丁苯橡胶凝聚釜搅拌器的优化改进

王 轮 周恩余

（中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司橡胶一厂)

丁苯橡胶凝聚釜搅拌器的优化改进

王 轮*周恩余

（中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司橡胶一厂)

针对丁苯橡胶装置100 m3凝聚釜在运行中存在的搅拌效果不理想、釜内液面容易积胶、搅拌轴摆动大、中间轴承易磨损、调节拉杆易断裂等不足之处，提出了搅拌器改造方案。搅拌器采用CBY桨叶，取消中间轴承和调节拉杆，增大搅拌轴直径。这次改造满足了生产需要，改善了搅拌器搅拌效果，解决了搅拌器故障，延长了凝聚釜使用周期。

反应釜 搅拌轴 搅拌器 丁苯橡胶 凝聚

0 前言

中石化北京燕山分公司橡胶一厂丁苯橡胶凝聚装置B线采用两台100 m3凝聚釜和等压温差式热水凝析工艺，釜内采用上层推进式搅拌器、下层圆盘涡轮搅拌器的双层搅拌器。该设备生产之初，基本能满足生产工艺的需要，但随着生产规模的不断扩大，逐渐暴露出凝聚釜搅拌分离效果不好、釜内液面易积胶、搅拌装置摆动大、调节拉杆易断裂等问题，严重制约了装置的高负荷生产。因此，对凝聚釜搅拌器进行优化改造以满足生产工艺的需要已成为当务之急。

1 凝聚釜结构简介

凝聚釜由釜体和搅拌装置两大部分组成。釜体由不锈钢 (1Cr18Ni9Ti)及碳钢 (A3F)组焊而成，釜体总高为10.82 m（包括上下封头，圆柱段高为9 m），釜体内壁直径为3.6 m，设计容积为100 m3，电机功率为75 kW，搅拌器转速为112 r/min。搅拌器采用双层组合桨，其中上层采用推进式搅拌器 （叶轮直径为1.2 m，d/D=0.33），底层采用六平直叶涡轮搅拌器 （叶轮直径为1.1 m，d/D=0.31），两叶轮间的层间距为2.9 m，底层桨叶距釜底1.16 m。釜内安装四块挡板，挡板宽度0.3 m，沿釜壁竖直延伸，间隔90°。1#凝聚釜入口采用4个90°间隔分布的胶液喷嘴，喷嘴方向与水平成45°角，并指向圆盘涡轮的叶片。2#凝聚釜胶液溢流管其入口距釜底垂直距离为4.3 m，与水平成45°角进入2#凝聚釜。2#凝聚釜水胶粒出口为水平侧出，与釜底垂直距离为1.6 m。

在丁苯橡胶的工业生产中，凝聚过程是在两个釜中不间断进行的。1#凝聚釜底部喷入低压蒸汽，釜内操作压力控制在0.07 MPa以下。由于在首釜体系中油多胶少，故溶剂的分压较大，利用这一点，釜内液体温度控制在98±2℃。在机械搅拌和蒸汽的共同作用下，胶液在热水中分散为直径5～20 mm的胶粒，胶液中的95%以上的溶剂油由1#凝聚釜顶部蒸出。脱除大部分溶剂的胶粒和热水一起由溢流管送入2#凝聚釜。2#凝聚釜底部也喷入低压蒸汽，在与1#凝聚釜等压的状态下，釜内液体温度控制在102±2℃。在2#凝聚釜中在机械搅拌和蒸汽的共同作用下，胶粒进一步脱除剩余的溶剂。凝聚好的胶粒与热水一起由胶粒水泵送入后处理单元。

在正常操作条件下，1#凝聚釜的蒸汽消耗为3.5～4.5 t/h， 操作压力控制在0.04～0.05 MPa， 釜温设定在 98±2℃，循环热水流量为150～160 m3/h，喷胶量约为30 m3/h，水胶比为4.0～6.0。设定的操作液位在由上至下第二个视镜下弦处，此处距上层推进式叶轮中心线约1.5 m，液深5.4 m。2#凝聚釜的蒸汽消耗为 1.5～2.5 t/h，操作压力控制在0.04～0.05 MPa，釜温设定在102±2℃，水胶粒出口流量为120～150 m3/h，操作液位与1#凝聚釜基本持平。

