式：總傳熱系數(shù)K=1/(1/a+1/a+b/入+Re+Re)OiOi式中：b——聚合釜壁厚，20mma 聚合釜內(nèi)壁對(duì)流傳熱系數(shù)，有機(jī)物取500w/(cm2?Dao 聚合釜外壁對(duì)流傳熱系數(shù)，循環(huán)冷水取1500w/（cm2?°C）入 聚合釜釜壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)，16MnR取45w/（cm2?C）Re 聚合釜內(nèi)壁聚丙烯薄層熱阻（參照其他類(lèi)似介質(zhì)）取2.0X10-3m2?C/wiRe 聚合釜外壁污垢熱阻，經(jīng)驗(yàn)值取3.4394X10-4m2?C/wO則：清垢前K=1/（1/1500+1/500+0.03/45+3.4394X10-4+2.0X10-3）=176.1w/（cm2?C）清垢后Kz=1/（1/1500+1/500+0.03/45+3.4394X10-4X0.8）=277.1w/（cm2?C）因此K=277.1/176.1K=1.6K傳熱系數(shù)增大了（1.6-1）/1X100%=60%，即清壁后增加傳熱量381.2kw，合計(jì)Q改的745.9kw,換熱量可以達(dá)到1127.1kw>Q=808.9kw,符合生產(chǎn)要求。t根據(jù)上面的計(jì)算，在清垢后（釜外壁80%處理，釜內(nèi)壁100%處理）傳熱系數(shù)增加了60%，即在相同的情況下，清垢后聚合釜傳熱能力提高了60%。效果驗(yàn)證我們選取了改造清垢后2013年8月、9月、10月三個(gè)月份與2012年的單釜數(shù)據(jù)，以及改造清垢前后三個(gè)月份的單釜數(shù)據(jù)，并繪制對(duì)比圖（見(jiàn)圖6、圖7）。圖72007年清垢前后月數(shù)據(jù)對(duì)比圖且計(jì)算出合計(jì)平均單釜產(chǎn)量，見(jiàn)表3表3合計(jì)平均單釜產(chǎn)量2007年5、6、7月份平均單釜產(chǎn)量（包）104.68922007年8、9、10月份平均單釜產(chǎn)量（包）117.64812006年8、9、10月份平均單釜產(chǎn)量（包）109.8556改造清垢后環(huán)比增加了12.4%，同比增加了7%，從上圖表也可以看出，改造清垢后，聚合釜撤熱有了明顯改善，單釜產(chǎn)量都有所增加。總結(jié)1、聚合釜的夾套和內(nèi)冷管換熱面積的設(shè)計(jì)大多在80