PTFE懸浮樹脂的干燥技術(shù)

張 鵬 劉文武 鄭宙飛 段成憲 張高明

(浙江巨化股份有限公司 氟聚合物事業(yè)部，浙江 衢州 324004)

0 前言

聚四氟乙烯(PTFE)作為氟塑料最為重要的成員之一，其應(yīng)用范圍在社會發(fā)展的各個領(lǐng)域延伸，不斷體現(xiàn)出其優(yōu)異的性能與良好的使用價(jià)值。根據(jù)使用形式的不同，聚四氟乙烯主要分為懸浮樹脂、分散樹脂和分散乳液。目前，在聚四氟乙烯樹脂的使用量中懸浮樹脂品種占比最大，全球年產(chǎn)量超過10萬t。PTFE懸浮樹脂的生產(chǎn)工藝主要包括聚合、洗滌、干燥等工序，PTFE產(chǎn)品的存儲及使用要求規(guī)定PTFE懸浮樹脂產(chǎn)品的含水量≤0.04%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)[1]。根據(jù)PTFE懸浮樹脂的性質(zhì)及成型加工要求，其干燥方法主要有振動干燥、噴霧干燥、流化床干燥、輻照干燥、真空干燥和氣流干燥等[2-3]。干燥形式的多樣化對產(chǎn)品質(zhì)量的提高起著重要的推動作用，而PTFE產(chǎn)品質(zhì)量的提高、應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展也推動著干燥設(shè)備向著更加功能化、精細(xì)化和智能化的方向發(fā)展。對PTFE懸浮樹脂的幾種干燥形式進(jìn)行了介紹，簡要敘述其干燥原理及其影響因素，為PTFE懸浮樹脂的干燥選型提供理論上的參考，為PTFE系統(tǒng)研究進(jìn)行一定的補(bǔ)充。

1 流化床干燥

流化床干燥(沸騰干燥)是一種運(yùn)用流態(tài)化技術(shù)對顆粒狀固體物料進(jìn)行干燥的方法。熱氣流攜帶著固體顆粒在設(shè)備中上下翻涌，氣流不斷撞擊固體顆粒，在不斷帶走顆粒表面水分的同時，也使得顆粒內(nèi)部的水分不斷向外部滲透揮發(fā)，加之顆粒間的碰撞，進(jìn)一步加大了顆粒的干燥速率。在流化設(shè)備中，由于加熱氣流經(jīng)分布器均勻分散后進(jìn)入固體顆粒的流化床層，這在很大程度上增加了熱氣流與顆粒的接觸面積，使得傳熱系數(shù)大大提高。在整個流化過程中，氣流與固體顆粒同時進(jìn)行著熱量傳遞與質(zhì)量傳遞。經(jīng)過計(jì)算流化床中PTFE顆粒在氣流中所形成的流化層高度，將含水量達(dá)到要求的固體顆粒產(chǎn)品與氣流分離[3]。

由于流化床的特殊性，無法將含水量很大的PTFE物料置于流化設(shè)備內(nèi)進(jìn)行干燥。如果將具有一定粒徑的PTFE的含水量降低至10%左右后，再通過加熱后的干燥空氣進(jìn)行干燥，能夠明顯地降低物料的含水量[3]。PTFE流化床干燥流程如圖1所示。

