丁苯膠乳反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

丁苯膠乳反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1 研究背景

丁苯膠乳是由不同比例的丁二烯和苯乙烯經(jīng)過乳液聚合得到的一種固含量為30%～50%的水性溶液。丁苯膠乳的生產(chǎn)過程是一個(gè)乳液聚合放熱反應(yīng)過程,丁苯膠乳的乳液聚合體十分復(fù)雜,包含有很多種單體、調(diào)節(jié)劑、表面活性劑、引發(fā)劑等共十余種。所以,各單體的混合均勻性及傳熱效果對最終成品的影響很大。

丁苯膠乳反應(yīng)釜內(nèi)物料黏度隨著生產(chǎn)過程是變化的,反應(yīng)前期,各單體混合時(shí)黏度較低,反應(yīng)結(jié)束后,丁苯膠乳為一種高黏度物料。為保證丁苯膠乳流動(dòng)性,一些反應(yīng)釜不設(shè)置擋板。反應(yīng)釜在未設(shè)置擋板時(shí),物料繞軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),流體呈切向流狀態(tài)。中心部分液面下降,形成旋渦,此時(shí)物料從槳葉周圍周向卷吸至槳葉區(qū)的流量很小,會(huì)降低反應(yīng)前期各單體物料的混合效果。如果增加擋板就可把回轉(zhuǎn)的切向流動(dòng)改變?yōu)閺较蚝洼S向混合流,消除了旋渦,增強(qiáng)了前期單體物料混合效果。

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2 反應(yīng)釜擋板設(shè)置形式

常規(guī)反應(yīng)釜擋板焊接在設(shè)備內(nèi)壁,在擋板與筒體焊接處,易造成攪拌死區(qū),尤其如丁苯膠乳這種高黏度物料,容易堆積在擋板造成的死區(qū)位置,無法流動(dòng),導(dǎo)致物料混合不均勻,成品性能降低,也不利于設(shè)備維護(hù)檢修時(shí)的清洗。

可見,對于丁苯膠乳反應(yīng)釜不設(shè)置擋板或設(shè)置常規(guī)擋板這兩種形式都不利于反應(yīng)進(jìn)行。經(jīng)過研究比對,插入式擋板結(jié)合上述兩者優(yōu)點(diǎn)而沒有缺點(diǎn),比較適合丁苯膠乳反應(yīng)釜。插入式擋板由接管壓扁形成長圓管,內(nèi)部中空,外部圓滑,擋板一端與反應(yīng)釜上封頭的管口通過法蘭固定連接,另一端插入設(shè)備內(nèi)部物料中。四個(gè)插入式擋板均勻分布,與設(shè)備內(nèi)壁保持一定距離,不會(huì)形成攪拌死區(qū),可滿足全擋板條件,較大地增加了流體的剪切強(qiáng)度,消除旋渦,改善主體循環(huán),增大湍動(dòng)程度,使各物料接觸更充分,形成全釜的均勻混合,同時(shí)還能降低攪拌載荷的波動(dòng),使功率消耗保持穩(wěn)定,而且結(jié)構(gòu)簡單,操作方便,便于清洗。

3 反應(yīng)釜擋板作為測溫套管使用

丁苯膠乳反應(yīng)是放熱反應(yīng),溫度對丁苯膠乳的性能影響較大,所以需要在反應(yīng)釜的不同位置設(shè)置測溫點(diǎn),及時(shí)檢測反應(yīng)釜內(nèi)不同位置處的介質(zhì)溫度,監(jiān)控反應(yīng)的進(jìn)行。為避免減少傳熱面積影響傳熱效果,應(yīng)盡量減少筒體及下封頭的開孔。經(jīng)研究,可以將插入式擋板作為溫度計(jì)的套管使用。

在一對對稱的插入式擋板內(nèi)充入導(dǎo)熱油,并從頂部分別插入測溫裝置,使插入式擋板在作為擋板的同時(shí),也能充當(dāng)測溫套管使用。為了在攪拌過程中更好地測量設(shè)備內(nèi)物料在不同位置處的溫度,將兩個(gè)擋板做成不一樣的長度,其中一根擋板的內(nèi)伸長度在底部攪拌和中間攪拌之間,另一根擋板的內(nèi)伸長度在中間攪拌和上部攪拌之間,這樣的長度設(shè)置可以精確測量不同方位、不同高度處的物料溫度,使溫度監(jiān)測更精準(zhǔn),保證了反應(yīng)釜生產(chǎn)的安全。

