聚合釜设计文献综述

文献综述
1．聚合釜的现状及发展
我国PVC生产企业平均规模为年产8万多吨，PVC生产处于低垄断状态。

由于国产化PVC生产技术的成熟，在很大程度上降低了行业进入门槛。

行业内和行业外企业为追求较高利润，竞相建设和扩产，近几年国内PVC热的显著特征是大干快上。

所谓大，是指规模大，新建改扩建项目年生产规模动辄十万吨以上，二三十万吨以上也不少见。

未来PVC生产企业规模将向40万~80万t/a大规模水平发展，规模小的企业将由于技术水平较低、污染严重、生产成本高、竞争能力弱而逐步被淘汰[1]。

我国PVC行业采用大型聚合釜生产装置成为近年来明显的发展趋势，前几年北京化二在消化吸收国外引进的先进技术的基础上，不断摸索实践，成功实现了70m3聚合釜成套工艺及关键技术的国产化，并在国内很多聚氯乙烯生产企业进行了推广应用。

70m3聚合釜由于长径比适中、生产强度大、换热能力好、运输方便、综合性能好，在建设10万t/a的聚氯乙烯生产装置时具有较好的综合经济效益，但随着新建或扩建聚氯乙烯生产装置规模越来越大，如建设20万t/a 以上生产装置，需要采用至少2条生产线，采用70m3聚合釜就存在设备投资较大、建设费用和运行费用较高、单釜生产能力偏低、控制不方便等不足，目前不少厂家在进行二期或三期扩建项目时，首选是采用100m3,以上聚氯乙烯大型反应釜[2]。

在这种背景下，开发新型聚合釜及成套工艺技术就成为必然的趋势。

大型反应釜的开发不是简单的容积扩大，而是综合技术的体现，涉及到多个领域的技术合作。

北京化二与上海森松公司吸收国内外先进技术和实践经验，对聚合釜容积的选型、换热方式、搅拌结构和方式、关键配件选择等进行了认真的讨论研究并进行了严格的计算，研制和开发了100 m3型聚合釜（该聚合釜正在申请专利），北京化二在吸收国内外各种先进工艺技术的基础上，开发了拥有自主知识产权的成套工艺技术。

2．聚合釜的设计
2.1 聚合釜容积的选型
聚合釜容积的选型与制造费用、运行费用、运输条件、生产效率和产品质量等密切相关。

100m3聚合釜是引进和吸收欧洲PVC聚合釜先进技术，在国内成功研究开发和制造的聚合釜。

聚合釜直径为Φ4 300mm，内夹套直径Φ 4 200，筒体切线长度5 900，长径比为1.38。

釜体内壁电解抛光，抛光精度Ra 0.1 um，机械密封使用寿命12 000 h以上，泄漏量小于5 mL/h[3]。

设备总体技术达到国际先进水平，可用于生产各种型号的悬浮法PVC树脂，尤其是生产用于注塑料的高型号树脂（SG7 和SG8树脂），更显出其独特的优势，并实现全过程自动化控制。

从运输条件来考虑，直径#4 500以内可以采用平板车运输，运输较为容易。

从制造费用上比较，100m3聚合釜制造费用不高于400万元/台，而70m3聚合釜制造费用约为二百七十万元/台，100m3聚合釜比较经济。

从生产强度上来看，该聚合釜单釜生产设计能力达到4.0万t/a，20万t/a聚氯乙烯生产装置可以采用1条生产线控制，可以很好地满足目前国内新建或扩建PVC装置大型化的需要。

2.2 聚合釜换热方式的选择与优化
聚合釜的换热能力的大小决定釜的生产能力，聚合釜的换热能力取决于3个因素，即传热系数、换热面积、换热的温差。

聚合釜的大型化的一个主要问题就是当釜的直径增大时，其釜壁实际厚度必须增加，否则达不到耐压等级。

一般氯乙烯单体聚合的最高温度选为80oC，对应的蒸汽压力为 1.5 Mp，考虑到安全系数，一般悬浮法聚氯乙烯聚合釜的设计最高工作压力定为2.5 Mp。

我国聚氯乙烯树脂标准有8个牌号，SG-8树脂的反应温度最高一般为65~67 oC，对应的压力为1.15~1.20 Mpa，其实际工作最高压力不超过1.20 Mpa，聚合釜的设计最高工作压力可以定为2.0 Mpa[4]。

如70m3聚合釜的直径为3 810，如果使用不锈钢和碳钢的复合钢板的厚度为3mm + 27mm，而100m3聚合釜的直径为4 250，如果使用复合钢板的厚度为3mm + 30mm，100m3聚合釜壁的传热系数比70m3传热系数降低7%。