圖1 PTFE流化床干燥流程圖

由圖1可知，鼓風(fēng)機(jī)將過濾器過濾后的風(fēng)送至換熱器，風(fēng)由換熱器加熱后送至流化設(shè)備內(nèi)，熱風(fēng)經(jīng)過流化床設(shè)備內(nèi)的再分布器形成若干股氣流，向上吹動均勻分散在流化設(shè)備內(nèi)的PTFE濕物料上，形成流化床。經(jīng)過連續(xù)8 h干燥后，PTFE物料的含水量在1%左右，但隨著時間的延長，物料含水量下降得十分緩慢。相對來說，PTFE物料經(jīng)過流化床干燥能夠有效地降低物料的含水量，而且流化設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，但是流化床干燥技術(shù)對于PTFE的工業(yè)化生產(chǎn)有諸多限制。如：1)流化床干燥的處理量有限，在一定的氣流壓力下對應(yīng)一定高度的流化床層，如果不斷提高氣流壓力，不僅會增加設(shè)備的造價(jià)，而且可能造成流化床層的返混；2)流化床干燥技術(shù)耗能較大，且大量的熱氣流未經(jīng)充分利用即排空。隨著干燥技術(shù)的不斷發(fā)展，流化床干燥設(shè)備一般與其他設(shè)備進(jìn)行聯(lián)用，也出現(xiàn)了如流化床超微氣流粉碎技術(shù)、循環(huán)流化床干燥技術(shù)等更先進(jìn)的流化床應(yīng)用技術(shù)。

2 真空干燥

真空干燥是指將物料置于負(fù)壓的條件下，通過適當(dāng)?shù)募訜崾沟梦锪现兴娜軇┨幱谪?fù)壓狀態(tài)下的沸點(diǎn)進(jìn)而除去溶劑，或是將固液混合物在低溫固化后直接置于負(fù)壓下使得溶劑發(fā)生升華而干燥的過程，真空干燥最常用于除去物料中的水分[3]。

PTFE物料的真空干燥，主要是利用水在負(fù)壓下的沸點(diǎn)降低，同時提高PTFE物料的溫度而進(jìn)行的除水過程。根據(jù)PTFE物料在真空干燥中所處的狀態(tài)分為靜態(tài)真空干燥和動態(tài)真空干燥。靜態(tài)真空干燥一般是在真空烘箱中進(jìn)行，由于處理量相對較少，多用于試驗(yàn)。靜態(tài)干燥的效率較低，影響因素較多，有學(xué)者對PTFE靜態(tài)干燥的影響因素進(jìn)行了研究。將初始條件相同的PTFE物料置于真空烘箱中進(jìn)行靜態(tài)真空干燥，結(jié)果如圖2所示。

(a)干燥時間對物料含水量的影響

(b)干燥時間對物料結(jié)塊占比的影響

圖2a是干燥時間與PTFE物料含水量的關(guān)系，隨著時間的延長，物料含水量逐漸降低，但超過一定時長后，延長時間對降低含水量的作用不明顯。圖2b是經(jīng)過靜態(tài)真空干燥試驗(yàn)后，PTFE物料中結(jié)塊占比與時間的關(guān)系。隨著時間的延長，PTFE物料結(jié)塊愈發(fā)嚴(yán)重。PTFE物料結(jié)塊對于PTFE成型加工有非常重要的影響，結(jié)塊占比越高，產(chǎn)品出現(xiàn)開裂的幾率越大[4]。影響PTFE靜態(tài)干燥的其他因素還包括干燥溫度、真空度和填充系數(shù)等。

動態(tài)真空干燥是在靜態(tài)真空干燥的基礎(chǔ)上增加了物料流動性，使得水蒸氣的流動空間大大增加，在很大程度上提高了除水效率，處理量大大增加。PTFE動態(tài)真空干燥的設(shè)備種類較多，其中工業(yè)應(yīng)用中使用較廣的一種是SZG系列雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)，其示意圖如圖3所示。

圖3 SZG系列雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)

在干燥過程中，罐體內(nèi)部處于真空狀態(tài)，罐體夾套通入熱源對罐體進(jìn)行加熱，將熱量傳給罐體內(nèi)的PTFE和水，水在真空狀態(tài)下于一定溫度轉(zhuǎn)變成為水蒸氣，旋轉(zhuǎn)的罐體使得罐內(nèi)的物料不斷混合，在加速傳熱的同時不斷為水蒸氣的溢出提供空間，水蒸氣由真空泵及時排出，從而達(dá)到快速干燥的目的。動態(tài)真空干燥與靜態(tài)真空干燥一樣，會形成較多的結(jié)塊。由于一般多采用蒸汽、導(dǎo)熱油等熱源，設(shè)備的密封性要求較高，且動態(tài)干燥處理量較大，需借助冷媒降溫，這進(jìn)一步增加了設(shè)備的造價(jià)及維修保養(yǎng)費(fèi)用。

