浅谈4号聚合釜内冷改造

1、浅谈聚合釜内冷的改造摘 要：本文主要讨论了聚丙烯厂4号聚合釜内冷的改造，通过改造优化了装置冷却系统的传热过程，提高了聚合釜的撤热能力使得聚合反应的压力更好控制。关键词：聚丙烯 聚合釜 内冷 1. 我装置聚合釜的现状1.1 聚合釜的设计参数 参数规模12m³实际容积/ m³12.14釜高/m4.3筒体高度/m3上下封头高度/m1.3釜内径/m2.0夹套内径/m2.2螺带外径/m1.6螺带内径/m0.94螺带宽度/m0.33螺带螺距/m0.72螺带总高度/m2.7螺带升高斜率0.24搅拌转速(r/min)60电机功率/kW75夹套传热面积/23U形内冷管面积/5冷却水流量/(m

2、3/h)100聚合釜设计压力/MPa4夹套设计温度/100设备总高度/m8141设备总质量/kg147501.2 聚合釜的流程图 如下图所示，为聚合釜的流程图。聚合釜在小于3.7MPa的压力条件下进行操作。随着反应的进行，釜内物料的相态也发生变化。开始反应时釜内全是液相丙烯，随着反应时间的延长，液相丙烯中悬浮的聚丙烯固体颗粒逐渐增多，反应后期几乎全是聚丙烯颗粒。因此，聚合釜采用螺带式搅拌器。聚合釜以夹套撤热为主，辅以釜内冷却管撤热的方式。 图1 聚合釜流程图1.3 聚合釜的压力控制聚合釜的压力控制表现在恒温阶段，聚合釜的压力是通过与夹套循环水和内冷循环水调节阀组成的回路进行调节。当实际测量压力

3、超过设定值0.03MPa时，夹套循环水全开，当实际测量压力超过设定值0.06MPa时，内冷循环水全开。相反，当实际测量压力低于设定值0.03MPa时，内冷循环水全关，若压力继续下降，当实际测量压力低于设定值0.06MPa时，夹套循环水全关。通过以上控制方案实施，使压力保持稳定。下图为聚合釜的压力控制图。图2 聚合釜压力控制2 内冷改造的原因2.1 生产原理间歇式液相聚丙烯装置生产工艺采用齐格勒-纳塔催化剂，使丙烯上的甲基受催化剂的影响沿一定的方向在主链上有规则的排列，得到坚韧的高结晶度聚合物，即立构规整聚丙烯。 聚丙烯厂采用的是三氯化钛-三乙基铝TiCl3-Al(C2H5)3催化体系，反应式如

4、下：2.2 内冷改造的理论意义该反应属于放热量为+590kJ/mol的放热效应。聚丙烯的熔点为164170，因此在反应的整个过程中，反应釜温度必须恒定在一定的范围，以避免聚合物的爆聚和塑化结块；同时，由于釜内存在大量的液相丙烯，根据单组分汽液平衡，气相量不断增多；又根据气体状态方程PV=NRT(其中为校正因子)，温度T也升高，釜内的压力P也随之成倍的增长，而聚合釜的安全定压为4.0 MPa。所以，必须不断地将反应热撤出，以确保整个反应体系的温度、压力保持在一定的范围内，以保证成品质量和避免生产事故的发生。2.2.1 反应热的计算该反应热效应为2172.9KJ/kgPP,在TiCl3-Al(C2

5、H5)3动力学特征中，反应高峰期每小时丙烯转化率为38.46%。所以，每釜生产聚丙烯3000kg，则反应高峰期的反应热：Q=2172.95×3000×38.46%÷1=2507150kJ/h=696.4 kW由于搅拌螺带与物料的摩擦产生的热Qa=P轴查得P轴=1.71其中:-物料表观密度=0.45t/H-物料高度 H=2.34 mn-搅拌转速n=60r/min=1 r/sD-螺带外径 D=1.6 mg-物理常数 g=9.810所以P轴=1.71×0.45×9.810.95×2.341.34×11.1×1.62 =5

6、3.5 kW所以Q1=Q+P轴=696.4+53.5=749.9kW聚合釜本身散热约为5%，则需要冷却水每小时撤走热量（散热总量）为：Qmax=Q1×95%=749.9×95%=712.44 kW2.2.2 传热面积计算在改造之前，聚合釜的传热面积是： S=S夹套+S内冷=23+5=282.2.3 温差计算循环水进出聚合釜的平均温度分别约为25和31，釜体上下温度分别为76和72，所以温差为：热介质7672冷介质322444 48 t=(48-44)(48/44)=45.972.2.4 传热系数的计算据液相本体法PP聚合釜夹套传热系数的计算公式：K=a×e(-0.

