(遼陽石化分公司研究院， 遼寧 遼陽 111003)

攪拌反應(yīng)器是一種在化工、冶金等工業(yè)領(lǐng)域中常見的反應(yīng)器[1-3]，攪拌釜是化工生產(chǎn)過程中反應(yīng)釜或分離罐的主要核心部件，攪拌設(shè)備的選擇直接決定反應(yīng)產(chǎn)率或產(chǎn)品質(zhì)量[4]。螺帶式攪拌槳直徑大，攪拌時能不斷地將粘于釜壁的沉積物刮下來，強(qiáng)化了近罐壁液體的上下循環(huán)，適用于高黏度流體的混合[5-6]。螺帶螺桿組合槳同時具有螺桿和螺帶的特性，由于螺帶和螺桿的旋轉(zhuǎn)方向相反，液體沿著螺旋面上升或下降的方向相反，因此形成反應(yīng)釜內(nèi)軸向的上下循環(huán)，強(qiáng)化了液體內(nèi)外圍的循環(huán)[4]。攪拌器的功能是通過提供過程所需要的能量和適宜的流動狀態(tài)以完成攪拌過程[7]，攪拌釜一旦出現(xiàn)問題，將直接影響反應(yīng)或者出料過程，影響裝置長周期安全平穩(wěn)運行。

某裝置分離干燥罐攪拌釜工作介質(zhì)主要是己烷、催化劑和三乙基鋁，介質(zhì)易燃、易爆，密度約為640 kg/m3。該攪拌釜外帶夾套，全體積10.4 m3，傳熱面積17.8 m2，工作溫度37～85 ℃，工作壓力-0.08～0.2 kPa。攪拌釜中的攪拌槳為螺帶螺桿組合槳，生產(chǎn)過程中多次出現(xiàn)進(jìn)、出料過程中斷的故障，造成非計劃停車，降低了設(shè)備的利用率和完好率。筆者從攪拌釜結(jié)構(gòu)與裝置工藝狀況的匹配性出發(fā)，對攪拌釜故障原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的解決措施。

1 攪拌釜故障情況

打開分離干燥罐上蓋后發(fā)現(xiàn)，罐內(nèi)壁黏附有大量近乎熔融態(tài)的物料[8]，罐底出料口出現(xiàn)嚴(yán)重粘連現(xiàn)象，攪拌釜底部軸承處沉積有物料，且物料已呈現(xiàn)熱熔狀態(tài)。而在底軸承球頭與球窩帽相配合處，球窩帽和球頭被磨損得所剩無幾。

受罐內(nèi)作業(yè)空間限制，罐內(nèi)熔融態(tài)物料的清理非常困難，作業(yè)危險系數(shù)高。盡管不斷調(diào)整了工藝參數(shù)，但積料及熱熔態(tài)物料的問題仍然多次出現(xiàn)，造成多次進(jìn)、出料過程中斷。

2 攪拌釜故障原因分析

針對聚合物粘壁問題，一般都從聚合工藝過程及其設(shè)備的換熱能力進(jìn)行剖析，給出了諸多原因，如低聚物(低分子蠟)含量增加[7]、聚合漿液濃度太高[9]、聚合釜內(nèi)乙烯濃度高[10]、聚合釜中漿液濃度不合理、主催化劑配置濃度指標(biāo)過高[11]、局部聚合加劇使聚合釜內(nèi)的漿液溫度升高，致使聚乙烯熔融結(jié)塊等[10-11]。文中則從設(shè)備結(jié)構(gòu)與裝置工藝狀況的匹配性出發(fā)進(jìn)行分析。