3 氣流干燥

氣態(tài)介質(zhì)如空氣、惰性氣體、燃?xì)饣蚱渌麣饬餍螒B(tài)的物質(zhì)經(jīng)加熱后，由風(fēng)機(jī)等輸送設(shè)備加速而在管內(nèi)進(jìn)行快速流動。濕物料在進(jìn)入管道后，與高速的高溫氣流進(jìn)行混合，隨著氣流運(yùn)動到達(dá)終端的分離器進(jìn)行氣固分離，氣相由分離器頂部逸出，分離器底部的固相落入后續(xù)工序。在這一過程中，熱氣流與濕物料之間，傳質(zhì)與傳熱現(xiàn)象同時發(fā)生，且由于兩相的接觸面積大，物料顆粒之間及物料與管壁間不斷發(fā)生碰撞，這進(jìn)一步強(qiáng)化了兩相間的傳質(zhì)、傳熱過程，使得濕物料中的水分被快速蒸發(fā)，從而達(dá)到干燥物料的目的。

氣流干燥是PTFE物料工業(yè)化應(yīng)用最為廣泛的一種方式。相對于其他干燥技術(shù)在PTFE生產(chǎn)應(yīng)用中的限制，氣流干燥技術(shù)擁有熱效率高、處理量大、干燥時間短、操作方便、對物料無污染等突出優(yōu)點(diǎn)，而且氣流干燥適用于PTFE物料的連續(xù)性干燥。

在PTFE工業(yè)化應(yīng)用中，氣流干燥主要有旋風(fēng)干燥器干燥和氣流管干燥兩種[5-6]。旋風(fēng)干燥器在干燥過程中傳熱系數(shù)達(dá)到1.67×104～2.5×104kJ/(m3·h·℃)，所需的干燥風(fēng)量小，形成的風(fēng)壓低，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 旋風(fēng)干燥器結(jié)構(gòu)示意圖

旋風(fēng)干燥器由外筒體內(nèi)管、進(jìn)料口和出料口組成，高溫、高速氣流攜帶濕物料從切線方向進(jìn)入干燥器，沿著干燥器內(nèi)壁不斷旋轉(zhuǎn)向下，然后到達(dá)干燥器底部轉(zhuǎn)變成沿著干燥器中心線旋轉(zhuǎn)向上，即內(nèi)管中作旋轉(zhuǎn)向上運(yùn)動，內(nèi)管不僅避免了上下兩個方向的物料發(fā)生交叉反混，而且進(jìn)一步提高了傳熱效果。

相對于旋風(fēng)干燥器，氣流管干燥有更高的傳熱系數(shù)，達(dá)到4.18×104～5×104kJ/(m3·h·℃)，物料處理量更大。但其所需的風(fēng)量大、風(fēng)壓高，而且干燥溫度有明顯的提高。氣流管干燥系統(tǒng)主要由空氣過濾單元、進(jìn)料單元、干燥冷卻單元和除塵單元構(gòu)成，其干燥流程如圖5所示。

圖5 PTFE氣流管干燥工藝流程圖

環(huán)境空氣經(jīng)過濾器過濾、加熱器加熱后與濕物料混合，高速流動的熱空氣攜帶著濕物料進(jìn)入氣流管進(jìn)行干燥。干燥后的物料經(jīng)分離器分離，由分離器頂部出去的空氣夾帶部分物料經(jīng)進(jìn)一步分離后由抽風(fēng)機(jī)進(jìn)行排空，由分離器底部出去的物料進(jìn)入冷卻單元進(jìn)行冷卻。環(huán)境空氣經(jīng)過濾器過濾、冷卻器冷卻后與物料混合，冷卻空氣與物料在氣流管中進(jìn)行換熱，冷卻后的物料經(jīng)分離器分離。同樣，由分離器頂部出去的空氣夾帶部分物料經(jīng)除塵器除塵后由抽風(fēng)機(jī)進(jìn)行排空，由分離器底部出去的物料進(jìn)入下一步工序?？諝獾妮斔椭饕伤惋L(fēng)機(jī)與抽風(fēng)機(jī)進(jìn)行。

