超高流動聚丙烯造粒機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行研究

朱維權(quán)，崔 欣

（中國石油化工股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽 471012）

采用高熔體流動速率（MFR）聚丙烯進(jìn)行注塑加工可實現(xiàn)快速成型、制品輕量化［1-3］。隨著聚丙烯催化劑技術(shù)、生產(chǎn)裝置、工藝技術(shù)以及加工技術(shù)的日益發(fā)展，聚丙烯的MFR越來越高［4-6］，拓寬了聚丙烯的應(yīng)用范圍［7］。另一方面，隨著人們生活水平的提高和環(huán)保法規(guī)的要求，注塑級高M(jìn)FR聚丙烯越來越多地采用反應(yīng)器內(nèi)氫調(diào)法生產(chǎn)［8-10］，而不是傳統(tǒng)的可控流變法［11-12］。目前，市場主流的高流動聚丙烯的MFR約為60.0 g/10 min，MFR超過150.0 g/10 min甚至200.0 g/10 min的超高流動聚丙烯的生產(chǎn)存在諸多困難和瓶頸［13］。超高流動聚丙烯生產(chǎn)的瓶頸之一就是造粒機(jī)能否穩(wěn)定運(yùn)行［14-15］。經(jīng)驗表明，高M(jìn)FR聚丙烯很難實現(xiàn)造粒機(jī)正常開車［16-17］。換言之，在高M(jìn)FR聚丙烯的生產(chǎn)過程中，一旦造粒機(jī)停車，裝置就有停車可能。這給裝置的連續(xù)運(yùn)行帶來極大的風(fēng)險，因此，生產(chǎn)高M(jìn)FR聚丙烯時，造粒機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。這對于無齒輪泵的國產(chǎn)造粒機(jī)而言，更是巨大挑戰(zhàn)。本工作通過研究不同MFR聚丙烯造粒過程中無齒輪泵國產(chǎn)擠壓造粒機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，探索超高M(jìn)FR聚丙烯的造粒機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，以實現(xiàn)超高流動聚丙烯生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 實驗部分

1.1 主要原料與設(shè)備

聚丙烯粉料，MFR分別為2.8，60.0，90.0，150.0，220.0 g/10 min，均采用反應(yīng)器內(nèi)氫調(diào)法生產(chǎn)，中國石油化工股份有限公司洛陽分公司。

SJSHL-Z300×25型雙螺桿混煉擠壓造粒機(jī)（無齒輪泵），大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司。

1.2 擠壓造粒過程

聚丙烯的生產(chǎn)及造粒在中國石油化工股份有限公司洛陽分公司140 kt/a的中國石化第二代雙環(huán)管工藝聚丙烯裝置上進(jìn)行。擠壓造粒機(jī)由加料系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、混煉擠壓系統(tǒng)、擠壓造粒系統(tǒng)、粒子處理系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)組成（見圖1）。驅(qū)動系統(tǒng)由電機(jī)單元、主電機(jī)潤滑系統(tǒng)、氣動摩擦離合器、主減速器系統(tǒng)、主減速器潤滑系統(tǒng)、隔音罩、盤車單元等組成；混煉擠壓系統(tǒng)由混煉擠壓單元、料斗單元等組成；擠壓造粒系統(tǒng)由節(jié)流閥、開車閥、換網(wǎng)器、連接支撐單元、機(jī)頭、溫控管路、水下切粒單元等組成。粒子處理系統(tǒng)由離心干燥單元、振動篩、粒料冷卻水系統(tǒng)、三通取樣閥等組成；輔助系統(tǒng)由筒體冷卻水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)Ⅰ、液壓系統(tǒng)Ⅱ、熱油系統(tǒng)等組成。

圖1 SJSHL-Z300×25型擠壓造粒機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Process flow of SJSHL-Z300×25 pelletizer

