HDPE聚合釜结块与堵溢流管的原因分析与解决方案
摘要：本文分析了HDPE聚合釜在生产中，多次出现的结块和因为结块使溢流管堵塞的原因，是六叶涡轮搅拌器选用的不合理，催化剂进釜不能被搅拌器桨叶打散造成的结块和溢流管堵塞。结合现有的设备情况提出了两个简单的解决办法，和一个采用中心无通轴、内外双螺带式搅拌器的设计新思路，可以解决釜内结块和堵溢流管的问题，供相关技术人员和设计人员参考。
关键词：HDPE聚合釜；溢流管；六叶涡轮搅拌器；中心无通轴螺带式搅拌器。
正文：目前国内引进国外的HDPE淤浆法生产技术，其中的聚合釜多采用三层六叶涡轮式搅拌器，或多层桨式搅拌器，涡轮式搅拌器圆盘下部是流动死区，容易产生结块；正己烷相对密度0.66g/cm³，HDPE的密度是0.941-0.965g/cm³，由于密度不同HDPE会在釜中下沉，采用轴向流的桨叶，不利于密度大的物料上浮。日本三井石化HDPE釜式法工艺流程为：乙烯、丙烯、氢气，先与循环气混合，通过4根气体注入管和4根指形挡板管进入聚合釜的底部，己烷与催化剂溶液从釜体侧的下部管口连续进入反应釜，三层六叶涡轮搅拌器将其充分分散，在己烷溶剂中进行聚合反应，生成具有规定浓度的浆液，采用氢气与原料气进釜后直接通入釜底，起到提升聚合物的作用。但是，还会出现反应釜底部结块情况，尤其是下层搅拌器的下面是主要结块位置，影响正常生产。
乙烯聚合是强烈的放热反应，80%的热量由己烷蒸发潜热带走，其余约20%热量通过聚合釜夹套的冷却水带走。
在正常生产中，聚合釜的出料完全是靠溢流来进行的，所以不需要控制液位，但是在正常生产中应特别注意聚合釜液位变化，防止因溢流管堵塞造成聚合釜液位升高，如有这类事故只能立即停车处理。
反应釜的结构如图1所示：
图1 日本三井石化技术的HDPE聚合釜设备图【1】
图中：1）电机减速机、2）机械密封、螺旋挡板夹套，3）氢气进气管、4）釜体、5）搅拌轴、6）六叶涡轮搅拌器、7）乙烷和催化剂混合进口、8）稳定环、9）冷却水入口、10）浆液出口、11）溢流口、12）冷却水出口、13）带指形挡板的乙烯进气管、14）气体出口。
图中红色箭头表示釜内反应物流动方向。
在排除工艺、原材料、控制参数的影响因素后，只分析聚合釜设备方面产生结块原因主要由：
1、从图中可以看到，六叶涡轮搅拌器将反应物的流动方向从搅拌器圆盘处分开，六叶涡轮搅拌器圆盘上部液体向釜壁处流动，到釜壁处向上流动，再返回到中心轴处。六叶涡轮搅拌器圆盘下部，液体向釜壁处流动，到釜壁处向上流动，再返回到中心轴处。这样下层搅拌器圆盘的下部形成了流动死区，长时间的累积，是产生结块的原因之一。
2、在两层搅拌器之间的釜壁处，桨叶推动物料流动到釜壁处分开流动，此处又形成了流动死区，反应物容易粘结在釜壁上，越积越厚，是产生结块的原因之二。
3、催化剂进入釜内与搅拌器叶端距离较远，桨叶不能将其打散，会因局部的反应热使其结块，是产生结块的原因之三。
解决结块的办法有：
简单解决办法一：将六叶涡轮式搅拌器采用圆盘上开孔，让圆盘上下流通。其结构见图2：
图2圆盘上开孔的六叶涡轮式搅拌器
简单解决办法二：将乙烷和催化剂混合进口管采用SK型静态混合器，并直径插入到下层搅拌器桨叶处，使催化剂与溶剂在静态混合器内充分混合后再进入到釜内，并由搅拌器将其打散，防止局部过热。
