孟闐 白亮 孟明

1.北京畢派克項(xiàng)目有限公司；2.中國(guó)石化工程建設(shè)公司；3.北京化工大學(xué)

一條線一臺(tái)釜式法生產(chǎn)LDPE、EVA或POE 的反應(yīng)釜，目前有據(jù)可查的最大容積是3 m3，本文以世界最大容積的5 m3LDPE 或EVA 反應(yīng)釜為例，闡述破解的研究結(jié)果。

LDPE 或EVA 生產(chǎn)主要有釜式法和管式法，目前，管式法的生產(chǎn)能力已經(jīng)可以達(dá)到30 萬(wàn)t/a，說(shuō)明生產(chǎn)工藝已經(jīng)沒(méi)有問(wèn)題了，而生產(chǎn)專用牌號(hào)，高附加值產(chǎn)品的裝置則采用釜式法。由于不同工藝的特點(diǎn)，釜式法產(chǎn)品支鏈多、沖擊強(qiáng)度較好，適用于擠出涂層樹(shù)脂，這是管式法不能取代的。而采用大容積的聚合釜使單釜產(chǎn)量可以提高到30 萬(wàn)t/a，可明顯降低投資費(fèi)用，提高安全性和減少環(huán)境問(wèn)題。

釜式法生產(chǎn)LDPE或EVA是聚合工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，其生產(chǎn)條件為溫度200～300℃、壓力200～350 MPa，反應(yīng)釜的高徑比在9：1～18：1。由于釜式反應(yīng)釜屬于厚壁容器，通過(guò)反應(yīng)釜壁的熱傳遞受限制，故反應(yīng)基本為絕熱過(guò)程，沒(méi)有明顯的熱量從反應(yīng)釜內(nèi)移出，主要通過(guò)多點(diǎn)注入冷乙烯和引發(fā)劑的進(jìn)料來(lái)控制反應(yīng)溫度，平衡反應(yīng)熱。

由于壓力高，LDPE 或EVA 反應(yīng)釜的電動(dòng)機(jī)都是安裝在反應(yīng)釜內(nèi)驅(qū)動(dòng)攪拌器，使反應(yīng)釜內(nèi)混合均勻，避免局部熱點(diǎn)出現(xiàn)。引發(fā)劑均采用有機(jī)過(guò)氧化物，沿反應(yīng)釜徑向在不同位置多點(diǎn)注入，形成不同操作溫度的多個(gè)反應(yīng)段，反應(yīng)段間無(wú)返混，操作靈活，產(chǎn)品應(yīng)用范圍寬，可生產(chǎn)高含量的共聚產(chǎn)品。

1 對(duì)國(guó)外兩種反應(yīng)釜的分析

1.1 某種國(guó)外反應(yīng)釜主要參數(shù)

1）電動(dòng)機(jī)直徑Φ600 mm，反應(yīng)筒體內(nèi)直徑Φ508 mm，反應(yīng)段長(zhǎng)度9 344 mm，總高度10 163 mm。

2）采用四葉葉端寬的扇形斜槳葉和扇形槳葉組合，將槳葉按照傾斜角度的不同進(jìn)行成對(duì)的組合，改變軸向流動(dòng)的方向，延長(zhǎng)停留時(shí)間。槳葉直徑Φ440 mm，葉端線速度22.6 m/s。

3）攪拌器通過(guò)2 組中間軸承座將攪拌軸分為3 節(jié)，加上圓盤節(jié)流，將釜內(nèi)分成3 個(gè)反應(yīng)區(qū)域。

4）攪拌器上端與電動(dòng)機(jī)共用2 組角接觸軸承，承擔(dān)攪拌器和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的自重。

5）中間兩組軸承座和底部軸承座都選用N 型圓柱滾子軸承，外環(huán)沒(méi)有擋圈，以利于攪拌器軸向伸縮變形。

6）電動(dòng)機(jī)功率400 kW，直徑600 mm，攪拌器功率279 kW。

1.2 另一種國(guó)外反應(yīng)釜主要參數(shù)