7、809C)式中，K-传热系数，W/m2·K丙烯转化率为零，即釜内全为液相丙烯时的传热系数，W/m2·KC-丙烯转化率查资料在聚合釜材质：16MnR，a可取580698 W/m2·K取a=600 W/m2·K根据反应动力学特征，转化率为10%时反应热放热高峰期，则取C=0.1K=a×e(-0.809C)= 600×e(-0.809×0.1)=600×0.922=553.2 W/m2·K2.2.5 问题的提出由上面计算实际生产中的传热总效率为Qt=K·S·t=553.2×28&#

8、215;45.9=710.97 kW所以QT<Qmax说明实际生产中撤热能力偏小，使得釜的一部分热无法及时撤出，而导致大量问题的出现。由于丙烯聚合时液相本体聚合反应，其过程是一个非稳定过程。因此，反应热的放出也是一个非稳定过程，反应撤热矛盾相对突出。由于夹套是聚合釜的一部分，改造起来比较困难，所以只能对内冷进行改造。2.3 内冷改造的现实意义2.3.1 催化剂用量提不起来目前国内与我们厂相同的装置单釜的催化剂已经提到了平均90g/釜，而我们装置目前的催化剂基本上稳定在50g/釜,造成反应周期延长。而催化剂用量提不起来的主要原因是催化剂一旦提起来，反应的压力就难以控制，只有通过高压回收去控

9、制釜的压力，造成单釜产量降低。2.3.2 新水用量比较大由于我们装置的U型管换热面积小，在反应前期即使将内冷循环水100%全开，压力仍然难以控制。不得已只能打开新水，但新水也是对压力的控制是一个暂缓的过程，仍然要多次回收，然后再用新水去控制反应，只有这样才能控制住压力。而国内一些相同的装置，在相同的条件下，几乎都不用新水，所以考虑到目前的大环境必须对内冷进行改造以降低新水的用量。2.3.3 反应周期较长 我们知道聚合反应是在一定的压力，一定的温度下所进行的反应。聚合反应的压力越高，聚合反应的速度越快。而聚合反应速度越快，则聚合反应会放出大量的热，由于目前我们装置夹套和内冷的撤热能力相对较弱，就

10、只能将聚合反应的压力控制的低一点，即在恒温阶段将恒温压力设定的低一点，这样就会使得聚合反应的周期更长。另外由于夹套和内冷的撤热能力较弱，所以催化剂一直提不起来，这也会使得聚合反应的周期变长，所以只有通过增大撤热能力去减少反应周期以投更多的釜。2.3.4罐区压力高 由于聚合釜的撤热能力较弱，当压力控制不住的时候，聚合主操只有通过高压回收通过液相丙烯汽化带走大量的反应热去控制聚合釜的压力，而高压回收的丙烯都进入到了R-3里了，当多个釜同时回收的时候就会迅速使得R-3的压力升高，R-3压力高就只能向各罐平衡压力或向气柜泄压的办法来解决，这样整个罐区的压力都会升高，增加了安全隐患。所以，只有通过内冷改

11、造去增加聚合釜的撤热能力去减少高压回收的次数。2.3.5 单釜产量低由于现有聚合釜的撤热能力较弱，当压力控制不住的时候就只有通过高压回收去降低聚合釜的压力，而每回收一次就会使得聚合釜投进去的料更少，使得聚合产生的聚丙烯粉料更少。所以，只有通过内冷改造去提高单釜产量。3 内冷改造过程由传热方程Q=KAT可以看出，提高传热系数K、增大传热面积A、增大平均温度差t中任何一个均可强化传热。根据我们厂的现状，增加t只有依靠去更换现有的三台冷却塔，而更换现有三台冷却塔又需要较大的投入，并且会造成装置所有的釜停止生产，不太现实。增大传热系数K即要减小对流传热热阻、污垢热阻和管壁热阻，施行起来比较困难，所以未予以采纳。对于增大传热面积A容易实现，并且成本不高，所以一致认为该项措施比较符合我厂的实际，实施起来也比较简单。而夹套作为釜的一部分增加换热面积比较困难，所以采取对内冷增加换热面积，并在聚合釜的顶部增加气相冷凝管。下图为我装置内冷改造前后的结构示意图，由图我们可以计算出，改造前的内冷换热面积为图3 改造前后内冷结构对比S内冷=5改造后的内冷换热面积为S改造后= S液相+S气相=7.2+2.3=9.5在其它条件相同的情况下改造后的液相撤热量相应可以增加Q=由以上计算可知改造后的换热