136m^3 PVC大型聚合釜研发与设计

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中国的聚氯乙烯(以下简称：PVC)产量已成为世界第-，2011年全国PVC产量为 1295.2万t。在当今悬浮法生产 PVC树脂工艺盛行的情况下，适应于该工艺的 PVC聚合釜 日趋大型化，这主要是 PVC项 目的规模越来越大，选择 PVC大型聚合釜主要是为了投资项目的初期投资成本和后期运行成本的最携，有效降低产品生产成本，可以大大提高PVC的市澈争力。在国内，计划新建 PVC项 目多在2O万 t/a以上，开发大型聚合釜及成套工艺技术成为必然的趋势，在成功研发和应 用 70 m 和 105 m PVC聚 合釜 基础上 J，通过对其结构特点、传热分析、有限元应力分析和搅拌模拟流场分析等研究，研发与设计拥有自主知识产权的 136 m PVC大型聚合釜。

l 136 m。PVC大型聚合釜设计参数和结构1.1 设计参数136 m。PVC大型聚合釜设计主要参数见表 l136 Il PVC大型聚合釜研发与设 Vo130.N03 2013～ 4。

表 1 136 m PVC聚合釜工艺参数项目 釜体 夹套设计压力/MPa 1.5/F.V 0.8工作压力/MPa 1.03 O.6设计温度/C 150 120工作温度/C 70 90介质名称 PVC/VC，H2O H20介质密度/kg·m。 <1200 10o0介质特性 中度毒性/易燃 无毒/非易燃表 2 136 m PVC聚合釜结构尺寸项目 数值釜实际容积 V/m 136釜内径 D/mm 420o釜体直筒高度H/mm 8510釜体长径比H/D 2.03釜体封头形式ID/mm 标准椭遭头/4200表3 136 m PVC聚合釜传热数据夹套项 目 数值内夹套面积/m 111.6上封头夹套的传热面积/m 0下封头夹套传热面积/m 10.8釜顶冷凝器传热面积/m 0搅拌挡管的传热面积/m l2.5总传热面积/m 134.5表 4 136 m PVC聚合釜搅拌体系数据项目 数值搅拌器形式 二叶平桨搅拌器尺 ，-jrram 2070搅拌器层数 3搅拌器转速/rpm 60～100搅拌器电机功率 390轴向 顶入式带底轴承挡板形式及尺寸 D型挡管挡板数量 21.2 结构136 m PVC大型聚合釜为全流通内夹套结构，釜顶上装有搅拌装置，所有与介质接触的316L不锈钢材料表面均进行电解抛光处理，使釜内表面粗糙度R0小于0.1 txm，以保证釜内的表. 16 。

图1 136 m PVC大型聚合釜照片2 聚合釜夹套的传热分析由于聚合过程会产生大量的热量，要保证聚合过程平稳、快速进行，必须将聚合过程产生的热量及时移走，防止热量堆积、发生爆聚危险。因此，合理设计换热夹套、提高设备的换热量是非常关键的 J。氯乙烯聚合过程中，向单体的链转移反应显著，因此聚氯乙烯的平均分子量仅决定于聚合温度，基本上与引发剂浓度无关。为了防止转型，聚合温度要严格控制在±0.2 oC的范围内，而引发剂浓度的改变仅仅是为了调节聚合速率。

氯乙烯的聚合热约为366 kCakg，聚合温度要保持恒定，就要求及时散热 。J。

根据传热速率公式：QKFAt (1)要保持-定的传热速率，可以从提高传热系数 、增加传热面积F或扩大温差△ 三方面着手。随着釜体积的增大，单位体积所具有的夹套传热面 势必减少，内冷管的增设又有所限制。扩大釜内外温差，势必降低冷却水温；采用深井水或冷冻水都使基建投资和操作费用增加。因此希望聚合釜具有较高的传热系数，以保证传热 。

136 In。PVC大型聚合釜的传热热阻计算如下 ： ∑ (2) O/1 -- A 0/2式中 0/ --釜内壁液膜给热系数0/ --釜外壁液膜给热系数- - 釜体壁厚A--釜体材料热导率第3O卷第3期 压 力 容 器 总第244期分别计算了采用半管外夹套、全流通复合板内夹套(Q345R316L复合)以及全流通内夹套(全 316L)三种情况对比，对外夹套结构而言，釜体壁厚是影响传热的主要因素，其热阻占总热阻的56%以上，因此减少金属壁厚是提高聚合釜传热效率的主要方向，但由于釜体壁厚受压力和材料强度的制约，无法进-步减保对聚合釜本身来说，主要是通过提高釜的传热系数 和增大釜的传热面积F，以提高聚合釜的传热量。对于大型釜，随着聚合釜体积的增大，设备的比表面积将减少，因此提高传热系数 将是行之有效的方法，而传热系数 即为传热热阻的倒数 (1/K1/oz1> Al/ 2)，所以减少金属壁厚艿，可以增加 值。内夹套结构解决了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的传热面积达到最大化。

将全流通内夹套技术运用到 136 m PVC聚合釜形成的 136 m。PVC全流通内夹套聚合釜，其传热能力由原来外夹套的893.8 W/m ·K提高到 1293.1 w/m ·K，传热能力达到44.67%，见表5。

表 5 136 m PVC聚合釜传热能力对比半圆管 纯316L 复合板 夹套类型外夹套 内夹套 内夹套总传热系数 893. 8 1155.5 1293.1 / W· (m ·K)全流通内夹套技术的运用，将外夹套聚合釜夹套传热热阻从热阻方面分析，运用纯不锈钢内夹套时，其热阻降低了近33.7%，其夹套热阻权重由外夹套时的 66.67%降低到 57.00%；运用cSss复合板内夹套时，其热阻降低了近40%，其夹套热阻权重由外夹套时的66.67%降低到51.69% 。

采用全流通内夹套结构，传热能力超过了原外夹套的1.4倍，解决了PVC聚合釜大型化的传热瓶颈问题，可大大提高 PVC聚合釜的生产能力[81。

3 聚合釜有限元应力分析136 m PVC聚合釜为全流通内夹套结构，聚合釜封头和简体可根据GB 150等标准进行设计，但是全流通螺旋内夹套结构的强度和刚度无法用常规方法设计计算，以上部位的强度计算已超出了GB 15O-201 1的范围，因此采用有限元应力分析方法。

应用 ANSYS有限元应力分析软件对 136 mPVC聚合釜的封头、简体和内夹套等进行应力和变形分析，以保证聚合釜运行的安全性。图2示出上封头和内夹套简体的应力和变形图，图3示出内夹套筒体和下封头的应力和变形图，图4示出内压作用下局部应力和变形分析点路径。

图 2 上封头和内夹套简体的应力和变形图图3 内夹套简体和下封头的应力和变形图应力强度评定按 JB 4732-1995《钢制压力容器--分析设计标准》。

- 次总体薄膜应力强度：S P ≤- 次局部薄膜应力强度：5ⅡP ≤1.5KS- 次薄膜加-次弯曲应力强度：Sm P≤1.5KS- 次加二次应力强度：.sⅣPLP6Q≤35