2 凝聚釜搅拌器存在的主要问题及其原因

2.1 搅拌器存在的主要问题

通过对2009～2010年丁苯橡胶凝聚装置B线凝聚釜检修情况的整理分析，原凝聚釜主要存在以下两个问题：

（1）搅拌轴摆动量大。搅拌器中间轴承的调节拉杆经常发生断裂；中间轴承和底轴承容易磨损，设备可靠度低。

（2）搅拌混合效果不佳。胶液容易积聚坨釜；蒸汽消耗量较大 （在喷胶量为15～22 m3/h情况下，消耗蒸汽 2～3 t/h）。

2.2 搅拌器存在问题的原因

2.2.1 搅拌轴摆动量大

原凝聚釜搅拌轴采用上、下两轴刚性连接，上轴长5872 mm，下轴长5515 mm，上、下轴最大直径为140 mm，最小直径为90 mm，属于挠性轴。从整个轴系分析，主轴总长11 387 mm，底部轴承、中间轴承和顶部机封轴承三个支点支承使轴产生静不定［1］。

原凝聚釜中间轴承采用球套＋直套的方式，球套的材质是酚醛树脂，直套的材质是2Cr13，球套与直套的间隙为0.5 mm。采用这种结构的目的是为了缓减调节拉杆和搅拌轴之间的相互作用力。但由于2Cr13与酚醛树脂硬度和耐磨性能的差异，在运行过程中，球套磨损程度远大于直套。于是，球套与直套之间的间隙增大，造成搅拌轴摆动加大，同时也使三根调节拉杆受力严重不均，导致调节拉杆断裂或脱落。调节拉杆的断裂脱落又进一步加大了搅拌轴的摆动，最终造成搅拌轴严重弯曲或断裂。

2.2.2 搅拌混合效果不佳

凝聚釜搅拌器采用上层推进式搅拌器和下层六平直叶圆盘涡轮搅拌器组成双层组合桨，两搅拌器层间距2.9 m。由于凝聚釜的釜体高度和釜体直径比达到3∶1，为了产生轴向循环流动，上层搅拌采用螺旋桨推进式叶轮，在搅拌器转动的作用下，液体向下产生较强的轴向流，并在釜内形成循环。通过凝聚釜视镜可以观察到，由于层间距较大 (L/D=0.81)，两层叶轮之间区域的轴向循环作用虽然存在，但并不强烈，因此在釜内实现的整体循环流动性不强，混合所需的时间较长。溢流管入口略高于2#凝聚釜上层桨叶中心线，从1#凝聚釜溢流出的胶粒水经此入口进入2#凝聚釜，于是易造成上层桨附近区域的胶粒浓度大于釜内其他区域。在操作液位波动时，这种现象更为明显。

实际生产过程中，在原双层组合桨条件下，2#凝聚釜仅在喷胶量小于25 m3/h时才能正常生产。超过25 m3/h时，釜内液面漂浮的胶粒层厚度将迅速增加，因此必须加大出料，而加大出料必然增加出水量，从而导致出料口胶粒浓度又变小，进出料平衡状态被打破，无法进行正常生产。

3 凝聚釜搅拌器优化改进

由于搅拌轴是挠性轴，因此通过三根调节拉杆进行限位，以防止其摆动量过大。但三根调节拉杆一旦损坏，操作人员不容易马上发现此故障，等到发现故障后，中间轴承和轴已发生严重磨损。此外，检修的工作量大，需要对釜倒空置换才能进行检修。因此，迫切需要对该搅拌器轴结构进行改进优化。

3.1 搅拌器改进的条件限制

（1）利用原有的电机和减速机，保持电机功率75 kW不变，搅拌器转速不变。

（2）原设备机架保持不变。

（3）原工艺技术条件和操作方法不改变。

3.2 改进方案实施

为了在满足生产工艺要求的条件下彻底解决搅拌轴摆动量大、调节拉杆容易折断等问题，经过反复研究和论证，提出了下述改进方案：

（1）搅拌轴改为三轴连接。上轴和下轴直径均增大，上轴与中轴连接处直径140 mm；下轴与中轴连接处直径170 mm。

（2）将主轴 （中轴）改为Ø219 mm×24 mm的空心轴，取消中间轴承和调节拉杆，由三点支承改为两点支承，解决静不定问题。

（3）搅拌桨叶形式优化改造。搅拌器层数由原来的两层改为三层；将原上层使用的Ø1200 mm推进式搅拌器改为两层Ø1300 mm CBY（长薄叶）桨叶，中间间距1500 mm；原下层使用的Ø1100 mm六直叶圆盘涡轮搅拌器改为Ø1100 mm六斜叶圆盘涡轮搅拌器，下层搅拌桨叶距釜底1500 mm[1]。

