分离干燥搅拌釜存在问题及解决方案

(辽阳石化分公司研究院， 辽宁 辽阳 111003)

搅拌反应器是一种在化工、冶金等工业领域中常见的反应器[1-3]，搅拌釜是化工生产过程中反应釜或分离罐的主要核心部件，搅拌设备的选择直接决定反应产率或产品质量[4]。螺带式搅拌桨直径大，搅拌时能不断地将粘于釜壁的沉积物刮下来，强化了近罐壁液体的上下循环，适用于高黏度流体的混合[5-6]。螺带螺杆组合桨同时具有螺杆和螺带的特性，由于螺带和螺杆的旋转方向相反，液体沿着螺旋面上升或下降的方向相反，因此形成反应釜内轴向的上下循环，强化了液体内外围的循环[4]。搅拌器的功能是通过提供过程所需要的能量和适宜的流动状态以完成搅拌过程[7]，搅拌釜一旦出现问题，将直接影响反应或者出料过程，影响装置长周期安全平稳运行。

某装置分离干燥罐搅拌釜工作介质主要是己烷、催化剂和三乙基铝，介质易燃、易爆，密度约为640 kg/m3。该搅拌釜外带夹套，全体积10.4 m3，传热面积17.8 m2，工作温度37～85 ℃，工作压力-0.08～0.2 kPa。搅拌釜中的搅拌桨为螺带螺杆组合桨，生产过程中多次出现进、出料过程中断的故障，造成非计划停车，降低了设备的利用率和完好率。笔者从搅拌釜结构与装置工艺状况的匹配性出发，对搅拌釜故障原因进行了分析，并提出了相应的解决措施。

1 搅拌釜故障情况

打开分离干燥罐上盖后发现，罐内壁黏附有大量近乎熔融态的物料[8]，罐底出料口出现严重粘连现象，搅拌釜底部轴承处沉积有物料，且物料已呈现热熔状态。而在底轴承球头与球窝帽相配合处，球窝帽和球头被磨损得所剩无几。

受罐内作业空间限制，罐内熔融态物料的清理非常困难，作业危险系数高。尽管不断调整了工艺参数，但积料及热熔态物料的问题仍然多次出现，造成多次进、出料过程中断。

2 搅拌釜故障原因分析

针对聚合物粘壁问题，一般都从聚合工艺过程及其设备的换热能力进行剖析，给出了诸多原因，如低聚物(低分子蜡)含量增加[7]、聚合浆液浓度太高[9]、聚合釜内乙烯浓度高[10]、聚合釜中浆液浓度不合理、主催化剂配置浓度指标过高[11]、局部聚合加剧使聚合釜内的浆液温度升高，致使聚乙烯熔融结块等[10-11]。文中则从设备结构与装置工艺状况的匹配性出发进行分析。

2.1 结构与工艺匹配性问题

该搅拌釜系由螺带和螺杆组合搅拌[12-14]，而且二者的旋旋方向相反。在轴旋转时，形成的轴向推力完全相反，从理论上讲会形成反应釜内轴向的上下循环，强化介质内外围的循环，物料应该会搅拌得更均质化。螺带螺杆组合桨同时具有螺杆和螺带的特性，尤其适用于高黏度流体的混合搅拌[6]。而该分离干燥搅拌釜内介质为气-液-固三相，推断螺带和螺杆的组合搅拌结构并不一定适合该搅拌釜工况。因为在轴旋转时，螺带和螺杆形成的是完全相反的轴向推力，液体状物料可能会搅拌得更加均匀，而粉状物料在未干燥状态下已经呈块状，极易被两相反的轴向力挤压，并在不断旋转中持续被强化，致使物料被压实积聚，热量也不能及时散出，最终导致出现各种问题[15]。

在此推论下，模拟该搅拌釜进行实验，采用固态可见、弹性小且易分析的细沙作为实验介质。实验过程中发现，搅拌转动时，细沙在旋向相反的螺带和螺杆作用下不断旋转，沙粒之间结合得更加紧密，直至搅拌因受沙粒之间的作用力而停止。由此证明，粉状物料正是在完全相反的轴向推力的作用下，相互之间不断积聚、挤压、压实甚至热熔[16-20]。

2.2 搅拌器底部支撑问题

分离干燥搅拌釜的底轴承组件见图1。

1.底轴承球窝帽 2.轴向可调球头 3.支腿 4.可调球头座盘图1 改造前分离干燥搅拌釜底轴承组件示图

正常状态下，底轴承球窝帽与球头间隙基本保持在1 mm，不会卡死，转动平稳。但在实际运行过程中，却发现球窝帽与球头均被磨损的情况。

针对此现象，分析认为产生的原因可能有，①搅拌轴在不稳定运行状态下会出现摆动，导致球窝帽与球头之间的间隙发生变化，严重时二者相互磨损。②球窝帽与球头的材质相同，相互碰撞磨损使二者同时受损，导致搅拌轴的转动更加不稳定。二者的磨损加剧导致球窝帽与球头均需进行更换，增加了检修、维修工作量，降低了设备的完好率和利用率，不利于装置的连续生产。而一旦摩擦生热导致温度过高，就容易出现热熔现象。③底轴承组件是三角形支撑结构，该结构虽然稳定，却容易积料直至出现粘连现象。