2.1 結(jié)構(gòu)與工藝匹配性問題

該攪拌釜系由螺帶和螺桿組合攪拌[12-14]，而且二者的旋旋方向相反。在軸旋轉(zhuǎn)時，形成的軸向推力完全相反，從理論上講會形成反應(yīng)釜內(nèi)軸向的上下循環(huán)，強(qiáng)化介質(zhì)內(nèi)外圍的循環(huán)，物料應(yīng)該會攪拌得更均質(zhì)化。螺帶螺桿組合槳同時具有螺桿和螺帶的特性，尤其適用于高黏度流體的混合攪拌[6]。而該分離干燥攪拌釜內(nèi)介質(zhì)為氣-液-固三相，推斷螺帶和螺桿的組合攪拌結(jié)構(gòu)并不一定適合該攪拌釜工況。因為在軸旋轉(zhuǎn)時，螺帶和螺桿形成的是完全相反的軸向推力，液體狀物料可能會攪拌得更加均勻，而粉狀物料在未干燥狀態(tài)下已經(jīng)呈塊狀，極易被兩相反的軸向力擠壓，并在不斷旋轉(zhuǎn)中持續(xù)被強(qiáng)化，致使物料被壓實積聚，熱量也不能及時散出，最終導(dǎo)致出現(xiàn)各種問題[15]。

在此推論下，模擬該攪拌釜進(jìn)行實驗，采用固態(tài)可見、彈性小且易分析的細(xì)沙作為實驗介質(zhì)。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，攪拌轉(zhuǎn)動時，細(xì)沙在旋向相反的螺帶和螺桿作用下不斷旋轉(zhuǎn)，沙粒之間結(jié)合得更加緊密，直至攪拌因受沙粒之間的作用力而停止。由此證明，粉狀物料正是在完全相反的軸向推力的作用下，相互之間不斷積聚、擠壓、壓實甚至熱熔[16-20]。

2.2 攪拌器底部支撐問題

分離干燥攪拌釜的底軸承組件見圖1。

1.底軸承球窩帽 2.軸向可調(diào)球頭 3.支腿 4.可調(diào)球頭座盤圖1 改造前分離干燥攪拌釜底軸承組件示圖

正常狀態(tài)下，底軸承球窩帽與球頭間隙基本保持在1 mm，不會卡死，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)。但在實際運行過程中，卻發(fā)現(xiàn)球窩帽與球頭均被磨損的情況。

針對此現(xiàn)象，分析認(rèn)為產(chǎn)生的原因可能有，①攪拌軸在不穩(wěn)定運行狀態(tài)下會出現(xiàn)擺動，導(dǎo)致球窩帽與球頭之間的間隙發(fā)生變化，嚴(yán)重時二者相互磨損。②球窩帽與球頭的材質(zhì)相同，相互碰撞磨損使二者同時受損，導(dǎo)致攪拌軸的轉(zhuǎn)動更加不穩(wěn)定。二者的磨損加劇導(dǎo)致球窩帽與球頭均需進(jìn)行更換，增加了檢修、維修工作量，降低了設(shè)備的完好率和利用率，不利于裝置的連續(xù)生產(chǎn)。而一旦摩擦生熱導(dǎo)致溫度過高，就容易出現(xiàn)熱熔現(xiàn)象。③底軸承組件是三角形支撐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)雖然穩(wěn)定，卻容易積料直至出現(xiàn)粘連現(xiàn)象。

3 攪拌釜故障解決方案

3.1 攪拌軸

在現(xiàn)有攪拌軸基礎(chǔ)上，拆除原螺桿攪拌器，只保留螺帶攪拌器。為防止攪拌能力下降，同時新增了攪拌器A和攪拌器B，槳葉材質(zhì)為304。在螺帶邊緣增加聚四氟乙烯材質(zhì)的刮板，該刮板與螺帶通過螺栓連接，如有損壞可拆卸更換。刮板在運轉(zhuǎn)過程中將罐壁附著的物料及時刮除，避免積料。改造后分離干燥攪拌釜結(jié)構(gòu)見圖2。

1.攪拌翅 2.軸承座 3.實心軸 4.攪拌軸 5.連接螺栓 6.壓板 7.聚四氟乙烯刮板 8.螺帶體圖2 改造后分離干燥攪拌釜結(jié)構(gòu)示圖

3.2 底軸承組件

重新制作底軸承座，將原底軸承3個向下的支腿改為水平安裝。同時延長底部支撐軸，并在軸上焊接攪拌翅，疏松堆積在錐底的物料，使物料的輸送變得流暢。

對于底軸承球窩帽和球頭二者的磨損問題，可以更換底軸承球窩帽或球頭的材質(zhì)，使二者材質(zhì)一硬一軟，防止同時損壞。也可以將底軸承球窩帽從攪拌軸底部取出，加工1根實心軸安裝到球窩帽位置處。綜合考慮，由于已經(jīng)新增2層攪拌器A、攪拌器B，為了減少檢修頻率，選擇加工實心軸方案(圖2)，這樣在攪拌部件運轉(zhuǎn)時，底部軸承處攪拌翅的存在能有效避免因積料導(dǎo)致的物料熱熔和搭橋現(xiàn)象，改造之后的攪拌軸底部結(jié)構(gòu)能從根本上避免底軸承球窩帽和球頭的磨損問題。而螺帶上新增加的聚四氟乙烯刮板能及時清理粘在罐壁的物料，從而實現(xiàn)出料過程的可持續(xù)性。