1）電動(dòng)機(jī)處內(nèi)直徑Φ560/600 mm，反應(yīng)段內(nèi)直徑Φ600 mm。

2）反應(yīng)段長(zhǎng)度4 835 mm，筒體高度6 852 mm，總高度7 700 mm。

3）攪拌器軸徑230 mm，攪拌器功率320 kW，槳葉直徑Φ590 mm，葉端線速度30 m/s。

4）5 個(gè)圓盤單面六葉渦輪槳+24個(gè)單葉三角形槳+兩葉槳的組合。

5）渦輪槳將反應(yīng)區(qū)分為5 個(gè)區(qū)域，延長(zhǎng)停留時(shí)間。

6）無(wú)中間軸承座。

7）電動(dòng)機(jī)額定功率400 kW，電壓660 V，轉(zhuǎn)速970 r/min，工作電流320 A。

2 破解需要解決的難題

設(shè)計(jì)容積為5 m3的LDPE或EVA反應(yīng)釜的難點(diǎn)需要解決以下幾個(gè)難題：1）擴(kuò)大直徑后釜體鋼件的熔煉、鍛造與加工要與加工單位協(xié)商，確定是采用一節(jié)筒體還是采用兩節(jié)筒體；2）如何在筒體內(nèi)設(shè)置多個(gè)反應(yīng)區(qū)域和乙烯和引發(fā)劑注入點(diǎn)；3）選擇什么樣的攪拌器槳葉形式與結(jié)構(gòu)；4）如何解決攪拌器細(xì)長(zhǎng)軸的剛度問(wèn)題；5）如何降低攪拌器葉端的線速度等。

3 破解難題的思路

要破解LDPE 或EVA 反應(yīng)釜的放大這一世界難題，關(guān)鍵是要解決增加反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)區(qū)域、選用新型槳葉以及降低攪拌器的轉(zhuǎn)速、槳葉的線速度和功率和提高混合效果這些難題。

根據(jù)《攪拌與混合設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》[1]書(shū)介紹，渦輪槳葉最高的線速度10 m/s，螺帶式槳葉最高的線速度4 m/s。目前，1.5m3LDPE 或EVA 反應(yīng)釜攪拌器的葉端線速度都在23 m/s 以上，如果容積5 m3，攪拌器的葉端線速度可達(dá)43 m/s 左右，要將攪拌器葉端的轉(zhuǎn)速降低15 m/s 以下，匹配的電動(dòng)機(jī)功率就可以大幅度降低。筆者為此對(duì)一種5 m3LDPE或EVA反應(yīng)釜采用減速機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，并申請(qǐng)了發(fā)明專利，希望能將研究成果變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

4 以5 m3 反應(yīng)釜為例，說(shuō)明研究結(jié)果

4.1 筒體主要參數(shù)的確定

1）GB150.1—2011《壓力容器》[2]1 范圍中第1.2.1 條規(guī)定鋼制容器≤35 MPa。GB150.1—2011《壓力容器》4.4 表1 鋼材許用應(yīng)力的取值中，低合金鋼許用應(yīng)力取Rm/2.7，Rp0.2/1.5 較低值。按抗拉強(qiáng)度計(jì)算[σ]=1070/2.7=396 MPa，按屈服強(qiáng)度計(jì)算[σ]=960/1.5=640 MPa。埃克森美孚公司提供的LDPE 或EVA 反應(yīng)釜的許用應(yīng)力[σ]=290 MPa，安全系數(shù)=980/290=3.379，外徑/內(nèi)徑=1.75，按照許用應(yīng)力[σ]=290 MPa，外徑/內(nèi)徑比≥1.75 進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算不是問(wèn)題。

表1 3 種容積5m3 筒體直徑與主要參數(shù)的對(duì)比

2）根據(jù)GB/T34019—2017《超高壓容器》[2]5.1.5 條款，容器受壓元件應(yīng)采用鍛造或擠壓方法成型，鍛件應(yīng)當(dāng)保留有足夠的加工余量。鍛件鍛造比≥3，對(duì)于經(jīng)電渣重熔精煉的鋼錠，其鍛造比≥2。

3）目前國(guó)內(nèi)最大的電渣爐在上海重型機(jī)器廠有限公司，可以加工450T的電渣重熔高壓容器；中國(guó)二重有目前世界最大的8 萬(wàn)t 鍛壓機(jī)；武漢重型機(jī)床集團(tuán)成功打造出目前世界最大規(guī)格的超重型數(shù)控臥式機(jī)床——DL250型機(jī)床，該機(jī)床身長(zhǎng)50 多米，床重1 450 t，最大回轉(zhuǎn)直徑達(dá)5 m，加工精度為0.008 mm，約為頭發(fā)絲的1/10，且具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大國(guó)產(chǎn)化裝備。按鍛造比2 的要求加工5 m3以下的一節(jié)筒體是沒(méi)有問(wèn)題的。

4）LDPE 或EVA 反應(yīng)釜釜體、端蓋、卡箍緊固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可參考GB/T34019—2017《超高壓容器》。

