影響聚丙烯粉料干燥效果的因素

趙金豹，蘇成武

(遼寧鼎際得石化股份有限公司，遼寧營口 115005)

0 前言

中國石油天然氣股份有限公司獨(dú)山子石化分公司乙烯廠聚丙烯車間采用的生產(chǎn)工藝是Spheripol工藝,以液相本體聚合和氣相共聚組合方式生產(chǎn)聚丙烯粒料。在聚丙烯的生產(chǎn)過程中，干燥系統(tǒng)作為造粒前的最后的一道工序，干燥的好壞直接影響到后序工段的平穩(wěn)運(yùn)行和產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。流化床干燥器在聚丙烯粉料生產(chǎn)中的作用是除去聚合物上的水分，保證聚丙烯粉料中的水含量符合要求,以保證后序工段的平穩(wěn)運(yùn)行。

1 干燥系統(tǒng)工藝簡述

在汽蒸器中，水蒸氣吸附在聚合物中，粉料在自身重力和壓差的作用下從汽蒸器流到流化床干燥器。干燥的目的是從聚合物表面脫附水，以滿足后續(xù)工段的工藝要求。粉料干燥系統(tǒng)工藝流程見圖1。被干燥的物料由流化床干燥器的頂部加入，與從底部通過多孔分布板加入的熱氮?dú)饽媪鹘佑|。熱氮?dú)庾愿稍锲鞯牡撞肯蛏?，使聚合物產(chǎn)生流化，并從聚合物中除去水分。物料與熱氮?dú)膺M(jìn)行傳熱和傳質(zhì)過程達(dá)到干燥目的。干燥后的物料由流化床干燥器底部中間的排料口排出，氣流夾帶少量粉末自頂部排出，通過旋風(fēng)分離器分離。汽化冷凝水所需熱量由聚合物本身降溫(100～110 ℃下降到75～80 ℃)和熱氮?dú)夤┙o。在料位控制下，干燥的聚合物從干燥器流至氣流輸送料斗，帶有細(xì)粉的氮?dú)馔ㄟ^旋風(fēng)分離器后，粉料收集至粉末收集器送至粉料輸送系統(tǒng)中。幾乎含有聚合物全部水分的氮?dú)庠谒此邢慈ニ途酆衔锛?xì)粉。氮?dú)鈴南礈焖敳拷?jīng)除霧器到鼓風(fēng)機(jī)，氮?dú)馔ㄟ^鼓風(fēng)機(jī)吸入段的壓力控制閥進(jìn)行補(bǔ)充。氮?dú)馔ㄟ^一臺(tái)翅片式換熱器加熱，將氮?dú)饧訜岬?10 ℃。加熱后的氮?dú)饬鞯礁稍锲鞒ゾ酆衔锏乃帧Ｔ谒械娜萜骱凸に嚬芫€上，氮?dú)舛甲鳛橐环N惰性氣體來防止形成爆炸性氣體(粉塵等)和聚合物分解，要保持氮?dú)鈮毫檎龎阂苑乐剐纬烧婵?。流化床干燥器中設(shè)計(jì)了一個(gè)螺旋輸送器，目的是延長粉料在流化床干燥器中的停留時(shí)間，增加干燥效果。

D502—干燥器;S502—旋風(fēng)分離器;D507—粉末收集器;LS—蒸汽;E503—翅片式換熱器;T502—洗滌塔;C502A/B—鼓風(fēng)機(jī);P502A/B—洗滌塔水循環(huán)泵;E502—板式換熱器;CWS—循環(huán)水入口;CWR—循環(huán)水出口

圖1 粉料干燥系統(tǒng)流程示意圖

干燥器底部的多孔分布板也經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，孔的開向呈一定角度，這樣可以使進(jìn)入干燥器的氮?dú)庥幸欢ǖ牧飨颍瑥?qiáng)化了流化的程度，提高了干燥效率。干燥器底部分布板示意圖見圖2。流化床干燥有許多優(yōu)點(diǎn)：物料在流化床干燥器內(nèi)停留時(shí)間長，物料與干燥介質(zhì)長時(shí)間接觸后含水量低，操作時(shí)干燥介質(zhì)氣速低。