解决办法三：选用中心无通轴内外双螺带式搅拌器结构，螺带与釜壁的间隙比较小，挂在釜壁上的垢物可以清理下来，有利于釜壁的热量交换；外螺带可以将反应物从釜底向上托起，内螺带又将反应物向下压，在釜内形成竖向环流，多次更换顶部液表面；雷诺数设定在大于2000，釜内呈湍流状态，加大了液面的表面积，有利于溶剂的蒸发，可以减少氢气的输入量，延长了反应停留时间；选用中心无通轴结构，釜内没有流动死区；轴轴功率可以降低一半，使釜内温度均衡，避免局部的高温使物料粘度提高，解决出现缠绕、粘结、变软或结块等问题，影响产品质量问题。是彻底的解决办法。其结构见图3、图4、图5：
图3 新结构的HDPE聚合釜
图中：1）电机减速机、2）机械密封、3）上轴、4）中心无通轴内外双螺带搅拌器、5）釜体、6）变直径螺带式桨叶、7）刮刀。
A-A剖面 内外双螺带桨叶与方管组成的框架轴
B-B剖面 变直径螺带、刮刀与框架组合
设计新思路的不同之处：
1.选择直筒体高度/筒体直径比=2，比直筒体高度/筒体直径比=1的设计，可以增加一倍的夹套的撤热面积和冷却水带走的热量。
2.选用中心无通轴内外双螺带式搅拌器【1】，实现混合的高度均质，轴功率可以降低一半，使釜内温度均衡，避免局部的高温使物料粘度提高，出现缠绕、粘结、变软或结块等问题，影响产品质量。
3.由于采用的螺带式搅拌器，桨叶与釜壁距离很近，特别适用于乙烯和共聚单体与催化剂一接触，就会形成聚乙烯颗粒的迅速分散。
4.选用内外双螺带式桨叶可以将下沉的物料向上托起，釜内物料多次上下循环，延长停留时间，让溶剂多挥发一些带走热量。
5.新型搅拌器可以实现混合的高度均质，能满足生产高性能HDPE管材、薄膜、中空吹塑、注塑的产品要求。
6.新型搅拌器可以将聚合釜的控制温度波动在±0.5℃，在反应过程中，不会因为温度的影响使熔融指数和聚合率变慢，或提升温度会加快聚合速度的问题。
7.由于搅拌器的框架轴采用的钢管制作，如果需要，也可以在框架轴的底部向框架管内通气，在框架管上钻孔，让气体或液体在旋转中从孔中喷出，使其分布均匀，减少通气量。
8.夹套采用圆隔环将夹套分为4个区域，冷却水并联进入，并联出，带走更多的热量。
结论：
1.采用简单解决办法可以解决聚合釜结块和溢流管堵塞问题，延长聚合釜运转周期。
2.HDPE聚合釜选用中心无通轴、内外双螺带式搅拌器是一个创新设计，不仅可以解决HDPE聚合釜的生产中的问题，提高产品质量，降低能耗，延长设备运转周期，还可以适用于其他高难度物料的反应与混合。
3. 好的生产工艺必须有好的设备做支撑，才能生产出高质量的好产品，和长周期的运转。
4. 只有不断的创新才能提高企业的竞争能力，生产出高质量的产品。
参考文献：
【1】日本三井石化技术的HDPE聚合釜设备图，内部资料
【2】《石化技术》第一期《顺丁橡胶聚合首釜应用中心无通轴、螺带式搅拌器》作者：孟明
作者简介:
第一作者：孟明
1970年至2014年就职于北京燕山石化合成橡胶厂，历任工人、车间主任、副厂长；主管设备检维修及新搅拌器的设计与改造。2009年后受聘北京化工大学客座教授。
主要研究高粘度物料混合的搅拌器。擅长用新技术解决生产中出现的设备问题，延长设备运转周期，提高产品产量和质量。设计应用于生产的设备有：《40m3顺丁橡胶聚合搅拌器》、《55m3卧式混合釜》，《破解5m3高压聚乙烯反应釜世界难题的研究》，在主要期刊上发表文章《高效轴向流动式聚合反应釜的结构设计》《石化技术》第三期等6篇以上，有发明专利10项。