因此，設(shè)計(jì)、制造5 m3LDPE 或EVA反應(yīng)釜的難點(diǎn)不在筒體，而在攪拌系統(tǒng)。

4.2 電動(dòng)機(jī)的選擇

國(guó)外1.5 m3反應(yīng)釜配用電動(dòng)機(jī)功率為400 kW，轉(zhuǎn)速980 r/min，攪拌器選用中心軸，根據(jù)反應(yīng)釜的高度選用2～3 節(jié)中心攪拌軸，用卡箍緊固結(jié)構(gòu)連接，中間設(shè)1～2 個(gè)軸承座，防止攪拌軸擺動(dòng)。在中心軸穿入多個(gè)槳葉，槳葉形式有三角形斜葉槳、四葉或六葉渦輪槳、扇形斜葉槳等多層槳葉組合成的攪拌器，槳葉/內(nèi)直徑=0.95 左右，這是為了防止物料粘壁。按照這個(gè)直徑比例，5 m3的反應(yīng)釜攪拌器還是需要選用980 r/min 的電動(dòng)機(jī)，攪拌器的線速度將達(dá)到41m/s 以上，攪拌器的功率將達(dá)到930 kW 以上，這樣高的線速度是不利于物料的混合的，要將這樣高功率的電動(dòng)機(jī)裝入直徑800～900 mm 筒體內(nèi)的難度很大。目前，可放入反應(yīng)釜內(nèi)的10～12 級(jí)的大功率的低速電動(dòng)機(jī)還很難選到。這就說(shuō)明，破解大容積的LDPE 或EVA 反應(yīng)釜不是難在設(shè)備筒體的設(shè)計(jì)，而是難在攪拌系統(tǒng)與電動(dòng)機(jī)的選擇。

4.3 三種容積5 m3 筒體直徑與主要參數(shù)的對(duì)比

按照前述條件以5 m3容積為例，分別計(jì)算出筒體內(nèi)直徑Φ800 mm、Φ850 mm、Φ900 mm，這3 組反應(yīng)釜的主要參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

從表中數(shù)據(jù)分析，如果取筒體內(nèi)直徑為800 mm，外徑/內(nèi)徑比1.80，筒體總高度12 101 mm，筒體重量99 603 kg，比內(nèi)直徑850 mm、900 mm 的重量可減少2.4 t、4.7 t，筒體高度要高出1 130 mm、1 130 mm、2 090 mm。這要看如何解決攪拌器的細(xì)長(zhǎng)軸的剛度、攪拌器中間是否要加軸承座、如何降低線速度、匹配電動(dòng)機(jī)功率以及如何將反應(yīng)釜分隔出多區(qū)域等問(wèn)題。

4.4 攪拌系統(tǒng)的選擇

攪拌系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，攪拌系統(tǒng)總成由等電動(dòng)機(jī)、行星齒輪減速機(jī)、四葉渦輪槳、中心無(wú)通軸、框式組合截面軸、中心開(kāi)孔式波輪槳葉、中心封閉式波輪槳、下壓式外螺帶、上托式內(nèi)螺帶、上托式外螺帶下壓式內(nèi)螺帶以及底軸承座零部件組成。圖中攪拌器下部的直箭頭表示乙烯和引發(fā)劑注入點(diǎn)，中部的彎箭頭表示物料走向，除了在攪拌器帶動(dòng)下物料環(huán)向流動(dòng)外，還按彎箭頭所指的方向流動(dòng)，以增強(qiáng)混合效果。

圖1 5 m3 反應(yīng)釜內(nèi)3 個(gè)不同直徑示例

圖2 攪拌系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4.4.1 行星齒輪減速機(jī)

在電動(dòng)機(jī)與攪拌器之間增加一臺(tái)行星齒輪減速機(jī)是降低攪拌器線速度的最好選擇。減速機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，行星齒輪減速機(jī)主要由輸入軸與太陽(yáng)齒輪、上壓蓋、行星齒輪、內(nèi)齒圈、行星盤與輸出軸、承擔(dān)軸向力的軸承以及下壓蓋等零部件組成，這些零部件可以找專業(yè)生產(chǎn)廠專制。

圖3 行星齒輪減速機(jī)

