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浅析改善聚合釜撤热效果的措施 许雄杰 玉门炼化总厂聚丙烯装置1990年破土动工，1992年建成投产，采用间歇式液相本体法生产工艺，丙烯聚合选用DJD-Z高效催化剂。经过两次的技术改造和科技投入，特别是在2005年装置扩容改造后，现有8台聚合釜，装置生产能力为4万吨/年。多年的生产实践发现，聚合釜的取热效果是影响单釜产量的决定因素，单釜产量是体现聚丙烯装置生产能力的主要指标。因此，聚合釜的取热能力对装置经济效益有着直接影响，只有努力改善聚合釜的取热效果，避免反应过程丙烯的大量回收，才能达到提高装置经济效益目的。 1 聚合釜冷却状况分析 聚合反应过程中有大量的热量需要有序地撤出，如果不能及时撤除，容易造成釜温过高，引起聚丙烯粉末熔化结块，影响产品质量，而且若撤热效果不好，必将导致反应周期的变化，最终影响聚丙烯产量。目前主要的撤热方式有3种：夹套撤热、夹套和内冷管撤热、外循环撤热，本装置聚合釜选用夹套和内冷管撤热的方法。CS-1、DJD-Z等高效催化剂的相继投用，虽然提高了丙烯转化率，但由于聚合反应动力学特性的影响，加之现有聚合釜撤热能力有限，聚合釜撤热困难的问题进一步加重，导致在反应后期压力和温度难以控制，只能靠提前结束反应或开大回收来控制，这样不仅降低了丙烯单釜转化率，而且给安全生产带来不小的隐患。 聚合釜夹套的冷却面积有23.05 m2，约占全釜总冷却面积的85 %，理论上是撤热冷却作用的主体部分，但实际起到的作用有限，分析原因主要有两点：(1)夹套内水流平缓，流速较低。这是由于夹套的容积有2.36 m3，且釜底容积较大，夹套流道内隔板间距300 mm，缓冲明显，因此进口管线高速水流进人夹套后以平缓状态流动，流速极低，湍动效应小，使导热效果降低；(2)循环水的腐蚀冲刷，对夹套的损坏日益加重，垢物累存，导致夹套冷却性能日益降低。 2 丙烯聚合反应动力学特征 液相丙烯本体聚合是一个非稳态的强放热过程，其中包括链引发、链增长、链终止等过程。反应开始后，随着时间的推移，反应速度加快，并很快达到峰值（此时是反应集中放热阶段），之后，随着反应时间的增加，反应速度逐渐降低直至为零，如图1所示。在反应的过程中，釜内物料形态也在逐渐发生着改变，釜内固态聚合物逐渐增多，液相丙烯逐渐减少，使得釜内传热效果逐渐变差。 图1 聚合动力学曲线图 从图1可知，丙烯聚合反应速率在反应过程中是变化的，因此，聚合反应热的释放也是不均匀的。在反应速率最高时，反应热释放量也最大，约是平均值的1～2倍。 3 传热分析 丙烯聚合高峰期总放热量(QT)主要由两部分组成：高峰期反应热(Q1)和搅拌摩擦热(Q2)，即QT=Q1+Q2，考虑到聚合釜本身的散热为总发热量的5%，则实际总取热量Q=0.95QT。 由于聚合釜传热的主要方式是夹套传热，其传热方程式为： Q= AK△T 所以，Q=0.95(Q1+Q2)= AK△T 式中：Q—总取热量，W；　 A—总传热面积，m2； K—总传热系数，W/(m2?℃)； △T—平均温差，℃。 3.1 聚合釜总传热系数的确定 对于丙烯聚合这样一个复杂的非稳态系统，传热基本公式Q＝AK△T仍然适用，但如果按照传统的理论方法来计算聚合釜夹套和内冷管的传热系数，即按照公式： K＝1/（1/α0+1/αi+b/λ+Re0+ Rei） （1） 计算不但繁琐，而且与实际相差甚远。目前在聚合釜设计工程应用上，国内基本认可的液相本体聚合釜和内冷管的传热系数的半经验化公式为： K= a0?е-0.809C （2） 式中：K—总传热系数，W/m2?℃ a0—丙烯转化率为零时，即釜内丙烯为液相时的传热系数W/m2?K（对钢结构材料a0可取580－698W/m2?K，聚合釜材质是16MnR，取a0＝600W/m2?K。） C－丙烯转化率 由式（2）可知，当C＝0时，K= a0，当转化率增大时，因固体聚丙烯颗粒的传热系数小，则K值变小。根据聚合反应动力学特征，当转化率在10％左右时为反应放热的高峰期，此时根据式（2）总传热系数为： K10 =a0?е-0.809C ＝600×е(-0.809×0.1) ＝553.37 W/m2?K 3.2 聚合高峰期总需撤热量Q 3.2.1 反应热的计算 丙烯聚合为放热反应，其反应热为2472.95kJ/kg，根据高效载体催化体系的动力学特征，反应高峰期每小时丙烯的平均转化率取45.26％。对于12m3聚合釜，按聚合釜的设计产量以3000kg计算，则反应高峰1小时内的反应热Q1为： Q1＝2472.95×3000×45.26％ ＝3357771.51kJ/