4 反應(yīng)釜擋板與蛇管傳熱組合

丁苯膠乳黏度大,導(dǎo)熱性差,反應(yīng)釜中間的熱量不易傳導(dǎo)。可以在設(shè)備內(nèi)部對稱設(shè)置的一對擋板內(nèi)分別插入一根豎式U形換熱管,如圖4所示。換熱管內(nèi)走冷卻水,擋板內(nèi)部、U形管外部加入導(dǎo)熱油,擋板浸在物料中,熱量損失小,在設(shè)備內(nèi)部也對物料進(jìn)行換熱,使反應(yīng)釜的傳熱效果更好。

這種設(shè)計(jì)方法既保留了常規(guī)豎式蛇管結(jié)構(gòu)增加換熱面積并起到擋板效果的優(yōu)勢,又避免由于物料黏度大、蛇管與物料直接接觸、蛇管間隙物料粘連而形成死區(qū),影響傳熱效果,甚至使物料不能充分混合的缺點(diǎn),同時(shí)解決了蛇管的固定問題,簡化結(jié)構(gòu),更方便后續(xù)設(shè)備的清洗、維護(hù)和保養(yǎng)。

5 反應(yīng)釜夾套型式改進(jìn)

丁笨膠乳的反應(yīng)是放熱反應(yīng),現(xiàn)在一般單體總轉(zhuǎn)化率達(dá)到60%左右就要終止聚合。否則轉(zhuǎn)化率過高,會(huì)使體系黏度過大,不易散熱。由于游離基共聚反應(yīng)是放熱的,如局部過熱,則易引起凝膠產(chǎn)生支鏈結(jié)構(gòu),影響丁苯膠乳的質(zhì)量。所以溫度對丁苯膠乳的性能影響也較大,需要及時(shí)釋放反應(yīng)熱,精確控制好物料溫度。熱流量公式為:

Q=KAΔT

(1)

式中:Q為熱流量;K為總傳熱系數(shù);A為傳熱面積;ΔT為冷熱介質(zhì)溫差。

可以看出,為增加熱流量,及時(shí)釋放反應(yīng)熱,可通過提高總傳熱系數(shù),增加傳熱面積,增大冷熱介質(zhì)溫差來實(shí)現(xiàn)。但因?yàn)榉磻?yīng)溫度對丁苯膠乳產(chǎn)品影響較大,需要保持反應(yīng)釜溫度的穩(wěn)定,所以冷熱介質(zhì)溫差無法調(diào)節(jié),只能從提高總傳熱系數(shù)和增加換熱面積兩方面著手解決。

常規(guī)丁苯膠乳反應(yīng)釜外部設(shè)置半圓管型夾套,夾套結(jié)構(gòu)如圖5所示。夾套內(nèi)通冷卻水,帶走反應(yīng)釜內(nèi)部反應(yīng)熱量。半圓管型夾套為了方便焊接及避免焊接時(shí)產(chǎn)生的相互不利影響,需要在半圓管之間留有一定間隙,且半圓管需要避開設(shè)備支座,所以換熱面積相對較小,換熱不均勻。

改進(jìn)后的丁苯膠乳反應(yīng)釜改為整體U形夾套,如圖6所示。支座設(shè)置在夾套外部,夾套內(nèi)部焊接螺旋導(dǎo)流板,螺旋導(dǎo)流板類似內(nèi)筒體翅片,極大增加了換熱面積。

同時(shí),螺旋導(dǎo)流板對夾套內(nèi)流體起到導(dǎo)流和擾流的作用,減小流道截面積,增加流體流速,提高流體的雷諾數(shù),由此提高了總傳熱系數(shù)。

另一方面,如果螺旋導(dǎo)流板截面有足夠的慣性矩,對筒體剛度的加強(qiáng)有利,可以提高內(nèi)筒體的穩(wěn)定性,減小內(nèi)筒體厚度,降低制造成本。在符合以下條件時(shí),螺旋導(dǎo)流板可作為內(nèi)筒體的加強(qiáng)圈。

螺距應(yīng)小于30%容器內(nèi)徑,螺旋導(dǎo)流板的圈數(shù)應(yīng)大于一圈。

GB 150.3—2011標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,外壓圓筒計(jì)算長度L應(yīng)取l1和l2兩者之大值:

(2)