4 結(jié)語

對分離干燥攪拌釜存在的底部軸承處積料、物料熱熔、物料黏壁、底軸承損壞及底部物料排出口易出現(xiàn)搭橋等問題進(jìn)行了分析，認(rèn)為螺帶和螺桿組合攪拌對于固相物料的實用性不好，容易加劇熱物料的黏結(jié)和熱熔。要綜合考慮底軸承的設(shè)計及應(yīng)用，盡量降低檢修頻率。

按文中措施對分離干燥攪拌釜進(jìn)行了改造，安裝調(diào)試后攪拌釜試運行狀況良好，實驗過程也比較順利，實現(xiàn)了持續(xù)出料，原來存在的各種問題得到了根本性解決，但實驗裝置中設(shè)備與工藝的匹配性還需不斷驗證。

參考文獻(xiàn)：

[1] 魏新利，李慧，張軍．計算流體動力學(xué)(CFD)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用[J]．化工時刊，2006，20(2)：63-66．

WEI X L，LI H，ZHANG J. Applications of computational fluid dynamics in chemical engineering field[J]．Chemical industry times，2006，20(2)：63-66．

[2] 周國忠，施力田，王英?。?dāng)嚢璺磻?yīng)器內(nèi)計算流體力學(xué)模擬技術(shù)進(jìn)展[J]．化學(xué)工程，2004，32(3)：28-31．

ZHOU G Z，SHI L T，WANG Y C. Computational fluid dynamics progress in stirred tank reactors[J].Chemical engineering，2004，32(3)：28-31．

[3] 倪邦慶.不同s/d下的雙螺帶攪拌釜內(nèi)部流場的可視化研究[J].化學(xué)工程與裝備，2009(3)：27-29.

NI B Q. Visualization research on internal flow field in the twin-screw mixing kettle under differents/d[J].Chemical engineering & equipment，2009(3)：27-29.

[4] Delaplace G，Torrez C，Leuliet J C，et al. Experimental and CFD simulation of heat transfer to highly viscous fluids in an agitated vessel equipped with anon standard helical ribbon impeller[J].Trans IChemE，2001，79(Part A)：927-937.

[5] Chhabra R P. Fluid mechanics and heat transfer with non Newtonian liquids in mechanically agitated vessels[J].Advances in heat transfer，2003，37：77-178.

[6] Paul E L，Atiemo-Obeng V A，Kresta S M. Handbook of industrial mixing[M]. New York：Wiley，2004.

[7] 劉柏平，任曉紅，陳紀(jì)中，等.遼化HDPE裝置漿液外循環(huán)技術(shù)改造后釜內(nèi)的聚合過程分析[J]．合成樹脂及塑料，1998，15(3)：14-18，50.

LIU B P，REN X H，CHEN J Z，et al. Polymerization process analysis of kettle in Liaohua HDPE device after slurry circulation technical renovation[J]. China synthetic resin and plastics，1998，15(3)：14-18，50.

[8] 姜明，張元禮，高曉玉，等.Hoechst淤漿法高密度聚乙烯催化劑的開發(fā)及工業(yè)應(yīng)用[J].石化技術(shù)與應(yīng)用，2007(4)：327-331.

JIANG M，ZHANG Y L，GAO X Y，et al. Development and industrial application of high density polyethylene catalyst for Hoechst slurry polymerization[J]. Petrochemical technology & application， 2007(4)：327-331.

[9] 童本進(jìn)，陳明華，丁素琴．揚子石化公司淤漿法HDPE生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)及國產(chǎn)化[J]．合成樹脂及塑料，1997，14(1)：29-31.