因此，当聚合釜的体积增大时，直筒段夹套和封头的总换热能力降低很多，表面积与体积比例从1.26降为1.00。

如果不从工艺方面采取措施（如设置釜顶冷凝器等），聚合反应时间将会增加25%。

换热夹套方式可以分为传统的釜外冷却夹套方式和釜内换热夹套方式，釜外夹套冷却方式具有制造简单，釜的内壁既承担承重的作用也要承担换热的功能，由于内壁较厚其换热能力较低；釜内换热夹套方式制造技术要求高，釜自身和反应物料的重量由釜外壳来承担，釜内壁只是起到隔绝冷却介质和换热的功能，可以很大程度地减少釜内壁的厚度，提高传热系数，提高聚合釜的生产强度。

上海森松和北京化二对于聚合釜换热方式进行了研究。

针对夹套的方式进行了比较，认为使用釜内夹套应用于悬浮法聚氯乙烯聚合釜是可行的。

对外夹套结构而言，釜体壁厚是影响传热的主要部分，占总热阻的56%以上，因此减少金属壁厚的热阻是提高聚合釜传热效率的主要方向，但釜体壁厚受压力和材料强度的制约，无法进一步减薄。

100m3聚合釜采用不锈钢复合钢板内夹套结构的聚合釜型，可以同时解决聚合釜强度和传热的问题。

使得夹套内的冷却水与釜内的介质仅隔几毫米厚度，金属壁厚的热阻大大下降，提高了釜的传热系数。

另外，全流通螺旋夹套结构传热面积达到最大化。

上海森松和北京化二的技术人员对于夹套的方式进行比较，重点对以下4种换热内夹套的方式进行了研究，图1为螺旋导流板全流通夹套结构，图2为半圆管夹套结构，图3为角钢全流通内夹套结构，图4为半管层叠焊接全流通内夹套结构。

通过对于聚合釜夹套方式的研究，认为图4半管层叠焊接全流通内夹套结构是最为理想的釜内换热夹套结构，其换热面积最大、传热系数最高，但制造水平要求高，制造成本较高，与之配套的防黏釜技术水平较为困难，存在一定的风险。

100m3聚合釜采用图1和图3为120条型复合钢板（3+8 mm）焊接而成为全流通结构或角钢全流通内夹套结构，设计的
传热系数均可以达到1 074kcal/m2.h.oc，是釜外夹套的1.4倍，其综合性能最佳，解决了诸多技术难点，比较适合目前我国的现状，应用前景广阔。

2.3 搅拌器和内冷挡板的选择
（1）搅拌器的作用。

到目前还没有1个理论公式可完全精确地描述搅拌流场的状况。

搅拌流场是决定PVC树脂性能的主要因素。

搅拌流场是由循环流量和剪切强度组成。

循环流量可以使用轴向循环次数和径向循环次数来表征。

实验中可以用示踪粒子的径向和轴向运行轨迹的循环次数统计规律来定量，循环量是比较数据，很难用绝对的数值来表示，循环流量对于传热和水油的分散与混合起着重要的作用；剪切强度主要由搅拌器和釜内挡板的相互作用提供，为悬浮液中的物质之间提供传质并且使悬浮VCM液滴提供破碎和聚集的能量。

釜内挡板起到了破坏和改变流场状况，强化剪切强度和提高流场的剪切性能的作用。

剪切强度一般使用单位体积的搅拌功率来表征。

单位体积的搅拌功率越大，剪切力越强，分散剂使用量相对减少，配方中的分散剂使用与搅拌形式密切相关。

分散剂的品种和使用量必须与搅拌器的型式匹配一致，才能生产出优质的产品。

（2）搅拌浆安装位置。

搅拌形式按其安装位置分为顶伸式搅拌器和底伸搅拌器。

顶伸式搅拌器是普遍采用的搅拌形式，由于搅拌轴较长，轴的底部设有固定轴瓦，容易产生塑化皮子。

大型反应釜一般采用底伸式搅拌器，与顶伸式搅拌比较，搅拌轴短而细，一般只有顶伸式的1/3，可以节约电能，但其制造水平要求高，尤其是搅拌轴密封系统要有不间断的水冲洗，防止物料沉积。

