RD缩聚反应釜的结构设计

! !""#$! %&缩聚反应釜的结构设计 曹晓玲 !中石化南京化工厂南京凯特化工工程设计院" 江苏 南京 !"##$%# 缩聚反应釜是 !" 生产的关键 设备! 随着市场对高性能防老剂 需求的增长" 某化工厂 !" 的生 产规模也在不断扩大" 由 #$ 世纪 %$ 年代初的年产量 &$$$ ’# ($ 年 代初的年产量 &)$$ ’* 扩大到目前 的年产量 +$$$ ’* 缩聚反应釜的容 积也由 ,-,# .-,放大到 &$-,! 在 反应釜的工业化放大过程中*改变 了以往设计中存在的缺陷* 对结构 进行了优化设计 * 强化了气液传 质效果 * 每釜物料的反应台时由 原来的 &.!&) /* 缩短到&$!&# /! ’ 主要技术特性及结构 参数 &$-, 缩聚反应釜 0如图 & 所 示$ 的技术特性见表 &! 项目 设备内 内盘管内 半圆夹套内 工作压力 1234 常压 $5% $5% 工作温度 1" &+$ &6) &6) 设计压力 1 234 常压 &5$ &5$ 设计温度 1" &($ &($ &($ 物料名称 苯胺* 盐酸* 丙酮* 甲苯 水蒸汽 水蒸汽 焊缝系数 $5%) 腐蚀裕量 1 -- 设备外壁为 &* 内侧为 $ 全容积 1 -, &$5+ 电机功率 1 78 ## 搅拌转速 195:5- %)!&,+ 0变频调速; 表 ’ ’"()缩聚反应釜的技术特性 作者简介! 曹晓玲 !"&’"($" 女" 工程 师" 从事化工设备设计工作% ! 缩聚反应釜的选材及结 构设计 !$’ 筒体及构件的选材& 依据及 其焊缝结构 !$’$’ 筒体及内构件的选材 为了避免盐酸对碳钢的腐蚀" 图 & &$-,缩聚反应釜简图 &(%$ 年设计的 ,-,缩聚反应釜采 用的是碳钢搪瓷釜" < 型夹套加 热 *筒体直径 !&+$$--" 夹套直 径 !&6)$--" 夹套材质 =#,)>?" 换热面积 &.-#" 搅拌轴和搅拌器 均为碳钢搪瓷件" 平均使用寿命 # 年 " 设备维修 # 更换频繁 ! &(%( 年 反 应 釜 材 质 改 为 @?#1 &+2A! 钛复合钢板 " 容积 .-," 仍然采用 < 型夹套加热" 筒体直 径 !&+$$--* 夹套直径 !&6$$--* 夹 套 材 质 &+2A!" 换 热 面 积 &+-#" 搅拌轴和搅拌器材质为 $B9&%CD(@D! #$$# 年 !" 扩产 " 对缩聚反应釜进行了工业放大 " 在原有钛复合钢板使用经验的基 础上" 筒体材质改为 @?#1=#,)>? 钛复合钢板*容积 &$-," 筒体直径 !#$$$--" 取消了 < 型夹套*加热 方式改为内盘管加热*下封头改用 半圆管夹套加热" 换热面积 ,#-# 0下文将详述加热方式改变的原 因; * 内盘管材质为 @?#" 搅拌轴 和搅拌器材质为 $B9&%CD(! 最初 设计时" 搅拌轴和搅拌器曾考虑 使用钛材! 因为目前车间使用的 不锈钢制搅拌轴和搅拌器不耐 BE> 腐蚀" #!, 年就得更换! 搅拌轴 采用柔性轴技术设计" 可以获得 较小的轴径" 减少钛材使用量 " 降低设备造价! 此得到温州 市长城搅拌设备设计研究所的认 同! 经过讨论" 认为柔性轴技术 在该化工厂尚缺乏使用经验" 为 !"#$%&’&() * +,&-./01技术产品版 ’" !""#$! 了保证生产的稳定性和可靠性 ! 搅拌轴仍然采用刚性轴技术设计" 待生产稳定之后! 一台反应釜中 试用了钛材柔性轴!获得满意的经 验后! 再对所有的反应釜进行技 术改造" !