由于旋風(fēng)干燥器的處理量較小，且物料在干燥器的底部容易團(tuán)聚，由此引起的設(shè)備拆裝對于物料清潔以及系統(tǒng)的連續(xù)性運(yùn)行產(chǎn)生很大的影響。而氣流管干燥能力大、操作穩(wěn)定、產(chǎn)品性能好，且隨著PLC(可編程控制器)等現(xiàn)代化技術(shù)的應(yīng)用，氣流管干燥已逐步取代旋風(fēng)干燥器干燥，成為PTFE工業(yè)生產(chǎn)的主流。氣流管干燥系統(tǒng)的阻力壓降較大，一般為3 000～4 000 Pa，必須選用中高壓通風(fēng)機(jī)，與此對應(yīng)，必須選擇大尺寸的分離器和除塵器，有較大的動力消耗和需較大的布置空間。此外，在氣流管干燥中，載荷的波動特別容易造成氣流管的堵塞，只有控制精確的工藝參數(shù)才能保障干燥系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行。

4 其他干燥技術(shù)

4.1 廂式干燥

廂式干燥主要在干燥設(shè)備中進(jìn)行，廂式干燥器是廂式干燥設(shè)備的統(tǒng)稱，一般廂式干燥器的外壁都設(shè)有絕熱保溫層。依據(jù)物料狀態(tài)以及生產(chǎn)能力，廂式干燥器分為氣流廂式干燥器、真空廂式干燥器以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而來的隧道式干燥器等，3種主要廂式干燥器在PTFE干燥的工業(yè)化中均有應(yīng)用[3]。在廂式干燥器中，由風(fēng)機(jī)和加熱器產(chǎn)生的熱風(fēng)在干燥器內(nèi)進(jìn)行循環(huán)流動，將PTFE濕物料中的水分汽化排出，從而達(dá)到干燥的目的。在廂式干燥器中，一般用托盤盛放物料，物料的裝填、料盤的清洗都非常簡單，物料損耗小。但干燥過程中，物料得不到類似氣流干燥過程中的均勻分散，熱效率低，約為40%，處理量直接影響干燥時間，整體能耗較高，以加熱蒸汽計(jì)算，每干燥1 kg水需要消耗2.5 kg以上的蒸汽。影響干燥的因素一般有熱風(fēng)速率、物料層的間距和厚度、風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、真空度以及隧道干燥器的長度等。

4.2 紅外熱輻射干燥

在固體中，通過分子的振動或束縛電子的遷移，以電磁波的形式傳遞能量稱之為熱輻射。在自然界中，物質(zhì)通過不斷地發(fā)射與吸收輻射能進(jìn)行能量交換，而這一交換過程的最終結(jié)果是輻射換熱[3]。相對于物質(zhì)之間因?yàn)闇夭疃M(jìn)行的緩慢換熱過程，輻射換熱的熱效率要高很多。隨著科技的不斷更新迭代，紅外熱輻射干燥技術(shù)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用不斷延伸，在PTFE物料干燥和成型加工中均有應(yīng)用。在PTFE物料干燥中，常以隧道干燥的形式出現(xiàn)。依據(jù)PTFE的物性及紅外吸收光譜，選擇合適的紅外輻射加熱器，紅外輻射加熱器均勻分布在隧道的頂端，PTFE物料勻速通過隧道進(jìn)行換熱干燥。PTFE干燥的紅外輻射加熱器一般為石英，其具有能量轉(zhuǎn)換效率高、升降溫快等優(yōu)點(diǎn)。在干燥過程中，主要的控制因素有PTFE料層的厚度、輻射源與PTFE料層的間距、PTFE物料在整個隧道中的停留時間以及物料的初始含水量等。

