二苯甲酮光化釜搅拌系统的改进研究

二苯甲酮光化釜搅拌系统的改进研究

周添,余超忠,赵文,黄广平

重庆长风化学工业有限公司 重庆市401221

摘要：由于二苯甲酮光化釜搅拌系统的搅拌混合效果不理想、搅拌器的耐用性不长和检维修频率过高一直困扰用户单位。本文通过借助计算机模拟和大量的生产试验实践，来探讨原料的消耗、搅拌器的型式、搅拌的转速、搅拌系统的振动、搅拌器材料的腐蚀速度、机封的使用寿命的安全、技术、经济的平衡点与研究。

关键词：光化釜 搅拌系统耐用性 耐磨耐腐

一、背景

二苯甲酮光化工艺为间隙性的，原料里主要有苯、光气、三氯化铝等。其中原料苯中自带少量水，三氯化铝为固体,极易与水或空气中的水蒸气等接触后生成水合物，造成三氯化铝的浪费。光气与水也容易反应，造成光气原料的浪费。这些都对光化工艺无益，需要尽量去克服，但又不能完全避免。

根据物料的性质、光化工艺的生产条件和技术安全经济性，二苯甲酮光化釜材质选用搪玻璃。原料的投加也主要受搪瓷的原因，只能先投加苯，然后投加三氯化铝，最后定量投加光气。投加的苯约占光化釜容积的50%，投加的三氯化铝约占光化釜容积的20%，然后再启动搅拌，最后缓慢通入光气，直到光化结束。

二、存在的问题

光化釜的搅拌系统主要存在搅拌混合效果不理想，机封的泄露严重，搅拌器、搅拌轴的耐用性不长和检维修频率过高等一直困扰用户单位。具体表现如下：

1. 光化釜的搅拌混合效果不理想，光气消耗偏高，原料成本一直降不下来。对搅拌混合效果、结构型式等提出了更高的要求。
2. 由于光化釜内存在光气、三氯化铝和水等，容易生产强腐蚀性的盐酸或盐酸气。还因为三氯化铝为固体，在搅拌器搅拌时与三氯化铝颗粒存在相对运动，搅拌器、搅拌轴在即要耐磨、又要耐腐的苛刻的工况下运行，对材料的选择也是很大的挑战，这一直也是世界性的难题。
3. 釜内含有苯等剧毒物，对机封的密封材料也有很高的要求。
4. 检维修频率高，并且在检维修准备阶段、过程中存在严重的安全、职业健康风险。主要是机封的损坏和搅拌器、搅拌轴的磨损腐蚀等。若机封损坏，每次需得2天的清洗和1天的检修更换时间。而搅拌器、搅拌轴的损坏，每次检维修需要2天的清洗，3天的机械检维修，1天的恢复时间。这些都大大降低了设备的使用效率。需要减少设备的检维修频率，提高了设备的服役效率、降到成本等是亟待解决的难题。

三、解决办法

二苯甲酮光化工艺是间隙性的，根据光化工艺的运行效率、安全性、操作便宜性和经济性等就决定了光化釜的大小尺寸，也就决定了搅拌系统的基本尺寸。并根据搪玻璃行业生产通用标准等，选用5m³光化釜较理想。光化釜的人孔内径约为450mm，搅拌器直径就不能大于500mm。光化釜的高度决定了搅拌轴的尺寸约为3400mm。

1. 由于搅拌是对固液的混合，要达到理想的搅拌混合效果和较少光气的消耗，其搅拌器的型式、尺寸和转速也基本确定。搅拌器的型式选择为推进式较为理想。并且采用上压下翻双层推进式搅拌器会有更好的混合效果。为减少原料光气、苯的消耗，搅拌的转速越快越好，但由于减速机、搅拌系统的稳定性和机封的耐用性等多方面的考虑，搅拌的转速定为250r/min较为合理。下层搅拌的位置和搅拌的层间距离可通过FLUNT等计算机模拟软件多次模拟调试，层间距由原来610mm改到800mm，搅拌效果得到了极大程度的优化。整个光化釜内的物料得到了更广泛的混合，效果提升了1.58%。还将光化釜的温度计插入管、物料进出口插入管等尺寸适当增大或扁平化作为搅拌系统的 “挡板”，使物料发生更多的紊流，从而提高了搅拌的混合效果。通过以上的设计改进，并在实际生产中得到了充分的证实，光气的消耗降低了20%左右。
2. 搅拌器和搅拌轴的材质选择，一直是二苯甲酮光化釜的痛点。