3 搅拌釜故障解决方案

3.1 搅拌轴

在现有搅拌轴基础上，拆除原螺杆搅拌器，只保留螺带搅拌器。为防止搅拌能力下降，同时新增了搅拌器A和搅拌器B，桨叶材质为304。在螺带边缘增加聚四氟乙烯材质的刮板，该刮板与螺带通过螺栓连接，如有损坏可拆卸更换。刮板在运转过程中将罐壁附着的物料及时刮除，避免积料。改造后分离干燥搅拌釜结构见图2。

1.搅拌翅 2.轴承座 3.实心轴 4.搅拌轴 5.连接螺栓 6.压板 7.聚四氟乙烯刮板 8.螺带体图2 改造后分离干燥搅拌釜结构示图

3.2 底轴承组件

重新制作底轴承座，将原底轴承3个向下的支腿改为水平安装。同时延长底部支撑轴，并在轴上焊接搅拌翅，疏松堆积在锥底的物料，使物料的输送变得流畅。

对于底轴承球窝帽和球头二者的磨损问题，可以更换底轴承球窝帽或球头的材质，使二者材质一硬一软，防止同时损坏。也可以将底轴承球窝帽从搅拌轴底部取出，加工1根实心轴安装到球窝帽位置处。综合考虑，由于已经新增2层搅拌器A、搅拌器B，为了减少检修频率，选择加工实心轴方案(图2)，这样在搅拌部件运转时，底部轴承处搅拌翅的存在能有效避免因积料导致的物料热熔和搭桥现象，改造之后的搅拌轴底部结构能从根本上避免底轴承球窝帽和球头的磨损问题。而螺带上新增加的聚四氟乙烯刮板能及时清理粘在罐壁的物料，从而实现出料过程的可持续性。

4 结语

对分离干燥搅拌釜存在的底部轴承处积料、物料热熔、物料黏壁、底轴承损坏及底部物料排出口易出现搭桥等问题进行了分析，认为螺带和螺杆组合搅拌对于固相物料的实用性不好，容易加剧热物料的黏结和热熔。要综合考虑底轴承的设计及应用，尽量降低检修频率。

按文中措施对分离干燥搅拌釜进行了改造，安装调试后搅拌釜试运行状况良好，实验过程也比较顺利，实现了持续出料，原来存在的各种问题得到了根本性解决，但实验装置中设备与工艺的匹配性还需不断验证。

参考文献：

[1] 魏新利，李慧，张军．计算流体动力学(CFD)在化工领域的应用[J]．化工时刊，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] 周国忠，施力田，王英琛．搅拌反应器内计算流体力学模拟技术进展[J]．化学工程，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] 倪邦庆.不同s/d下的双螺带搅拌釜内部流场的可视化研究[J].化学工程与装备，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] 刘柏平，任晓红，陈纪中，等.辽化HDPE装置浆液外循环技术改造后釜内的聚合过程分析[J]．合成树脂及塑料，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，张元礼，高晓玉，等.Hoechst淤浆法高密度聚乙烯催化剂的开发及工业应用[J].石化技术与应用，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] 童本进，陈明华，丁素琴．扬子石化公司淤浆法HDPE生产技术的改进及国产化[J]．合成树脂及塑料，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.大庆HDPE装置聚合釜结块原因及预防措施[J]．黑龙江石油化工，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] 张田国，周和光．燕化公司低压聚乙烯装置运行分析及改造建议[J]．合成树脂及塑料，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] 张靖，陈兵奎，李朝阳.螺带-螺杆式搅拌器三维流场数值模拟[J].化工进展，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] 黄娟，朱孔春.螺带-螺杆搅拌槽内流动与剪切特性的数值模拟[J].上海应用技术学院学报(自然科学版)，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] 张敏革，张吕鸿，姜斌，等.双螺带-螺杆搅拌桨在不同流体中的搅拌流场特性[J].天津大学学报，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.聚合釜螺带式搅拌器改造[J].化工机械，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] 张平亮.螺带式搅拌器传热性能参数的研究[J].化工设备与管道，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] 王嘉骏，冯连芳，顾雪萍，等.内外单螺带式搅拌器的Metzner常数[J].高校化学工程学报，1999，13(5)：442-446.

WANG J J，FENG 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，吴英桦，邹介棠.螺带式搅拌器在假塑液中的传热特性研究[J].石油化工设备，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，王学生.混合式搅拌器在结晶罐中的应用及数值分析[J].化工装备技术，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，张龙平，张建，等.螺带桨搅拌在木质纤维素稀酸预处理反应器中的应用[J].生物加工过程，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.