丁苯膠乳反應釜的結構改進

丁苯膠乳反應釜的結構改進

1 研究背景

丁苯膠乳是由不同比例的丁二烯和苯乙烯經過乳液聚合得到的一種固含量為30%～50%的水性溶液。丁苯膠乳的生產過程是一個乳液聚合放熱反應過程,丁苯膠乳的乳液聚合體十分復雜,包含有很多種單體、調節劑、表面活性劑、引發劑等共十余種。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。

丁苯膠乳反應釜內物料黏度隨著生產過程是變化的,反應前期,各單體混合時黏度較低,反應結束后,丁苯膠乳為一種高黏度物料。為保證丁苯膠乳流動性,一些反應釜不設置擋板。反應釜在未設置擋板時,物料繞軸作旋轉運動,流體呈切向流狀態。中心部分液面下降,形成旋渦,此時物料從槳葉周圍周向卷吸至槳葉區的流量很小,會降低反應前期各單體物料的混合效果。如果增加擋板就可把回轉的切向流動改變為徑向和軸向混合流,消除了旋渦,增強了前期單體物料混合效果。

廣州黑燈科技有限公司是專業從事各類行業各種類型的自動化控制系統開發和自動化工程項目承接，機械自動化設備生產，化工設備研制生產（擁有D1,D2壓力容器生產許可），智能機械人研究制造，自動化生產流水線，可應用在各類工業生產上使用，技術團隊已在自動化控制方面積累了豐富的技術和經驗，是一家專注于自動化控制系統開發、自動化工程項目承接和技術服務的技術型企業。自動化配置緊自動急切斷聯鎖裝置，并且應配備光聲報警系統。能有限降低人員的傷亡的情況，減少財產損失。緊急切斷聯鎖裝置防止事故的發生。歡迎來電討論咨詢，關生18565060664   http://www.xm-fcx.com/

2 反應釜擋板設置形式

常規反應釜擋板焊接在設備內壁,在擋板與筒體焊接處,易造成攪拌死區,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位置,無法流動,導致物料混合不均勻,成品性能降低,也不利于設備維護檢修時的清洗。

可見,對于丁苯膠乳反應釜不設置擋板或設置常規擋板這兩種形式都不利于反應進行。經過研究比對,插入式擋板結合上述兩者優點而沒有缺點,比較適合丁苯膠乳反應釜。插入式擋板由接管壓扁形成長圓管,內部中空,外部圓滑,擋板一端與反應釜上封頭的管口通過法蘭固定連接,另一端插入設備內部物料中。四個插入式擋板均勻分布,與設備內壁保持一定距離,不會形成攪拌死區,可滿足全擋板條件,較大地增加了流體的剪切強度,消除旋渦,改善主體循環,增大湍動程度,使各物料接觸更充分,形成全釜的均勻混合,同時還能降低攪拌載荷的波動,使功率消耗保持穩定,而且結構簡單,操作方便,便于清洗。

3 反應釜擋板作為測溫套管使用

丁苯膠乳反應是放熱反應,溫度對丁苯膠乳的性能影響較大,所以需要在反應釜的不同位置設置測溫點,及時檢測反應釜內不同位置處的介質溫度,監控反應的進行。為避免減少傳熱面積影響傳熱效果,應盡量減少筒體及下封頭的開孔。經研究,可以將插入式擋板作為溫度計的套管使用。

在一對對稱的插入式擋板內充入導熱油,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,也能充當測溫套管使用。為了在攪拌過程中更好地測量設備內物料在不同位置處的溫度,將兩個擋板做成不一樣的長度,其中一根擋板的內伸長度在底部攪拌和中間攪拌之間,另一根擋板的內伸長度在中間攪拌和上部攪拌之間,這樣的長度設置可以精確測量不同方位、不同高度處的物料溫度,使溫度監測更精準,保證了反應釜生產的安全。

4 反應釜擋板與蛇管傳熱組合

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

這種設計方法既保留了常規豎式蛇管結構增加換熱面積并起到擋板效果的優勢,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,影響傳熱效果,甚至使物料不能充分混合的缺點,同時解決了蛇管的固定問題,簡化結構,更方便后續設備的清洗、維護和保養。