加料系統(tǒng)將聚丙烯粉料與添加劑預(yù)混后，連續(xù)地加入到雙螺桿混煉擠壓造粒機(jī)第1段機(jī)筒（喂料機(jī)筒）上方的料斗中。氮氣以與物料流動相反的方向充入到料斗、管道及計量系統(tǒng)中，以防止聚合物在空氣中氧化。物料進(jìn)入雙螺桿混煉機(jī)中，在輸送段（第1節(jié)機(jī)筒）被擠壓和輸送；在塑化段（第3至第5節(jié)機(jī)筒）被剪切、混煉而熔融塑化；物料及各種添加劑在均化段（第6至第9節(jié)機(jī)筒）進(jìn)一步混合，分散，塑化后被輸送到擠出造粒系統(tǒng)。熔融物料首先進(jìn)入到節(jié)流閥，調(diào)節(jié)節(jié)流閥的調(diào)節(jié)板，可以改變物料的停留時間，從而調(diào)節(jié)物料的混煉效果。若開車時物料塑化沒有達(dá)到要求，或者后續(xù)設(shè)備出現(xiàn)異常時，將開車閥打到排料工位將物料排出。物料塑化良好時，將開車閥打到正常工作位，物料進(jìn)入到篩網(wǎng)過濾器，并定量供給篩網(wǎng)過濾器。經(jīng)過篩網(wǎng)過濾器時，物料中的雜質(zhì)被過濾。物料經(jīng)過機(jī)頭到達(dá)模板，從模板造粒帶上均勻分布的小孔流出，迅速被高速旋轉(zhuǎn)的切刀切成粒狀，同時被切粒機(jī)水室中的溫水迅速冷卻，然后輸送到離心干燥機(jī)進(jìn)行脫水和干燥。脫水和干燥后的粒子輸送到振動分篩機(jī)上，分篩機(jī)將合格的粒子與過小和過大的粒子分開，貯存于成品合格料倉。

1.3 測試與表征

MFR按GB/T 3682—2018測定。堆密度采用寧波瑞柯偉業(yè)儀器有限公司的FT-106型堆密度測定儀測定，粉料下落時間指100 g聚合物粉料從堆密度測試儀中完全落下的時間。熔點與熔融焓采用美國PE公司的DSC-7型差示掃描量熱儀測定，先將試樣以10 ℃/min的速率升至200 ℃，維持5 min，然后以10 ℃/min的速率降至50 ℃，再以10 ℃/min的速率升溫，記錄降溫和升溫過程中的熱量變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 主電機(jī)功率隨MFR的變化

擠壓造粒機(jī)主電機(jī)功率與MFR的相關(guān)性很高。聚丙烯粉料的MFR為2.8，60.0，90.0，150.0，220.0 g/10 min時，主電機(jī)功率分別為3 604，2 550，2 396，2 335，2 097 kW。從造粒機(jī)主電機(jī)功率變化數(shù)據(jù)看，主電機(jī)功率隨著聚丙烯MFR的提高而降低。從圖2可以看出：主電機(jī)功率與聚丙烯的MFR并非線性變化。聚丙烯MFR在60.0 g/10 min之前，主電機(jī)功率快速變化，60.0 g/10 min之后主電機(jī)功率變化趨于平緩。MFR從2.8 g/10 min提高60.0 g/10 min，主電機(jī)功率下降斜率為-18.4，MFR從60.0 g/10 min提高到150.0 g/10 min，主電機(jī)功率下降斜率為-2.3。前者雖然MFR變化小，但主電機(jī)功率下降速率遠(yuǎn)大于后者。電能主要消耗在樹脂熔融、克服樹脂分子內(nèi)摩擦阻力、樹脂流動的動能、樹脂熔體增加壓力、螺桿動能、機(jī)械摩擦等方面。不同MFR聚丙烯的動能、熔融焓以及設(shè)備機(jī)械摩擦等基本不變，但內(nèi)摩擦阻力和壓力變化較大，從而帶來主電機(jī)功率的變化。因此，MFR提高有利于造粒工段能耗降低。同時，即使MFR為220.0 g/10 min的聚丙烯，也不會引起造粒機(jī)主電機(jī)功率低聯(lián)鎖保護(hù)，主電機(jī)能夠平穩(wěn)運(yùn)行。

圖2 工業(yè)生產(chǎn)過程中的主電機(jī)功率變化曲線Fig.2 Power of main motor in process of production