100m3聚合釜的设计采用底伸式搅拌形式，采用双端面平衡型机械密封，密封环隙处配置注水系统，可以有效地防止悬浮物的沉积。

（3）浆叶形式。

采用何种形式的搅拌叶要根据釜形状、长径比、挡板形式等因素考虑。

在聚合反应中，搅拌叶对悬浮物料起着混合和分散的作用，直接关系到颗粒的形态、产品质量、分散剂的用量、传热效果等。

搅拌器性能和效果主要决定于搅拌转速、几何尺寸和形状等。

100m3聚合釜的设计采用单层四叶涡轮平浆叶。

（4）搅拌速度。

搅拌的转速对于悬浮液的流场的状态起到至关重要的作用，搅拌转速越高，流场的混合和剪切就越强，但转速太高将会导致电力浪费。

悬浮液体系随着聚合反应阶段的不同，黏度逐渐变大，所需要的搅拌强度也应该逐步加强。

根据反应原理，选用变频器控制搅拌的转速，在不同反应阶段，控制不同的搅拌转速，达到聚合反应的最佳效果[5]。

（5）变频器。

变频器技术是集电力技术、微电子技术、控制技术为一体的先进、成熟、可靠的自动化技术。

变频器的工作原理是通过微电子器件、电力电子器件和控制技术，将供给电机定子的工频交流电源经过二极管整流成直流电，再由GTR , IGBT等逆变为频率可以调节的交流电源，此电源驱动电动机。

采用变频调节技术后，电机定子电流下降，电源频率
下降，电机运转状况明显改善，延长了使用寿命，降低了设备的维修费用，转距大、启动电流小，软启动和停止时对于电网无冲击。

现有70 m3聚合釜搅拌电机功率为160 Kw，实际输出功率为80~100 Kw，随着转化率的提高，体系黏度的上升，搅拌功率呈上升趋势，一般不会超过100 Kw；105 m3聚合釜搅拌电机功率为315 Kw，而105 m3聚合釜的最大实际输出功率不超过210 Kw，127 m3聚合釜电机功率为310 Kw，135 m3聚合釜电机功率为335 Kw，通过对100M3聚合釜的搅拌轴功率计算与实际的经验相结合，将电机功率选定在250~280 Kw较为合理。

100 m3聚合釜的设计增加了变频器，可以将搅拌转速控制在30~65r/min。

（6）内冷挡板。

釜内挡板的设计原则主要从3个方面考虑。

a. 从传热角度考虑，内冷挡板（管型）越多，传热面积越大，对于聚合的传热越有力，反应时间越短；b. 从搅拌功能角度考虑，适度的安装档板，可以改变流体的状况，增加剪切强度，有利于悬浮液的分散和混合；c. 从聚合反应防黏釜角度考虑，内冷挡板越少越好，最好不设内冷挡板，釜内结构越简单越好[6]。

100m3聚合釜经过搅拌模拟试验和参考实际的生产经验，综合多种因素，选定在釜内设有2块三角型内冷挡板，由于其换热面积只有4 m3，换热效果可以忽略不计，挡板与釜壁联结在一起，没有任何死角，釜内平滑通畅，可以很好地满足氯乙烯悬浮聚合反应的混合、剪切和循环的要求，在保持釜内物料呈良好的悬浮状态的同时，又可以兼顾防黏釜的问题。

2.4 釜顶冷凝器
使用大型聚合釜，可以采用微机控制，批次之间树脂质量稳定，且消耗定额低。

但采用大聚合釜技术后，聚合釜的除热问题一直没有彻底解决。

为获得最佳热平衡，国外在聚合釜外增加了回流冷凝器，显著提高了聚合釜的除热能力。

对釜顶回流冷凝器有!种不同的观点。

一种观点认为冷凝器导致了物料凝胶量增加。

冷凝器通常是多管型的，安装在聚合釜顶部，含有氯乙烯单体的蒸汽从反应混合物中升入冷凝器，冷凝成液态，在没有保护胶的情况下，落入聚合釜中，会增加树脂中的凝胶量；另一种相反的观点则认为回流冷凝器对氯乙烯单体与水的共沸混合物的除热是非常有效的，这些冷凝液滴落到聚合釜中以后，在有搅拌的条件下，不会影响聚氯乙烯树脂的质量。