4.3 過熱蒸汽干燥

過熱蒸汽干燥是一種較為新穎的干燥技術(shù)，是通過將過熱蒸汽直接與被干燥物料進(jìn)行接觸，使得物料中的液態(tài)溶劑變?yōu)檎羝罱K與過熱蒸汽一起排出的干燥形式。過熱蒸汽通常是水蒸氣，且排出蒸汽的潛熱易于回收利用，熱效率較高。由于PTFE的耐高溫特性，且被干燥物是液態(tài)水，干燥前后PTFE幾乎不發(fā)生任何變化，從本質(zhì)上來說是非常適合應(yīng)用過熱蒸汽進(jìn)行干燥的。在PTFE工業(yè)化生產(chǎn)的過程中，相關(guān)生產(chǎn)廠商和學(xué)者也對過熱蒸汽干燥PTFE做過大量試驗(yàn)與研究。雖然過熱蒸汽干燥技術(shù)在PTFE物料的干燥中有一系列的優(yōu)點(diǎn)，但在其工業(yè)化的進(jìn)程中也有著必須要克服的困難：首先，涉及到過熱蒸汽的應(yīng)用，設(shè)備的耐腐蝕性、密封性等必須達(dá)到一定要求，這直接導(dǎo)致設(shè)備的造價(jià)以及檢修費(fèi)用大大增加；其次，要使得PTFE物料的最終含水量達(dá)到要求，就必須保證過熱蒸汽與物料的充分接觸，而這就限制了在一定干燥容積中PTFE物料的床層厚度或者說是進(jìn)料量，這是目前影響其工業(yè)化的主要因素之一；最后，過熱蒸汽干燥技術(shù)的應(yīng)用需配套相應(yīng)規(guī)模的蒸汽生產(chǎn)系統(tǒng)、物料真空冷卻系統(tǒng)、蒸汽回收再利用系統(tǒng)等，綜合投入較大。

4.4 氣流干燥與流化床干燥組合

在日常生產(chǎn)中，常常要求產(chǎn)品的含水量降低到一定程度才能進(jìn)行存儲或加工，往往單一的干燥方式無法滿足生產(chǎn)工藝的要求，而兩種或多種干燥方式的組合卻能夠快速、簡單、有效地得到結(jié)果。PTFE懸浮樹脂產(chǎn)品中w(水)≤0.04%，常用的氣流干燥需要很長的一段干燥管才能滿足干燥要求。若將氣流干燥與流化床干燥組合，如圖6所示。這不僅可以大大縮減干燥管的長度，有效節(jié)省空間，也可降低干燥管潛在影響物料的程度，但該種組合干燥技術(shù)也有著對生產(chǎn)負(fù)荷特別敏感等諸多限制，需要非常精準(zhǔn)的工藝參數(shù)控制技術(shù)。此外，粉碎氣流干燥和流化床干燥的組合也是PTFE干燥的創(chuàng)新形式。

圖6 PTFE氣流干燥和流化床干燥組合工藝流程圖

5 結(jié)語

由PTFE本身的性質(zhì)及其產(chǎn)品的種類決定，氣流干燥是目前PTFE懸浮樹脂產(chǎn)品干燥的主要方式。雖然取得了一定的進(jìn)步，但還是存在相對能耗較高、干燥負(fù)荷波動影響明顯等缺陷。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，PTFE干燥工藝的不斷改善以及新技術(shù)、新設(shè)備的不斷投入，對PTFE物料進(jìn)行高效干燥的技術(shù)越來越多，PTFE的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)粩嗤貙挘湓谏鐣粘Ｉa(chǎn)、生活中的影響將會進(jìn)一步深化。