2.2 輸送段溫度隨MFR的變化

從圖3可以看出：不同MFR聚丙烯的輸送段溫度基本一致，均為121 ℃。聚丙烯在輸送段基本處于粉料狀態(tài)，到末端略有熔化，對溫度影響有限。從表1可以看出：不同MFR聚丙烯粉料的堆密度和下落時間基本相同，無明顯變化，說明聚丙烯粉料的堆密度及流動性與MFR并無直接相關(guān)性。輸送段溫度不隨聚丙烯MFR變化而變化。因此，在高M(jìn)FR聚丙烯的造粒過程中，輸送段的溫度可不做調(diào)整。

表1 不同MFR聚丙烯粉料的堆密度和下落時間Tab.1 Bulk density and falling time of polypropylene powder with different MFR

圖3 輸送段溫度隨MFR的變化Fig.3 Temperature at conveying section as a function of MFR

2.3 剪切混煉段溫度隨MFR的變化

從圖4可以看出：隨著MFR的提高，剪切混煉段溫度逐漸下降，總變化幅度在13 ℃以內(nèi)。其中，MFR為2.8，60.0，90.0，150.0~220.0 g/10 min時，剪切混煉段溫度分別為233~239，231~236，233~235，226~231 ℃。從圖4還可以看出：MFR較低時，剪切混煉段溫度波動頻率快，溫度曲線波動范圍大而且密集，MFR較高時溫度波動頻率相對較小，溫度曲線變化較為平滑。這說明低MFR時內(nèi)部物料剪切混煉強(qiáng)度大，變化劇烈，而高M(jìn)FR時相對較弱。從表2可以看出：不同MFR聚丙烯的熔融焓較為接近，剪切混煉段混煉溫度差異主要是由于相對分子質(zhì)量不同所致。低MFR聚丙烯相對分子質(zhì)量大，在較低溫度時黏度大，適當(dāng)提高溫度，利于熔體黏度的降低和熔融樹脂在造粒機(jī)中的流動，從而保證造粒機(jī)的正常運(yùn)行。因此，造粒過程中，可根據(jù)MFR變化，針對性調(diào)整筒體冷卻水脈沖時間，控制筒體溫度，從而實現(xiàn)剪切混煉段平穩(wěn)。對于MFR為220.0 g/10 min的樹脂，調(diào)整脈沖時間，控制筒體溫度在225~230 ℃，造粒機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

表2 不同MFR聚丙烯的熔融溫度和熔融焓Tab.2 Melting temperature and enthalpy of polypropylene with different MFR

圖4 剪切混煉段溫度隨MFR的變化曲線Fig.4 Temperature at shear mixing section as a function of MFR

2.4 均化降壓段溫度隨MFR的變化

從圖5可以看出：隨著MFR的提高，均化降壓段溫度逐漸下降，總下降幅度為11 ℃。MFR為2.8，60.0~90.0，150.0~220.0 g/10 min時，均化降壓段溫度分別為245~249，239~242，238~241 ℃。MFR為60.0~220.0 g/10 min時，差距更小，在4 ℃以內(nèi)。此段物料全部充分混煉熔融，物料流動趨于平穩(wěn)，MFR對物料流動狀態(tài)的影響逐漸減弱。因此，當(dāng)MFR超過60.0 g/10 min后，均化降壓段溫度小幅下降即可保障造粒機(jī)的正常運(yùn)行。

圖5 均化降壓段溫度隨MFR的變化曲線Fig.5 Temperature at homogenization and depressurization section as a function of MFR

