随着建筑业、汽车业、船舶业等行业的不断发展, 涂料行业也得以迅速发展。

在一大批新兴涂料企业崛起的同时, 不少名牌涂料企业为了扩大业务范围,
增加市场份额, 巩固自身的市场竞争力, 也在不断地引进新技术, 扩大生产规模。

反应釜是涂料行业树脂生产中的核心设备, 涂料生产规模的扩大与反应釜的放大设计密不可分, 其设计的好坏直接影响到产品的质量、产量、能耗等。

本文通过对“ 某公司10 000 t/a 氟涂料产业化工程” 树脂反应釜放大设计的阐述, 使大家对反应釜放大设计的主要原则和步骤有一定的了解。

反应釜放大设计的基本步骤如下:
确定规格及台数——确定传热方式——计算传热面积——确定搅拌器型式——计算搅拌功率
1 规格和台数的确定
反应釜放大设计中首先根据工厂现有反应釜规格为 1 . 5 m 3 , 考虑到放大风险性、设备投资等因素, 首先确定将反应釜的规格放大到 4 . 5 m 3 。

根据工艺控制指标, 聚合反应时间约为20 h, 加上辅助过程, 出一釜料的周期约为25 h 。

年工作时间按 6 000 h 计算, 则每台聚合反应釜全年生产批次为6 000 ÷ 25 =240 。

按装料系数0 . 8 、物料密度约为1 000 kg/ m 3 考虑, 一台釜全年处理量约为864 t (4 . 5 × 1 × 0 . 8 × 240 = 864) 。

根据扩大后的生产规模, 聚合釜年处理量为2982 t, 则所需台数为 2 982 ÷864 ≈ 3 . 45 。

因此本设计确定聚合釜的台数为4 台。

2 传热方式及传热面积的确定
按4 . 5 m 3 反应釜规格计算夹套最大换热面积约为10 m 2 。

初步估算, 根据现有 1 . 5 m 3 反应釜的规格, 其夹套换热面积约为 4 . 5 m 2 , 设备放大后, K 值、Δ t 基本不变, 热量约为原来的3 倍, 则所需夹套换热面积同样应为原来的 3 倍, 即 4 . 5 × 3 =13 . 5 m 2 。

由此可见, 反应釜放大到4 . 5 m 3 后, 仅靠夹套面积无法满足传热要求, 需设内盘管。

为方便冷、热水切换的自动控制, 设计中采用内盘管冷却、夹套加热的传热方式。

盘管换热面积核算如下: 根据厂方提供的数据及物料平衡图等, 计算出反应
热Q ≈ 3 . 27 × 10 5 kJ/ h 。

已知反应釜反应温度为70 ℃, 取循环冷却水上水、回水温度分别为30 ℃和35 ℃, 则: Δ t
=[ (70-30)-(70-35)]/1n[ (70-30)/(70 -35) ] ≈ 37 . 44 ℃根据公式Q = K ·F ·Δ t , 盘管冷却取经验值K ≈ 2 . 09 × 10 3 kJ/ (m 2 · h ·℃), 则:
F = Q/ ( K ·Δ t ) =3 . 27 × 10 5 / (2 . 09 × 10 3 × 37 . 44) ≈ 4 . 16 m
2 考虑20 % 的富裕量, 确定盘管换热面积为5 m 2 。

夹套换热面积核算如下: 按工艺要求, 设反应釜内物料在 1 . 5h 内由20 ℃
升温至70 ℃。

根据物料平衡图及各种物料的物性参数, 计算出升温所需热量Q ≈ 1 . 67 × 10 5 kJ/ h 。

取热水上水、回水温度分别为95 ℃和90 ℃; 夹套热水加热取K ≈ 628 . 02 kJ/ (m 2 · h ·℃), 则: Δ t
=[ (95-20)-(90-70)]/1n[ (95-20)/(90 -70) ] ≈ 41 . 6 ℃F = Q/ ( K ·Δ t ) =1 . 67 × 10 5 / (628 . 02 × 41 . 6) ≈ 6 . 4 m 2 考虑20 % 的富裕量, 夹套所需换热面积约为7 . 7 m 2 , 可见 4 . 5 m 3 反应釜夹套面积可满足加热的需要。

3 搅拌器型式及搅拌功率的确定
反应釜搅拌器常见的有推进式、桨式、涡轮式、框式或锚式、锣带式等, 不同的操作类别应选用不同的搅拌器型式, 详见表 1 。

表1 不同操作选用的不同搅拌器
工厂原有反应釜采用框式搅拌, 该类搅拌形式消耗功率较大, 通常用于
高黏度液体的搅拌。

根据该工程的工艺特点, 反应过程中存在气体分散和气体吸收的过程, 且物料黏度不大, 这类操作要求搅拌器的容积循环和剪切作用
都好。

因此设计中将反应釜的搅拌器型式改为圆盘弯叶涡轮式, 其搅拌功率N 的计算如表2 所示。

4 结语
根据以上阐述, 树脂生产中反应釜放大设计的关键主要在于反应釜规格数量的确定、传热方式和传热面积的确定以及搅拌器型式和搅拌功率的确定。

根据厂方反馈的情况, 以上放大设计的反应釜实际使用效果良好, 为今后同类型反应釜的设计积累了宝贵的经验。

表2 搅拌功率N 的计算。