新型聚醚多元醇反应釜的结构设计优化

山东淄博某大型国营化工企业聚醚多元醇8O m 反应釜自2000年投人生产以来，工况随着工艺及技术磨合日渐成熟。目前4台反应釜形成年l0万t 生产能力。

聚醚多元醇(简称PPG)是由起始剂(含活性氢基团的化合物)与环氧乙烷(EO)、环氧丙烷(PO) 等在催化剂存在下经酯化反应制得，生产出各种通用的聚醚多元醇。

常用的PPG主要有：聚丙二醇型、聚四氢呋喃二醇型、接枝型聚醚多元醇、杂环改性聚醚多元醇等。由于中国聚氨酯的需求一直保持着高速增长势头，该反应釜的研制投产，使得中国聚醚多元醇的产能进一步得到提升，基本上能满足市场需求，实现了设计意图，做到了达产达效。

1、设计参数

1．1 反应釜主要设计参数该反应釜在聚醚生产过程中，釜体外及下部需要安装盘管夹套，设备所需的物料、溶剂、催化剂等进口以及压力表、温度计、安全阀等仪表接口，只能布置在顶盖上。只有物料出口布置在壳体下部。加之，搅拌轴及轴密封装置必须布置在设备顶部，因而反应釜设计难度很大。而设备内物料进行酯化反应，反应过程中有聚醚副产物氯化钙结晶颗粒产生。固体颗粒的产生对搅拌叶片影响很大。设计时反应釜由四个耳式支座支撑在楼板上。考虑工作时，温差达到一l0℃～300℃，温差对反应釜体焊缝有较大的影响，在釜体上增加了热膨胀缓冲节，保护焊缝不开裂。反应釜主要设计参数如表1所示。

表1：反应釜主要设计参数
 

1．2 强化传质传热

聚醚多元醇一般都是以多元醇或其它含有活泼氢的有机化合物为起始剂与环氧化物开环酯化而成，其中以环氧丙烷开环酯化物制备聚醚多元醇为较常见。由于其用途广需求量大，适合于合成各种聚氨酯泡沫塑料而称之为通用聚醚多元醇。环氧丙烷有较强的反应能力，它的酯化过程属于离子型的反应机理。环氧丙烷在碱金属氢氧化物催化剂作用下发生酯化反应。要使酯化完全，必须将酯化副产物单体尽快抽出，越快越好，这是聚醚多元醇生产工艺的关键所在。只有将混和物迅速加热到工艺温度，才能加快酯化速度，提高产品优级品率，设计时采取增大盘管传热面积的设计方法。

由于80 m 聚醚多元醇反应釜容积大，其夹套面积(即比表面F／V)相对减少，传热不利设计在釜内设置了2段双列盘管，其冷热媒转换面积达到108 m ，大大增加了反应釜釜体的总传热面积。2段加热可适用不同牌号的聚醚多元醇的生产，灵活节能实用性强(见图1)。

1．3 提高传热系数

在釜外夹套内设置螺旋导流板，可使冷媒或热媒在夹套中的流速提高到2—4 m/s，则夹套侧的导温系数从一般的3 000 kJ／(m ，h，℃)提高到9 000～ 12 000 kJ／(m3，h，℃)可使总传热系数提高40％ ～ 60％ ，见图l所示。

1．4 合理设计搅拌器

这种搅拌器由于桨叶面积大，转速较低，其借助挡板的作用，来强化轴向的混合。它的桨叶端部较长，叶片附近的湍动漩涡区较大，有利于分散且物料不易沉于釜底。这种搅拌器在搅拌功率相同的情况下，能产生更大的循环湍流，传质传热效果好。达到同样的搅拌效果时，它消耗的功率较小，见图1所示根据聚醚不同生产阶段的特点及物料粘度相对密度等物性，设计采用双层不同型式的搅拌器，上层为开启折叶浆式，下层为框板式。其设计公式为： D/T= 0．53 B／T=0．64 W/T=0．1 式中：D为搅拌桨直径；T为釜内径；B为搅拌桨高度； 为浆叶宽度

1．5 合理设计反应釜结构

设计釜体长径比为L／D=1．35，内盘管高度占釜体高的2／3，反应釜体设计有4个支座耳朵，便于反应釜体的安装。搅拌叶片及反应釜体设计优点：反应速度加快，缩短生产周期；可承受高温高压，釜体加工工艺好，釜内外温差大时，热膨胀应力小，保护焊缝的使用寿命。

另外，反应釜外夹套顶部设置了安全阀，如果反应很压，安全阀立刻起跳，反应釜内迅速泄压，可保障工人的人身安全。

提高自动化水平，做到运行安全可靠节能环保，设计将工艺选定的自动检测仪表通过法兰套管安装在釜体中部，通过电脑可随机自动分析出釜内物料的温度及压力，数据精准，跟踪及时，该反应釜设计手段先进，在国内化工行业设计中尚属首次。根据聚醚生产的不同阶段，搅拌转速不同的特点，加装变频器，采用变频无很调速，电机启动电流小，功耗低，节省了电能，而且产品收益率提高，节约能源。系统采用自动气动调节阀并与电脑接驳，实现了连续自动化生产，大大减轻了工人的操作强度。

2、机械密封

在聚醚多元醇的生产过程中，存在两种压力条件。在反应初期，为了避免与空气中的氧气接触，产生氧化物，降低聚醚多元醇色泽品质，实行氮气保护，反应釜内呈正压状态。而在反应后期，为了把聚醚多元醇中未反应的单体抽出，采用边搅拌边抽真空的方法，釜内呈负压状态。另外在反应过程中产生大量热量，这对机械密封使用提出了苛刻的要求。搅拌形式改进加之减速机架的加固，改变了机械式密封的受力结构，采用双端面多密封圈机械密封后，其使用周期大大延长。考虑以上使用条件，采用双端面多密封圈机械密封。系统采用丙二醇冷却液冷却。使用效果良好，达到了工艺及使用要求，为反应釜的长周期运行创造了条件。

3、运行结果

表2   全年生产运行情况汇总
 

2000年l0月1日，80 m3聚醚反应釜正式投入使用，且一次试车成功。自投产以来，运行平稳安全可靠，省时节能。与其他小型反应釜相比，产品优级品率高。除正常检修停车外，设备从未出现事故，凸显出大型化工设备的优越性，综合全年生产运行情况见表2，各项经济指标对比见表2。

表3  全年各项经济指标汇总
 

4、经济分析

通过对表l、表2的对比分析，计算结果如下：用单台80 m 反应釜比其它单台反应釜生产周期缩短了近3 h；每台80 m 反应釜比其他反应釜全年多生产聚醚多元醇1 000 t，多创产值1千多万元。由于主要原料及辅料消耗下降，使产品成本降低，全年可节省资金350万元维修费用。同类其它小容积设备相比，它具有省时、高产、优质、低耗、安全环保等优点，是迄今为止国内同类反应釜设计较大且使用较成功的，为其他类型化工反应釜的设计及使用提供了宝贵的经验，全年各项经济指标汇总，如表3所示。该反应釜的投用，为企业创造了巨大的经济效益。