2.5 模板機(jī)頭壓力隨MFR的變化

從圖6可以看出：隨MFR增加，機(jī)頭壓力先快速下降后緩慢降低，波動降幅達(dá)到6.3 MPa。MFR為2.8，60.0~90.0，150.0~220.0 g/10 min時，機(jī)頭壓力分別為9.0~9.9，4.3~5.0，3.6~4.2 MPa。MFR為220.0 g/10 min的壓力參數(shù)與100.0~150.0 g/10 min的差異較小。造粒機(jī)機(jī)頭壓力高低，除與物性有關(guān)外，與造粒機(jī)模板性能關(guān)系密切。物料離開螺桿后，不再受到螺桿直接推送，而是靠后續(xù)物料不斷流入螺桿出口到模板之間的腔體，依靠熔體自身不斷擠壓向前流動。因此，機(jī)頭壓力波動，主要與進(jìn)入造粒機(jī)粉料量的穩(wěn)定性、螺桿漏流等有關(guān)。壓力較大波動，不利于高流動性樹脂生產(chǎn)，應(yīng)盡量減小波動。因此，對于超高M(jìn)FR聚丙烯的造粒，機(jī)頭壓力在3.6 MPa以上，不會發(fā)生模板切?？變瞿扒辛C(jī)墊刀、纏刀，能夠正常切粒。

圖6 機(jī)頭壓力隨MFR的變化曲線Fig.6 Die pressure as a function of MFR

2.6 不同MFR聚丙烯造粒負(fù)荷對機(jī)組運(yùn)行的影響

聚丙烯粉料MFR較低時，造粒機(jī)負(fù)荷可以達(dá)到22.0 t/h，高負(fù)荷平穩(wěn)運(yùn)行，機(jī)組工況良好，粒子形態(tài)良好。在超高流動時，容易引起過濾器壓差高，甚至觸發(fā)聯(lián)鎖停機(jī)［18-19］。在超高流動聚丙烯試生產(chǎn)過程中，負(fù)荷超過19.8 t/h時，造粒機(jī)發(fā)生過濾器壓差高高報警，聯(lián)鎖停機(jī)。拆卸的過濾器上有未熔融的聚丙烯粉料，這是造成過濾器堵塞，過濾器壓力高的主因。隨著MFR的增加，漏流現(xiàn)象加重，粒徑較小的聚丙烯粉料沿著螺桿與機(jī)筒間隙，被熔體夾帶到過濾器的概率增加。雖然筒體溫度在物料熔點以上，但熔體及聚丙烯粉料間的熱傳導(dǎo)效率相對較低，不足以在聚丙烯粉料被夾帶到過濾器之前而熔融，從而造成聚丙烯粉料積聚在過濾器上，引起堵塞。超高M(jìn)FR聚丙烯的熔體流動性好，機(jī)組漏流加??；低MFR聚丙烯熔體流動性差，機(jī)組漏流相對減弱。這可能是高M(jìn)FR聚丙烯造粒負(fù)荷需要保持在19.8 t/h以下運(yùn)行，而低MFR聚丙烯造粒負(fù)荷可以在22.0 t/h平穩(wěn)運(yùn)行的原因。因此，超高M(jìn)FR聚丙烯造粒負(fù)荷應(yīng)該保持在臨界負(fù)荷以下，不高于19.8 t/h運(yùn)行，并關(guān)注不熔融粉料對過濾器壓差的影響，通過調(diào)整節(jié)流閥開度，增強(qiáng)混煉可以作為補(bǔ)充措施。

3 結(jié)論

a）隨著聚丙烯MFR的增加，造粒機(jī)的溫度、壓力、功率并非與MFR成線性變化，而是達(dá)到一定程度后趨于平緩。合適的工藝參數(shù)可以確保造粒機(jī)具有較寬的MFR適應(yīng)范圍。

b）在國產(chǎn)無齒輪泵大型造粒機(jī)組上，將筒體溫度控制在225~230 ℃，機(jī)頭壓力控制在3.6 MPa以上，可實現(xiàn)采用氫調(diào)法制備的MFR為220.0 g/10 min的超高流動聚丙烯的穩(wěn)定造粒，其運(yùn)行參數(shù)與MFR為100.0~150.0 g/10 min的聚丙烯差異較小。

c）高M(jìn)FR聚丙烯造粒過程中，要保持造粒機(jī)負(fù)荷在臨界負(fù)荷以下運(yùn)行，要重點關(guān)注不熔融粉料對過濾器壓差變化的影響，防止過濾器堵塞。通過優(yōu)化調(diào)整節(jié)流閥開度，增強(qiáng)混煉，有助于造粒機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。