5 反應釜夾套型式改進

丁笨膠乳的反應是放熱反應,現在一般單體總轉化率達到60%左右就要終止聚合。否則轉化率過高,會使體系黏度過大,不易散熱。由于游離基共聚反應是放熱的,如局部過熱,則易引起凝膠產生支鏈結構,影響丁苯膠乳的質量。所以溫度對丁苯膠乳的性能影響也較大,需要及時釋放反應熱,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;A為傳熱面積;ΔT為冷熱介質溫差。

可以看出,為增加熱流量,及時釋放反應熱,可通過提高總傳熱系數,增加傳熱面積,增大冷熱介質溫差來實現。但因為反應溫度對丁苯膠乳產品影響較大,需要保持反應釜溫度的穩定,所以冷熱介質溫差無法調節,只能從提高總傳熱系數和增加換熱面積兩方面著手解決。

常規丁苯膠乳反應釜外部設置半圓管型夾套,夾套結構如圖5所示。夾套內通冷卻水,帶走反應釜內部反應熱量。半圓管型夾套為了方便焊接及避免焊接時產生的相互不利影響,需要在半圓管之間留有一定間隙,且半圓管需要避開設備支座,所以換熱面積相對較小,換熱不均勻。

改進后的丁苯膠乳反應釜改為整體U形夾套,如圖6所示。支座設置在夾套外部,夾套內部焊接螺旋導流板,螺旋導流板類似內筒體翅片,極大增加了換熱面積。

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

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

螺距應小于30%容器內徑,螺旋導流板的圈數應大于一圈。

GB 150.3—2011標準中規定,外壓圓筒計算長度L應取l1和l2兩者之大值:

(2)

式中:l1為夾套計算長度;l2為夾套計算長度l1的端點至邊緣螺旋導流板纏繞一整周終點處的軸向距離;n1為螺旋導流板的圈數,n1>1。

為了防止螺旋導流板失穩,其橫截面應滿足:

h1/b1≤8

(3)

式中:h1為螺旋導流板寬度;b1為螺旋導流板厚度。

為了保證螺旋導流板兩側角焊縫的精度,焊縫尺寸a應滿足:

(4)

式中:φ0為螺旋導流板兩側角焊縫計算的焊接接頭因數;D1為容器內徑。

滿足以上條件后,在進行反應釜內筒體的外壓計算時,外壓圓筒計算長度明顯減小,內筒體壁厚計算結果相應減小,螺旋導流板起到了減少材料、節約成本的作用。

6 應用案例

某公司年產250 000 t丁苯膠乳的改造項目中,有五臺70 m3丁苯膠乳反應釜。這五臺丁苯膠乳反應釜是整個工藝過程的核心設備。丁苯膠乳內筒直徑為4 200 mm,筒體高3 700 mm。內筒設計壓力為1.2 MPa,設計溫度為140 ℃,材料為S31603。夾套設計壓力為0.6 MPa,設計溫度為170 ℃,材料為S30403。

改造前,反應釜筒體內部無擋板、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,設備內部均勻設置四根插入式擋板,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,內部充入導熱油并設置測溫裝置。另兩根對稱的擋板內部各插入一根DN50 mm的U形換熱管,可增加內部傳熱面積約5 m2。使釜內混合更均勻,傳熱量更大,對物料溫度的檢測更精準。

改造前筒體外部設置DN80 mm半管夾套,每圈半管間距160 mm時,傳熱面積僅約32 m2。現改造成直徑為4 600 mm,筒體高3 600 mm的整體U形夾套,傳熱面積可以達到約68 m2,大大增加了傳熱量。夾套內設置150 mm×20 mm螺旋擾流板,每圈擾流板間距200 mm。經計算,不加擾流板時內筒厚度需選用44 mm,增加擾流板后,內筒厚度可減小至32 mm,降低了制造成本,且擾流板的設置也加大了傳熱面積及傳熱系數。

7 結束語

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

反應釜夾套型式改進為整體U形夾套,夾套內部設置螺旋導流板,可增加傳熱面積,提高傳熱系數,增強了反應釜的換熱效果。