圖2 干燥器底部分布板示意圖

2 工藝指標(biāo)要求

粉料聚合物中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)從3%減少到小于0.02%。

3 影響流化床干燥效果的主要因素

筆者對(duì)流化床干燥器進(jìn)行熱量衡算、物料衡算，可對(duì)其換熱的過程有一個(gè)了解，同時(shí)可以分析出影響粉料干燥效果的因素。

3.1 流化床干燥器熱量衡算

流化床干燥器熱量衡算簡圖見圖3。

圖3 干燥系統(tǒng)熱量平衡簡圖

粉料中的水帶走的熱量為：

Q水=W水·ΔH汽

(1)

物料提供的熱量為：

Q粉料=W粉料·c2·ΔT2

(2)

熱氮?dú)馓峁┑臒崃繛椋?/p>

Q氮?dú)?W氮?dú)狻1·ΔT1

(3)

式中：W水為熱氮?dú)饽軌驇ё叩乃馁|(zhì)量(與汽化壓力有關(guān))，kg；Q水為氮?dú)鈳ё遅水所需的熱量,kJ；ΔH汽為水的汽化潛熱，kJ/(kg·K),75 ℃時(shí)為554 kJ/(kg·K)；W粉料為熱氮?dú)鈳ё叩姆哿腺|(zhì)量,kg;c1為氮?dú)獾馁|(zhì)量熱容，kJ/(kg·K)；ΔT1為氮?dú)饨?jīng)過干燥器進(jìn)口與出口的溫差，K，ΔT1=35 K；W氮?dú)鉃闊岬獨(dú)赓|(zhì)量,kg;c2為聚丙烯粉料的質(zhì)量熱容，kJ/(kg·K)；ΔT2為聚丙烯粉料經(jīng)過干燥器進(jìn)口與出口的溫差，K，ΔT2=35 K。

由Q水=Q氮?dú)?Q粉料可推導(dǎo)出W水=(W氮?dú)狻1·ΔT1+W粉料·c2·ΔT2)/ΔH汽，在75 ℃時(shí)，ΔH汽不變，c1、c2不變，因此，在生產(chǎn)負(fù)荷一定,即W粉料一定的情況下，影響粉料水含量的因素有：W氮?dú)?、ΔT1、ΔT2。如果要降低粉料中的水含量，則應(yīng)增加W氮?dú)饣蛱岣擀1、ΔT2。如要提高ΔT1，就要提高上游系統(tǒng)的溫度或降低干燥后氮?dú)獾臏囟?；如要提高ΔT2，就要提高循環(huán)氮?dú)膺M(jìn)入流化床干燥器的溫度。

3.2 流化床干燥器物料衡算

流化床干燥器物料衡算簡圖見圖4。

物料衡算式為：

AW氮?dú)?BW氮?dú)?W水

(4)

式中：A為75 ℃時(shí)飽和氮?dú)獾臐穸龋?；B為40 ℃時(shí)飽和氮?dú)獾臐穸龋?。

由式(4)可得:

W水=(A-B)W氮?dú)?/p>

(5)

