1、淺談聚合釜內冷的改造摘 要：本文主要討論了聚丙烯廠4號聚合釜內冷的改造，通過改造優化了裝置冷卻系統的傳熱過程，提高了聚合釜的撤熱能力使得聚合反應的壓力更好控制。關鍵詞：聚丙烯 聚合釜 內冷 1. 我裝置聚合釜的現狀1.1 聚合釜的設計參數 參數規模12m³實際容積/ m³12.14釜高/m4.3筒體高度/m3上下封頭高度/m1.3釜內徑/m2.0夾套內徑/m2.2螺帶外徑/m1.6螺帶內徑/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攪拌轉速(r/min)60電機功率/kW75夾套傳熱面積/23U形內冷管面積/5冷卻水流量/(m

2、3/h)100聚合釜設計壓力/MPa4夾套設計溫度/100設備總高度/m8141設備總質量/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的壓力條件下進行操作。隨著反應的進行，釜內物料的相態也發生變化。開始反應時釜內全是液相丙烯，隨著反應時間的延長，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在恒溫階段，聚合釜的壓力是通過與夾套循環水和內冷循環水調節閥組成的回路進行調節。當實際測量壓力

3、超過設定值0.03MPa時，夾套循環水全開，當實際測量壓力超過設定值0.06MPa時，內冷循環水全開。相反，當實際測量壓力低于設定值0.03MPa時，內冷循環水全關，若壓力繼續下降，當實際測量壓力低于設定值0.06MPa時，夾套循環水全關。通過以上控制方案實施，使壓力保持穩定。下圖為聚合釜的壓力控制圖。圖2 聚合釜壓力控制2 內冷改造的原因2.1 生產原理間歇式液相聚丙烯裝置生產工藝采用齊格勒-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則的排列，得到堅韌的高結晶度聚合物，即立構規整聚丙烯。 聚丙烯廠采用的是三氯化鈦-三乙基鋁TiCl3-Al(C2H5)3催化體系，反應式如

4、下：2.2 內冷改造的理論意義該反應屬于放熱量為+590kJ/mol的放熱效應。聚丙烯的熔點為164170，因此在反應的整個過程中，反應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塊；同時，由于釜內存在大量的液相丙烯，根據單組分汽液平衡，氣相量不斷增多；又根據氣體狀態方程PV=NRT(其中為校正因子)，溫度T也升高，釜內的壓力P也隨之成倍的增長，而聚合釜的安全定壓為4.0 MPa。所以，必須不斷地將反應熱撤出，以確保整個反應體系的溫度、壓力保持在一定的范圍內，以保證成品質量和避免生產事故的發生。2.2.1 反應熱的計算該反應熱效應為2172.9KJ/kgPP,在TiCl3-Al(C2

5、H5)3動力學特征中，反應高峰期每小時丙烯轉化率為38.46%。所以，每釜生產聚丙烯3000kg，則反應高峰期的反應熱：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-攪拌轉速n=60r/min=1 r/sD-螺帶外徑 D=1.6 mg-物理常數 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 傳熱面積計算在改造之前，聚合釜的傳熱面積是： S=S夾套+S內冷=23+5=282.2.3 溫差計算循環水進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7672冷介質322444 48 t=(48-44)(48/44)=45.972.2.4 傳熱系數的計算據液相本體法PP聚合釜夾套傳熱系數的計算公式：K=a×e(-0.

7、809C)式中，K-傳熱系數，W/m2·K丙烯轉化率為零，即釜內全為液相丙烯時的傳熱系數，W/m2·KC-丙烯轉化率查資料在聚合釜材質：16MnR，a可取580698 W/m2·K取a=600 W/m2·K根據反應動力學特征，轉化率為10%時反應熱放熱高峰期，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算實際生產中的傳熱總效率為Qt=K·S·t=553.2×28&#

8、215;45.9=710.97 kW所以QT<Qmax說明實際生產中撤熱能力偏小，使得釜的一部分熱無法及時撤出，而導致大量問題的出現。由于丙烯聚合時液相本體聚合反應，其過程是一個非穩定過程。因此，反應熱的放出也是一個非穩定過程，反應撤熱矛盾相對突出。由于夾套是聚合釜的一部分，改造起來比較困難，所以只能對內冷進行改造。2.3 內冷改造的現實意義2.3.1 催化劑用量提不起來目前國內與我們廠相同的裝置單釜的催化劑已經提到了平均90g/釜，而我們裝置目前的催化劑基本上穩定在50g/釜,造成反應周期延長。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，在反應前期即使將內冷循環水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暫緩的過程，仍然要多次回收，然后再用新水去控制反應，只有這樣才能控制住壓力。而國內一些相同的裝置，在相同的條件下，幾乎都不用新水，所以考慮到目前的大環境必須對內冷進行改造以降低新水的用量。2.3.3 反應周期較長 我們知道聚合反應是在一定的壓力，一定的溫度下所進行的反應。聚合反應的壓力越高，聚合反應的速度越快。而聚合反應速度越快，則聚合反應會放出大量的熱，由于目前我們裝置夾套和內冷的撤熱能力相對較弱，就

10、只能將聚合反應的壓力控制的低一點，即在恒溫階段將恒溫壓力設定的低一點，這樣就會使得聚合反應的周期更長。另外由于夾套和內冷的撤熱能力較弱，所以催化劑一直提不起來，這也會使得聚合反應的周期變長，所以只有通過增大撤熱能力去減少反應周期以投更多的釜。2.3.4罐區壓力高 由于聚合釜的撤熱能力較弱，當壓力控制不住的時候，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熱去控制聚合釜的壓力，而高壓回收的丙烯都進入到了R-3里了，當多個釜同時回收的時候就會迅速使得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，這樣整個罐區的壓力都會升高，增加了安全隱患。所以，只有通過內冷改

11、造去增加聚合釜的撤熱能力去減少高壓回收的次數。2.3.5 單釜產量低由于現有聚合釜的撤熱能力較弱，當壓力控制不住的時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去的料更少，使得聚合產生的聚丙烯粉料更少。所以，只有通過內冷改造去提高單釜產量。3 內冷改造過程由傳熱方程Q=KAT可以看出，提高傳熱系數K、增大傳熱面積A、增大平均溫度差t中任何一個均可強化傳熱。根據我們廠的現狀，增加t只有依靠去更換現有的三臺冷卻塔，而更換現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，不太現實。增大傳熱系數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容易實現，并且成本不高，所以一致認為該項措施比較符合我廠的實際，實施起來也比較簡單。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。下圖為我裝置內冷改造前后的結構示意圖，由圖我們可以計算出，改造前的內冷換熱面積為圖3 改造前后內冷結構對比S內冷=5改造后的內冷換熱面積為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可以增加Q=由以上計算可知改造后的換熱