(1)最开始用灰铁HT200的搅拌器和45#钢的搅拌轴组合，使用寿命很短。搅拌器使用寿命90天左右，搅拌轴使用寿命230天左右。主要原因是物料中的HCL腐蚀和三氯化铝颗粒的冲蚀，导致失效。

(2)用搪玻璃搅拌器和搪玻璃搅拌轴组合，使用寿命极短。原因是搪玻璃容易遭到冲击破坏。而物料中的三氯化铝颗粒对搪瓷搅拌器有很强烈的冲击破坏作用。

(3)用衬氟的搅拌器和衬氟的搅拌轴组合，使用寿命也很短。原因是物料中的三氯化铝颗粒对衬氟搅拌器的冲刷破坏作用。

(4)用高硅铸铁的搅拌器和45#钢的搅拌轴组合，搅拌器在搅拌系统启动时就直接断裂。原因是固体三氯化铝比苯重，沉与釜底，并将下层搅拌器所淹没，在刚启动搅拌时，下层搅拌器受到很大的剪切力，搅拌器材料太脆。可以推断所有的陶瓷材料或者表面喷涂耐蚀材料也是不耐用的。

(5)用耐磨材料NM500的搅拌器和45#的搅拌轴组合，使用寿命较用HT200的搅拌器和45#钢的搅拌轴组合的有所提高，但不明显。

(6)用2507的搅拌器和2507的搅拌轴组合，搅拌器使用寿命180天左右，搅拌轴750天左右。使用寿命较原来的得到了明显提高。

3. 原料中含苯、光气等剧毒物，对搅拌的密封也提出了严格的要求。根据职业健康与卫生的要求，选用无泄露的磁力搅拌最为理想，但磁力搅拌的内磁钢的防腐性很难保证且经济性也不高。最终选择了双端面机械密封，并设置了平衡罐的Plan53方案和水冷套。解决了机封发热、物料泄露不能及时发现和处理的问题。其密封件材料选用耐苯等有机物的氟橡胶的密封圈。较低成本解决了密封件材的问题。还极大程度降低了现场的本质安全、职业卫生、环保的风险。
4. 为提高搅拌混合效果，搅拌的转速较高，而搅拌轴本身偏长，就引发了搅拌系统运行不够稳定的问题。通过加大、加强搅拌支架的选用和选择双支点的搅拌支架，基本能解决搅拌系统稳定性的问题。通过在生产上6个月的实践，转速降到170r/min，光气消耗有所增大，但较层间距610mm时，光气消耗也是降低了15%左右。而搅拌系统运行的稳定性得到了很大程度的提升。稳定的搅拌系统和较低的转速，对双端面机械密封的使用寿命是有很大好处的。
5. 通过上述的改进措施，搅拌系统的检维修频率得到了很大程度的降低。原来机封每月至少检修1次，设备检修时间约36天/年。原来搅拌器每三月至少检修一次，设备检修时间约24天/年。原来搅拌轴三年至少检修两次，设备检修时间至少有4天/年。综合考虑原来的设备检修时间约40天/年。

现在机封每三月至少检修1次，设备检修时间约9天/年。现在搅拌器每六月至少检修一次，设备检修时间约12天/年。现在搅拌轴两年至少检修1次，设备检修时间约4天/年。综合考虑现在的设备检修时间降低到不大于15天/年。

四、结论

1. 通过改变搅拌器的型式和层间距可以明显提高搅拌混合效果并大幅度减少原料的消耗。搅拌效果提升了1.58%，光气消耗降低了20%左右。
2. 降低转速对搅拌系统稳定性有很明显改善。降低转速还能降低了搅拌器、搅拌轴相对于物料的速度；降低了搅拌器、搅拌轴的冲蚀、腐蚀速率；还能大大的提高了双端面机械密封的使用寿命。
3. 选用2507的搅拌器和搅拌轴，运用到二苯甲酮光化釜中，其设备使用率能得到很明显的提高。较以前设备使用天数能提高25天/年，设备检修时间降低率了62.5%。
4. 通过变频启动的方式或改变物料的投加顺序，可以减少物料对搅拌器的冲击作用。
5. 通过借助计算机模拟软件等和进行大量的现场生产实践来找到搅拌型式、转速、原料消耗、搅拌材料的腐蚀速度、搅拌振动、机封的使用寿命的安全、技术、经济平衡点的课题还需要进一步探索研究。

参考文献：

[1]李卫平，刘慧丛，陈海宁，朱立群，冯颖，杨昕.材料腐蚀原理于防护技术.北京：北京航空航天大学出版社，2020.

[2]林玉珍.金属腐蚀和控制原理难点及解析.北京：中国石化出版社,2015.