TONG B J，CHEN M H，DING S Q. Improvements and domestically developed industrial technologies for slurry polymerization process in Yangzi petrochemical corporation’s HDPE plant[J].China synthetic resin and plastics，1997，14(1)：29-31.

[10] 苑士波.大慶HDPE裝置聚合釜結(jié)塊原因及預(yù)防措施[J]．黑龍江石油化工，1995(3)：1-2.

YUAN S B. Reason and preventive measures of the polymerization kettle agglomerate of HDPE device in Daqing[J].Refining and chemical industry，1995(3)：1-2.

[11] 張?zhí)飮芎凸猓嗷镜蛪壕垡蚁┭b置運行分析及改造建議[J]．合成樹脂及塑料，1997，14(2)：33-35.

ZHANG T G，ZHOU H G. The operational analysis and suggestion for innovation of the HDPE plant in Yanshan petrochemical corporation[J]. China synthetic resin and plastics，1997，14(2)：33-35.

[12] 張靖，陳兵奎，李朝陽.螺帶-螺桿式攪拌器三維流場數(shù)值模擬[J].化工進(jìn)展，2011，30(8)：1693-1697，1840.

ZHANG J，CHEN B K，LI Z Y. Numerical simulation of three-dimensional flow field of spiral ribbon-screw impeller[J].Chemical industry and engineering progress，2011，30(8)：1693-1697，1840.

[13] 黃娟，朱孔春.螺帶-螺桿攪拌槽內(nèi)流動與剪切特性的數(shù)值模擬[J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016(3)：262-267.

HUANG J，ZHU K C.Numerical simulation of flow and shear characteristics in helical ribbon-screw impeller stirred tanks[J]. Journal of Shanghai institute of technology(natural science)，2016(3)：262-267.

[14] 張敏革，張呂鴻，姜斌，等.雙螺帶-螺桿攪拌槳在不同流體中的攪拌流場特性[J].天津大學(xué)學(xué)報，2009(10)：884-890.

ZHANG M G，ZHANG L H，JIANG B，et al. Performance of flow field in different fluids stirred with double helical ribbon and screw impeller[J]. Journal of Tianjin university，2009(10)：884-890.

[15] 于敏晶.聚合釜螺帶式攪拌器改造[J].化工機(jī)械，2010，37(2)：236-248.

YU M J. Retrofit of the helix agitators of polymerization kettles[J]. Chemical engineering & machinery，2010，37(2)：236-248.

[16] 張平亮.螺帶式攪拌器傳熱性能參數(shù)的研究[J].化工設(shè)備與管道，2008，45(5)：29-31.

ZHANG P L. Study of heat transfer properties of helical ribbon impeller[J]. Process equipment & piping，2008，45(5)：29-31.

[17] 王嘉駿，馮連芳，顧雪萍，等.內(nèi)外單螺帶式攪拌器的Metzner常數(shù)[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報，1999，13(5)：442-446.

WANG J J，F(xiàn)ENG L F，GU X P，et al. Study of Metzner constant of inner-outer helical ribbon impellers[J].Journal of chemical engineering of Chinese universities，1999，13(5)：442-446.

[18] 金大祥，吳英樺，鄒介棠.螺帶式攪拌器在假塑液中的傳熱特性研究[J].石油化工設(shè)備，2000，29(2)：7-9.

JIN D X，WU Y H，ZOU J T. Studies on heat transfer to pseudoplastic fluid in an agitated tank with helical ribbon impeller[J]. Petro-chemical equipment，2000，29(2)：7-9.

[19] 任超，王學(xué)生.混合式攪拌器在結(jié)晶罐中的應(yīng)用及數(shù)值分析[J].化工裝備技術(shù)，2012(1)：1-5.

REN C，WANG X S. Application and numerical analysis of combined agitator in crystallizer[J].Chemical equipment technology，2012(1)：1-5.

[20] 何燕青，張龍平，張建，等.螺帶槳攪拌在木質(zhì)纖維素稀酸預(yù)處理反應(yīng)器中的應(yīng)用[J].生物加工過程，2014(1)：8-12.

HE Y Q，ZHANG L P，ZHANG J，et al. Application of helical ribbon stirrer in the reactor for dilute acid pretreatment of lignocellulose[J]. Chinese journal of bioprocess engineering，2014(1)：8-12.