圖4 干燥系統(tǒng)物料平衡簡圖

從以上分析可知，影響流化床干燥器干燥效果的主要因素有：(1)循環(huán)氮?dú)獾牧髁?(2)流化床干燥器的干燥溫度。

4 影響干燥效果的其他因素

4.1 循環(huán)氮?dú)饨?jīng)洗滌塔洗滌后的溫度

由以上的物料平衡和熱量平衡分析可知，經(jīng)水洗塔洗滌后的氮?dú)鉁囟仍降?，則飽和氮?dú)獾臐穸仍叫?B越小)，在相同的干燥溫度下，帶走粉料中的水就越多。筆者就氮?dú)庀礈焖M(jìn)行傳熱和傳質(zhì)分析，分析熱氮?dú)庾韵礈焖走M(jìn)入，冷水由塔頂進(jìn)入，氣液呈逆流接觸，在塔內(nèi)進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)。在洗滌塔內(nèi)既發(fā)生氣相向液相的熱量傳遞，又發(fā)生水的汽化或冷凝。熱氮?dú)獾乃溥^程見圖5，圖5(b)、(c)分別表示沿洗滌塔塔高的溫度變化和水蒸氣分壓的變化。

(a) 氮?dú)庀礈焖鞒?(b) 溫度變化 (c) 水氣分壓變化

由圖5可見,氣相和液相的溫度自塔底向塔頂單調(diào)下降。液相的水氣平衡分壓與液相溫度有關(guān)，因而也單調(diào)下降；可是，氣相中的水蒸氣分壓則可能出現(xiàn)非單調(diào)的變化。氣、液兩相的分壓曲線在塔中某處相交，其交點(diǎn)將塔分成上、下兩段，各段中的過程分析如下：(1)塔下部的氣相溫度高于液相溫度，氣體傳熱給液體;同時(shí)，氣相中的水氣分壓低于液相的水氣平衡分壓，水由液相向氣相蒸發(fā)。在該區(qū)域內(nèi)，熱、質(zhì)傳遞的方向相反，液相自氣相獲得的顯熱又以潛熱的形式隨汽化的水分返回氣相。(2)塔上部的氣相溫度仍高于液相溫度，傳熱方向仍然從氣相到液相，但氣相的水氣分壓與水的平衡分壓的相對(duì)大小發(fā)生了變化。由于水溫較低，相應(yīng)的液相平衡分壓也低，氣相水氣分壓轉(zhuǎn)而高于液相平衡分壓，水氣將由氣相轉(zhuǎn)向液相，發(fā)生水氣的冷凝。在該區(qū)域內(nèi)，液相既獲得來自氣相的顯熱，又獲得水氣冷凝所放出的潛熱。

由以上分析可知，要降低氮?dú)馑春蟮臏囟?，一定要控制好進(jìn)洗滌塔的溫度和流量。在實(shí)際的操作中要求洗滌塔水循環(huán)泵的質(zhì)量流量不低于40 t/h,水溫不能超過40 ℃，以確保氮?dú)饨?jīng)水洗后的溫度不會(huì)太高，保證粉料的干燥效果。如工藝條件不能滿足，就要清理循環(huán)泵入口過濾器或板式換熱器。

4.2 干燥器中粉料的停留時(shí)間

控制流化床干燥器的料位，就控制了顆粒在床層的平均停留時(shí)間，即平均干燥時(shí)間。平均干燥時(shí)間τ=床內(nèi)固體量下料速率。實(shí)際操作中，在保證工藝平穩(wěn)的前提下，料位控制不能太低，以確保干燥效果。在裝置的流化床干燥器中設(shè)置螺旋輸送器目的也是增加粉料在流化床干燥器中的停留時(shí)間，強(qiáng)制粉料沿著輸送器的方向運(yùn)行至下料口。

5 流化床粉料干燥效果分析

流化床聚丙烯粉料中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。由表1可以看出聚丙烯粉料中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)都在工藝指標(biāo)控制之內(nèi)，即小于0.02%。

表1 聚丙烯粉料中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

6 結(jié)語

通過以上分析可知，影響流化床干燥效果的因素有循環(huán)氮?dú)獾牧髁俊⒘骰驳母稍餃囟?、進(jìn)流化床干燥器的循環(huán)氮?dú)鉁囟?、?jīng)洗滌塔洗滌后的氮?dú)鉁囟?、干燥器中粉料的停留時(shí)間等。在實(shí)際操作中可針對(duì)以上情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，以保證聚丙烯粉料的干燥效果。