新疆华泰重化工有限责任公司一期技改装置采用原北京化二股份有限公司聚合釜及成套工艺生产技术,该装置共有6台70m3聚合釜,装置设计产能12万吨/年,自2008年正式投产以来,生产能力及产品质量均达到设计要求,单台聚合釜实际生产能力可达到2.5万吨/年,为了进一步提高聚合釜产能,2012年采用北京新安化二工程技术有限公司技术对6台70m3聚合釜进行新增釜顶冷凝器工艺改造,改造完成后目前聚合釜产能已达到3.15万吨/年。使用效果较好,现对70m3聚合釜新增釜顶冷凝器后运行情况总结如下:
悬浮法聚氯乙烯生产工艺如下:先将去离子水与氯乙烯单体加入聚合釜内,在搅拌作用下继续加入分散剂水溶液和其他助剂,最后加入引发剂,将聚合釜温度控制在预定温度进行聚合反应,聚合釜的物料在聚合釜中发生如下反应:
聚合反应热由聚合夹套及内冷管通循环冷却移除,保证聚合釜温度控制在T±0.5℃范围内,反应放热移除的能力决定了聚合釜的生产能力。
在大型聚合釜中,为保证聚合釜生产装置能力的进一步提升,通过增加釜顶冷凝器装置来增加聚合釜换热面积,在聚合釜顶部安装一列管式换热器,换热面积120m2(聚合釜原设计换热面积夹套70m2,内冷管19m2,换热面积共计89 m2)。换热器管程内为氯乙烯单体,利用聚合釜顶部人孔做为釜顶冷凝器的接口垂直安装在聚合釜釜顶部,釜顶冷凝器壳程内为循环冷却水,壳程循环水设计为高进低出,循环水调节阀安装在冷凝器下部回水管道上,釜顶冷凝器设计有涂釜、注水、回收等工艺管口。聚合釜反应过程中,不凝的氯乙烯气体进入换热器内,被循环水冷却后,由冷凝器冷凝成液态单体回流至聚合釜内继续参加反应,达到移除反应放热,提高聚合釜换热效率,缩短聚合釜反应时间,从而增加单台聚合釜产能。图1为釜顶冷凝器工作原理示意图如下:
聚合反应过程中聚合釜内加入单体量一定最终转化率一定,其反应过程中反应的热量是一定值,由于现有聚合釜换热面积有限,根据Q=KS△T=qt,当热量为定值时单位时间内移除热量q越大反应所需时间越短,聚合效率越高,同时由于K、△T均为定值,如提高聚合效率,必须增大有效传热面积S,新增釜顶冷凝器通过自控程序控制实现聚合釜反应热量通过釜顶冷凝器移走,在不进行大量资金投入的情况下可提高单釜产能,聚合效率可提高26%,单台70m3聚合釜装置年总产能将由2.5万吨提升至3.15万吨,设备利用率将大幅提升。
聚合釜新增釜顶冷凝器后,对聚合釜及冷凝器的涂壁是非常重要的,在涂壁操作过程中,新增釜顶冷凝器后涂壁液用量相应增加,涂壁分为两部分进行,首先对聚合釜进行涂壁,聚合釜涂壁完成后对釜顶冷凝器进行涂壁,涂壁液通过釜顶冷凝器顶部及底部涂壁喷头由蒸汽雾化后分段进入釜顶冷凝器,对釜顶冷凝器换热管内壁及冷凝器上下封头不完进行喷涂,避免聚合反应过程中单体聚合粘壁,影响釜顶冷凝器的换热能力。
反应期间,原聚合釜注水阀调为设定开度,以最小流量保持该管线清洁及釜压力变送器的可靠工作即可。釜顶冷凝器注水阀调为设定开度,控制釜顶冷凝器注水流量约为1900Kg/h左右(该流量包括釜顶冷凝器涂壁喷头冲洗水的流量)。反应期间的总注水量,(包括搅拌机封水,聚合釜注水阀,釜顶冷凝器注水阀)在DCS内监控。当总注水量达到设定的高限后,关聚合釜及釜顶冷凝器注水阀门,以防止满釜危险。釜顶冷凝器两处涂釜喷涂冲洗水在整个聚合反应周期注水以防止釜顶冷凝器涂壁喷头堵塞,注水阀门前安装1mm孔径限流孔板控制注水流量。
PVC悬浮聚合反应期间,釜温需平稳控制在±0.2℃,聚合釜增加釜顶冷凝器后,釜温控制通过聚合釜夹套、聚合釜内冷管和釜顶冷凝器三处循环水流量来实现。通过对于三处循环水控制阀门开度不断的联动调试,最终确定釜顶冷凝器与聚合釜内冷管循环水两处同时调节,达到统一控制的目的。PVC悬浮聚合在形成初级粒子时,其粘附性非常强,釜顶冷凝器使用一般在聚合VCM转化率大于l5%以后使用,如果提前使用,因这时形成PVC颗粒不稳定,粘结性强,会对聚合体系形成造成冲击,容易产生大颗粒,造成“鱼眼”形成,并且此时釜顶冷凝器工作后大量被冷凝的氯乙烯单体液滴落入聚合釜内,对反应初期的树脂产品质量影响较大。根据这一特性,在程序设计时,对釜顶冷凝器循环水开度控制进行优化设计,反应开始至形成大量初级粒子阶段,釜顶冷凝器不通入循环水,避免气液交换量过大,减少气相夹带大量的初级粒子粘附堵塞列管,达到保护釜顶冷凝器的目的。
由于釜顶冷凝器的投用,因此采用增加引发剂用量来加速聚合反应,缩短聚合釜反应时间,而聚合釜因增加釜顶冷凝器后换热面积增加,可以移除聚合釜剧烈反应期间的反应热,新增釜顶冷凝器后由于反应期间釜顶冷凝器冷凝后的液态氯乙烯单体重新回到聚合釜内参加聚合釜反应,需对分散剂用量进行调整。由原来的800ppm提升至1000ppm(与氯乙烯单体的比例),增加釜顶冷凝器后,除树脂表观密度外聚氯乙烯树脂产品质量未发生明显变化。
我公司70m3聚合釜釜顶冷凝器装置自投用以来,70m3聚合釜生产能力在原有基础上有了明显的提升,使用效果良好,各项工艺参数控制平稳,生产的PVC树脂质量稳定,满足国内外客户使用要求,在国内同行业有很好的推广前景。
摘要：介绍了70m3聚合釜增加釜顶冷凝器的技术改进,通过增加釜顶冷凝器及相应自控化程序改造,将70m3聚合釜产能由2.5万吨/年提升至3万吨/年。对比分析了采用釜顶冷凝器前后的工艺运行及产品质量情况。
关键词：PVC,70m3聚合釜,釜顶冷凝器,应用
[1] 陈焕之.聚氯乙烯技术与市场.湖南化工,1987,4(l):41~42.
[2] 邴涓林,朱平,金永利,李承志.国内PVC大型聚合釜技术发展动态.
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