$%$! 选用钛材的依据 钛是一种具有高度化学活性 的金属" 但是! 它对大多数腐蚀 介质都呈现出特别优异的耐腐蚀 性" 原因是钛和氧有很大的亲和 力" 钛暴露于大气或任何含氧介 质中时! 表面立即形成一层坚固 而致密的钝性氧化膜 #简称钝化 膜$% 这层薄膜十分稳定 !如果产 生机械损伤! 又会立即重新形成 "只要存在一定量的氧 #" 而且钛 对浓度低于 $%的盐酸耐蚀性极 强 "缩聚反应时 !持续通入的甲苯 蒸发并带走反应中生成的大部分 水! 从而降低反应液中电离 &’( 的含量! 使反应液中盐酸浓度始 终)$%#" 钛是一种价值昂贵的金属 ! 纯钛设备造价很高" 通过研究!了 解到目前国内钛复合钢板的制造 加工技术已经很成熟! 从选材的 经济合理性方面考虑! 决定使用 钛复合钢板" !$%$& 钛复合钢板& 衬钛接管的 焊接结构 钛的化学性能极为活泼! 随 着温度的升高 ! 就会急剧地和 氧& 氮& 氢等气体化合! 形成脆 性化合物 " 因此 !钛材的焊接必 须采取气体保护焊" 另外! 还要 严格避免钢 & 钛互熔的焊接结 构" 由于铁熔于钛焊缝中会形成 硬而脆的金属间化合物! 极大地 降低焊缝塑性 !除爆炸焊接和钎 焊外 ! 钛不能直接焊接在钢上 " 钛复合钢板的焊接接头见图 *! 衬钛接管与筒体& 法兰的焊接接 头见图 $" !$! 搅拌器的选型 +,缩聚反应釜是一种通气式 反应器" 原料中甲苯不参加反应! 它的主要作用是蒸发时带走反应中 的水! 破坏水的平衡! 使反应朝正 方向进行! 从而缩短反应台时" 缓 慢滴加的丙酮! 在盐酸作为催化剂 的情况下和苯胺缩聚反应生成 +," 甲苯的沸点为 --./0!! 甲苯和水 的共沸物沸点为 12/-!! 丙酮的沸 点为 30/3!" 液态甲苯和丙酮通入 反应釜迅速气化! 如果不能使气 化的甲苯和丙酮尽快地分散在液 体中!气体走短路逸出! 将会大大 地延长反应台时! 并加大原料的 消耗" 在 -41. 年和 -414 年设计 的反应釜中! 选用的搅拌器形式 分别为框式和折叶桨式! 每一锅 物料的反应台时在 -0 "-1 小时之 间" 通过! 认为这两种搅拌器 形式均不利于缩短反应台时" +, 在低温时! 粘度较高! 但是在 -2." -3.!的反应温度下 ! 粘度只有 $.56" -41.年设计时选择了框式搅 拌器! 可能是在缺乏粘度数据的情 况下! 出于框式搅拌器适合用于高 粘度液态混合反应的考虑" -414年 设计时改为双层折叶桨式搅拌器! 同样没有考虑到桨式搅拌器不适合 用于气体吸收过程" 这两种搅拌器 都不能使气化的甲苯和丙酮快速地 分散在液体中! 是造成反应台时在 -0"-1 7之间的原因之一" 根据有关资料! 对于通气式 搅拌反应器 ! 应该使用高转速 & 高剪切的搅拌器!使气体得到更好 的分散" *..* 年设计时选择了两 层不同的搅拌器! 上层为推进式 搅拌器! 下层为圆盘涡轮式搅拌 器" 甲苯和丙酮由进料管通入反 应釜底部! 下层圆盘涡轮式搅拌 器的桨叶将气化的甲苯和丙酮迅 速地切碎& 切细’ 上层推进式搅 拌器的桨叶压住气泡! 加强轴向 循环流动! 防止气体走短路! 同 时在反应釜内壁设置 2 块挡板!提 高桨叶的剪切性能! 在湍流状态 时消除反应釜中央的圆柱状回转 区!使气体分布更加均匀! 从而延 长甲苯和丙酮在反应液中的滞留 时间!强化气液传质" 通过研究部 门在车间所做的 28$ 反应釜中进 行的试验!改变丙酮和苯胺的投料 比后! 反应台时缩短到 -2"-3 7! 