（4）底轴承将原酚醛树脂直套改为镶嵌硬质合金套，以增加其耐磨性。底轴承采用支架结构，方便检修。

（5）传动轴与减速机输出轴采用刚性连接方式，以减小传动轴摆动量，使传动轴的摆动量达到机械密封的许可值，满足安装机械密封部位对轴的摆动量要求。

4 搅拌器功率消耗计算

对搅拌器采用的CBY+CBY+6直叶圆盘涡轮组合进行功率计算。计算结果表明，搅拌轴消耗的轴功率满足原搅拌轴设计功率的要求。计算数据如下 [2-3]：

雷诺数Re=2210；

搅拌器功率准数Np=4；

功率因数 cosφ=0.9；

推进式搅拌器直径d1=1300 mm；

六直叶圆盘涡轮搅拌器直径d2=1100 mm；

搅拌轴转速n=114 r/min。

5 搅拌轴设计校核

根据扭转变形计算搅拌轴直径，所选用Ø219 mm×24 mm的空心轴满足刚度要求。根据搅拌轴临界转速和强度计算，所选用搅拌轴满足相应的要求。计算的技术参数如下[4-6]：

电机功率P=75 kW;

搅拌轴转速n=114 r/min;

轴的许用扭转角 [γ]=0.7°/m；

轴的剪切弹性模量G=81 000 MPa；

空心轴内外径比值N0=0.78;

搅拌轴总长L=11 387 mm;

流体径向力系数K=0.16;

平衡精度等级Gp=6.3 mm/s;

材料抗拉强度 [σb]=520 MPa;许用剪切应力 [τ]=32.5 MPa。

由于搅拌轴轴径同时满足刚度、临界转速和强度的要求，因此，搅拌轴改造所选的轴径是合理的。

6 凝聚釜搅拌器改进后的效果

搅拌器改造后运行半年来，设备底轴承未发现损坏现象，机械密封运行良好，设备运行周期明显增长，物料混合效果也好于改造前。从后处理颗粒管线缓冲罐出口观察，B线的物料颗粒平均直径为5～10 mm，比改造前的物料颗粒平均直径8～15 mm要小，釜面很少发生积胶的情况。

搅拌器的改进对凝聚釜的生产能力具有较大的影响。2011年9月份，我们对改造前后的能耗进行了对比。B线凝聚釜搅拌装置改造后，蒸汽的消耗量有所下降，电流有所上升。表1列出了改造前后B线凝聚釜各项操作参数和性能的对比。

7 结论

（1）从实际运行情况看，改进后的搅拌器自投用以来运行状态一直平稳。丁苯橡胶100 m3凝聚釜采用三层搅拌桨是比较合理的，其中上层和中层选用CBY桨叶、下层选用圆盘六斜叶涡轮桨能满足丁苯橡胶生产工艺的要求。

表1 凝聚釜各项操作参数和性能对比

（2）丁苯橡胶100 m3凝聚釜采用大直径的空心轴、取消中间轴承和调节杆的方案是可行的，解决了轴摆动量大的问题。

（3）下一步还需要对凝聚釜搅拌系统做进一步的改进。通过改变搅拌桨叶的叶片倾角和搅拌器直径等方法来降低电机的功率消耗，使其达到更好的运行状况。

[1]陈志平，章序文，林兴华，等.搅拌与混合设备设计选用手册 [M].北京：化学工业出版社，2004.

[2]王凯，虞军.化工设备设计全书——搅拌设备[M].北京：化学工业出版社，2003.

[3]王凯，冯连芳.混合设备设计 [M].北京：机械工业出版社，2000.

[4]曲文海.压力容器与化工设备实用手册 （下册） [M].北京：化学工业出版社，2000.

[5]徐灏.机械设计手册 （第一卷） [M].北京：机械工业出版社，1998.

[6]刘鸿文.材料力学 [M].北京：高等教育出版社，1993.

Optimal Improvement of Mixer of SBR Agglomeration Reactor

Wang Lun Zhou Enyu

There are some problems during operation of 100 m3SBR agglomeration reactor,such as unsatisfactory stirring effect,easy to plot glue in the liquid surface,big stirring shaft swing,easy to wear out,easy broken adjustment rod and so on.For the problems,improvements are proposed,including using CBY blade,cancelling intermediate bearing and adjustment rod,and increasing the stirring shaft diameter.The improvement satisfies the need of production,improves the mixing effect,solves the stirrer fault,and prolongs the life of agglomeration reactor.

Reactor;Stirring shaft;Mixer;Styrene butadiene rubber;Agglomeration

TQ 051.7+2

*王轮，男，1978年生，工程师。北京市，102500。

2012-06-11）