專為攪拌器配備的行星齒輪減速機(jī)，速比3～3.5，內(nèi)齒圈最外圈的是減速機(jī)與上端蓋用螺栓聯(lián)接固定的孔，輸出軸處選用角接觸球軸承和四瓣式深溝球軸承，以承擔(dān)攪拌器自重和螺帶產(chǎn)生的軸向力。減速機(jī)內(nèi)的齒輪和軸承的降溫與潤(rùn)滑，采用冷乙烯從頂部和邊部注入減速機(jī)內(nèi)。減速機(jī)殼體周邊留有乙烯向下流動(dòng)的通道。

4.4.2 攪拌器槳葉

1）減速后攪拌器如果采用實(shí)心軸的直徑要大于140 mm，而選用兩端四葉渦輪槳葉與4 根圓鋼組成的中心無(wú)通軸、框式組合截面軸，如圖4 所示。與實(shí)心軸的截面積基本相同，扭轉(zhuǎn)承載能力相當(dāng)于Φ260 mm 實(shí)心圓鋼軸，軸的剛度也大大提高，可以取消中間軸承座，相當(dāng)于框式攪拌器，適用于高粘度物料的混合，可提高混合效果，消除中心軸處的流動(dòng)死區(qū)，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。

圖4 中心無(wú)通軸組合截面框架軸結(jié)構(gòu)

2）渦輪與波輪槳葉結(jié)構(gòu)，如圖5所示。中心開(kāi)孔式波輪槳葉與中心封閉式波輪槳葉的依次排列組合，將反應(yīng)釜內(nèi)分隔出多個(gè)區(qū)域。

圖5 渦輪與波輪槳葉結(jié)構(gòu)

3）內(nèi)外螺帶式槳葉，如圖6 所示。下壓式外螺帶、上托式內(nèi)螺帶共設(shè)4 組，與上托式外螺帶、下壓式內(nèi)螺帶共設(shè)2組間隔排列，底端2 組都是下壓式外螺帶、上托式內(nèi)螺帶，上托式外螺帶、下壓式內(nèi)螺帶用于減緩液體的軸向流動(dòng)，加強(qiáng)反混效果，還可以平衡攪拌器產(chǎn)生的重力，減輕上部軸承的負(fù)荷。

圖6 內(nèi)外螺帶式槳葉

4）底軸承座固定在下端蓋上，軸承座選用大間隙的N 型圓柱滾子軸承，外環(huán)沒(méi)有擋圈，有利于攪拌器軸向伸縮變形。

5）上端蓋與電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)連接結(jié)構(gòu)，如圖7 所示。將電動(dòng)機(jī)安裝在上端蓋內(nèi)，釜體的外徑可以按電動(dòng)機(jī)的直徑計(jì)算出外徑，這樣可以減輕5 t 的質(zhì)量。將電動(dòng)機(jī)安裝在上端蓋內(nèi)，釜體的高度按電動(dòng)機(jī)的高度可減短2.1 m。可以將減速機(jī)固定在上端蓋上。減速機(jī)輸出軸與攪拌器之間連接，最上層的單向渦輪槳，既是聯(lián)軸器，又是槳葉，還是框架軸的固定端。

圖7 上端蓋內(nèi)電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)組合

5 結(jié)語(yǔ)

目前實(shí)現(xiàn)5 m3超高壓反應(yīng)釜國(guó)產(chǎn)化完全沒(méi)有問(wèn)題，可從這些方面著手實(shí)現(xiàn)：1）可以提高EVA、LDPE 釜式法單線、單釜的生產(chǎn)能力；2）可以選用直徑600 mm，功率400 kW、電壓660 V、轉(zhuǎn)速980r/min 的電動(dòng)機(jī)；3）將電動(dòng)機(jī)固定在上端蓋的筒體內(nèi)可以縮短筒體高度；4）在反應(yīng)釜內(nèi)電動(dòng)機(jī)與攪拌器之間增加一臺(tái)行星齒輪減速機(jī)，可以降低攪拌器的轉(zhuǎn)速、槳葉的線速度和軸功率，有利于混合與反應(yīng)；5）選用多個(gè)波輪式與螺帶式槳葉的組合，可以將反應(yīng)釜分隔出多個(gè)區(qū)域，延長(zhǎng)物料在反應(yīng)釜內(nèi)的停留時(shí)間；6）選用中心無(wú)通軸、框式組合截面軸，比實(shí)心軸的截面積減少30%；7）選用框架式、中心無(wú)通軸的組合截面軸，可以提高軸的剛度，取消中間軸承座，減輕攪拌器的重量，增強(qiáng)了混合效果，消除了中心軸處的流動(dòng)死區(qū)，有利于提高收率和產(chǎn)品質(zhì)量。