搅拌器的改型后! 反应台时进一 步缩短" !$& 加热方式的选择 !$&$% 内盘管加热 缩聚反应釜工业放大后! 需 图 ! 钛复合钢板的焊接接头 图 & 衬钛接管与筒体! 法兰的焊接接头 !"#$%&’&() * +,&-./01 技术产品版 %% ! !""#$! 要的加热面积也加大! 如果仍然 采用夹套加热的方式" 就必须增 大筒体的长径比" 才能保证所需 要的换热面积" 同时也使搅拌轴 加粗# 加长" 对搅拌系统的运行 不利! 参考了有关资料" 决定采 用内盘管加热 ! ! 组公称直径 !"##$$ 的盘管 %!&’(& 的钛管 绕制 ) 沿筒体四周均布" 保证换 热面积达到 "#$&! 内盘管加热强 化了传热效果" 紧密排列的盘管 也能起到部分挡板的作用" 增强 釜内液体的湍流状态! 在盘管加热面积满足工艺要 求的情况下" 取消了筒体部分的 夹套" 不仅降低了筒体的外压计 算壁厚 %使用夹套 * 筒体壁厚为 &&$$$ 取消夹套 * 筒体壁厚为 +,$$)" 同时也降低了容器的类 别 *使容器不归类 ! 如果使用夹 套" 夹套内的蒸汽压力 #-./01" 反应介质中存在高度毒性的苯胺" 按照压力容器划类" 容器类别将 上升为二类 " 既给设计 # 制造 # 检验增加了难度" 也提高了设备 的制造# 检验费用*又不利于设备 的日常运行管理 ! 综合考虑后 " 取消了夹套! !$%$! 半圆管夹套加热 23 的粘度随着温度的降低而 急剧地增大! 因此" 下封头部分 也必须保证一定的换热面积! 下 封头部分采用半圆管夹套加热*同 样是出于降低容器类别的考虑*使 容器不归类 ! 半圆管夹套是用 !’4("-’ 的钢管对剖" 螺旋盘绕 在封头上焊接制成*螺距小" 焊接 接头长" 增加了制造的难度! 通 过在制造厂家的了解" 认为在保 证焊接质量的前提下" 半圆管夹 套在工程上的应用是可行的! % 结论 根据工艺条件" 按照现行的 # 设计的这台 23 缩聚 反应釜投入生产以来" 运转正常" 尤其在耐腐蚀方面更显示出它的 优越性" 完全能够满足生产需要! 提下" 确定其壁厚! %$& 设计变量的分布参数 !!" 5&!##$$" !#5&-#/01" !"5 +-##" +,/62 材 料 #$ 5"!’/01" $% 5’+#/01" 按 式 % +,& 与 式 %+4& 可得 ’ %$$5"7# /01 与 !$%5 ’’,/01! %$! 许用应力 根据可靠度要求 " 可取 &$5 +-’# 及 &%5&-!#" 则屈服许用应力 由式 %+.& 可得 8$9 $5!$$:&$5"7#: +-’#5&,#/01$ 由式 %+7& 可得抗 拉许用 应力 8 $9 % 5!$%:&% 5’’,: &-!#5&"+-,/01! %$% 按不同失效准则初步计算壁厚 在屈服失效 准则下 *由式 % &#& 得 !&$ 5&!## !&-#:% "-7"7& ! &,#!+-#;&-#& 5!-4#$$ 在爆破失效 准则下 *由式 % &+& 得 !&% 5&!## !&-#:% "-7"7& ! &"+-,!+-#;&-#& 5’-&4$$ %$’ 确定壁厚 由以上分析及式 %&&& 可得 壁厚的均值 !&5!&%5’-&4$$" 故由 式 %&"& 可知其壁厚 "5 +-+&’!&5 ’-7"$$! 如果用常规" 则其壁厚 &’ 5& !&!##:% ! !+4# !+-# ;&-#& 5 4-#.$$ 本文计算值比此值减少约 +,