式中:l1為夾套計(jì)算長度;l2為夾套計(jì)算長度l1的端點(diǎn)至邊緣螺旋導(dǎo)流板纏繞一整周終點(diǎn)處的軸向距離;n1為螺旋導(dǎo)流板的圈數(shù),n1>1。

為了防止螺旋導(dǎo)流板失穩(wěn),其橫截面應(yīng)滿足:

h1/b1≤8

(3)

式中:h1為螺旋導(dǎo)流板寬度;b1為螺旋導(dǎo)流板厚度。

為了保證螺旋導(dǎo)流板兩側(cè)角焊縫的精度,焊縫尺寸a應(yīng)滿足:

(4)

式中:φ0為螺旋導(dǎo)流板兩側(cè)角焊縫計(jì)算的焊接接頭因數(shù);D1為容器內(nèi)徑。

滿足以上條件后,在進(jìn)行反應(yīng)釜內(nèi)筒體的外壓計(jì)算時(shí),外壓圓筒計(jì)算長度明顯減小,內(nèi)筒體壁厚計(jì)算結(jié)果相應(yīng)減小,螺旋導(dǎo)流板起到了減少材料、節(jié)約成本的作用。

6 應(yīng)用案例

某公司年產(chǎn)250 000 t丁苯膠乳的改造項(xiàng)目中,有五臺(tái)70 m3丁苯膠乳反應(yīng)釜。這五臺(tái)丁苯膠乳反應(yīng)釜是整個(gè)工藝過程的核心設(shè)備。丁苯膠乳內(nèi)筒直徑為4 200 mm,筒體高3 700 mm。內(nèi)筒設(shè)計(jì)壓力為1.2 MPa,設(shè)計(jì)溫度為140 ℃,材料為S31603。夾套設(shè)計(jì)壓力為0.6 MPa,設(shè)計(jì)溫度為170 ℃,材料為S30403。

改造前,反應(yīng)釜筒體內(nèi)部無擋板、無傳熱裝置,筒體上有一處測溫口,存在傳熱面積小,混合不均勻等缺陷。

改造后,設(shè)備內(nèi)部均勻設(shè)置四根插入式擋板,擋板由DN250 mm的接管做成長軸為370 mm,短軸為100 mm的橢圓管。其中兩根對稱的擋板做成一高一低兩種長度,內(nèi)部充入導(dǎo)熱油并設(shè)置測溫裝置。另兩根對稱的擋板內(nèi)部各插入一根DN50 mm的U形換熱管,可增加內(nèi)部傳熱面積約5 m2。使釜內(nèi)混合更均勻,傳熱量更大,對物料溫度的檢測更精準(zhǔn)。

改造前筒體外部設(shè)置DN80 mm半管夾套,每圈半管間距160 mm時(shí),傳熱面積僅約32 m2。現(xiàn)改造成直徑為4 600 mm,筒體高3 600 mm的整體U形夾套,傳熱面積可以達(dá)到約68 m2,大大增加了傳熱量。夾套內(nèi)設(shè)置150 mm×20 mm螺旋擾流板,每圈擾流板間距200 mm。經(jīng)計(jì)算,不加擾流板時(shí)內(nèi)筒厚度需選用44 mm,增加擾流板后,內(nèi)筒厚度可減小至32 mm,降低了制造成本,且擾流板的設(shè)置也加大了傳熱面積及傳熱系數(shù)。

7 結(jié)束語

反應(yīng)釜擋板型式改進(jìn)為均布的四個(gè)頂插式擋板,擋板由接管壓扁形成橢圓管,內(nèi)部中空,外部圓滑,既消除了旋渦,又避免物料死區(qū),還增強(qiáng)混合效果。其中兩個(gè)對稱的擋板設(shè)計(jì)成不一樣的長短,內(nèi)部設(shè)置測溫裝置,可測量反應(yīng)釜內(nèi)部不同位置、不同高度的物料溫度。另外,在兩個(gè)對稱的擋板內(nèi)部各插入一根豎式U形換熱管,換熱管內(nèi)通冷卻水,擋板內(nèi)部,U形管外部加入導(dǎo)熱油,在設(shè)備內(nèi)部對物料進(jìn)行換熱,增加傳熱面積。

反應(yīng)釜夾套型式改進(jìn)為整體U形夾套,夾套內(nèi)部設(shè)置螺旋導(dǎo)流板,可增加傳熱面積,提高傳熱系數(shù),增強(qiáng)了反應(yīng)釜的換熱效果。