100 m3聚合釜釜顶冷凝器的面积根据循环水冷却水的温度不同而异，一般设计为140~200 m2。

同时采用回流冷凝器时，将体系内的氮气和不凝性气体排净，防止惰性气体聚集在冷凝器的顶部，影响冷凝效果的发挥。

在配方设计中尽量不使用带有挥发性的引发剂或溶剂，防止釜内雾沫夹带而使冷凝器堵塞。

为防止在冷凝器内产生黏壁物，提高换热速度，
净化由回流冷凝器净化的部分冷却的单体和蒸汽，在转化率达40%~70%时，为储存冷凝氯乙烯单体提供了回收槽。

另外将回流冷凝器的温度要控制在比聚合釜低10~15 oC，以防止回流冷凝器和聚合釜的联接处产生结垢物。

2.5 釜上关键配件的选择
100 m3聚合釜设计采用电动驱动的喷淋阀和专用柱塞式出料阀[7]。

喷淋阀有气动和电动2种驱动，目前电动驱动基本上取代了气动驱动。

电动驱动的特点是工作平稳、准确，可进行微机程控远距离控制；喷淋阀配有过载、短路、断路等保护装置，使用的安全可靠性大大加强；喷淋阀丝杠处安装了防止操作人员误操作造成超行程的防锁死装置，问题处理完毕后，打开防锁装置可继续使用，不影响生产。

目前专为聚合釜配套的柱塞式出料阀有气动和电动2种形式，大部分用户采用电机驱动。

电机装置同时配备“短路”“、断路”、“过载”等，综合保护器可
调节，性能安全可靠。

由于采用柱塞式结构，所以在开闭过程中运行平稳，密封性能好，阻力小，同时柱塞与釜口平齐，不会留下死角，避免对树脂质量造成影响。

电动专用柱塞式出料阀是手动出料阀的替代产品，它通过电力控制，电机带动减速机内的蜗轮和蜗杆及阀杆的旋转，使阀门中的柱塞做上下往复直线运动，通过行程开关控制柱塞移动的距离，达到阀开、阀关的目的。

2.6 聚合釜的安装
70 m3聚合釜采用挂耳式支撑，受力点在建筑物距地7.8 m处。

100 m3聚合釜采用裙座式支撑，考虑釜底的搅拌器和电机的位置、直径较大的出料管道的安装位置、出料泵和出料过滤器等设备的安装位置，将釜的裙座支撑在距地 4 m 高的建筑物框架上。

3．经济比较和发展前景
2003年以来，国内聚氯乙烯行业由于除了石油路线外，还有电石路线，因此更成为投资的热门，出现了多原料路线齐上的热潮。

行业内竞争日趋激烈，竞争优势更多地体现为规模优势。

采用100 m3聚合釜及成套工艺技术，在目前国内聚氯乙烯生产企业建设大规模生产装置（20万t/a以上）中具有较好的综合经济效益。

以某企业建设40万t/a聚氯乙烯生产装置为例，采用70 m3聚合釜,需要20台（每台价格约为270万元），而采用100 m3聚合釜，只需要10台（每台价格约为400 万元），可节省设备投资约1 400万元，同时聚合釜上的安全阀等配件也相应减少。

更重要的是，40万 t/a聚氯乙烯生产装置，采用70 m3聚合釜需要同时重复建设4条生产线，而采用100 m3聚合釜，只需要2条生产线，不但节约了建设投资，而且给操作控制上带来了方便，减少了生产运行的费用。

同时对产品质量上的控制也提供了更好的保证[8]。

采用100 m3聚合釜可以生产产品质量稳定的聚氯乙烯高型号树脂，更好地满足下游加工企业的需要。

随着国内聚氯乙烯行业的竞争越来越激烈，小规模聚氯乙烯生产装置将越来越表现出不经济性，考虑到今后国内新建聚氯乙烯生产装置规模至少将在20万t/a以上，100 m3聚合釜及其成套工艺技术具有极大的推广应用前景。

由于引进国外100 m3以上聚合釜及成套工艺技术设备费用和技术费用相当昂贵，在今后较长一段时期内，国产化100 m3聚合釜及其成套工艺技术将是企业的理想选择。

4．结论
聚合釜的大型化，每釜的产量大，克服了小釜生产出的聚氯乙烯树脂质量不稳定的缺陷，大釜比小釜的产量批次较少，树脂之间的差异减小，质量更加均匀和稳定。

同样规模的装置，采用大型釜，较容易实现DCS控制。

鉴于当前国内聚氯乙烯行业发展的情况，采用100 m3聚合釜，可以节省设备投资和建设投资，减少生产运营费用，有效降低产品生产成本，可以大大提高国内聚氯乙烯生产企业的市场竞争能力，为国内聚氯乙烯生产企业扩大产品规模、调整产品结构等创造了有利的条件。

100 m3聚合釜的研制和成套工艺技术的开发，在国内聚氯乙烯生产史上具有划时代的历史意义和深远影响，将极大地推动国内PVC行业的技
术进步和长远发展。