乙交酯干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

紀(jì)佳偉 竇 巖 令永功 海 剛 米 超

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司)

隨著碳中和與碳達(dá)峰概念的提出，我國對(duì)普通塑料的使用限制越來越高，禁塑令的下達(dá)讓傳統(tǒng)塑料的應(yīng)用條件越來越嚴(yán)格。 目前，大多數(shù)可降解塑料，無論是生物降解還是光降解，其每噸價(jià)格動(dòng)輒2萬～3萬元，非常不利于全民推廣，因此急需找到一種價(jià)格低廉、性能優(yōu)良的可降解塑料進(jìn)行替代。

聚乙醇酸（Polyglycolic Acid，PGA）也稱聚乙交酯，具有良好的生物降解性和較高的機(jī)械強(qiáng)度，是一種極具應(yīng)用潛力的合成高分子材料。 在乙二醇聯(lián)產(chǎn)工藝中， 由草酸二甲酯與氫氣反應(yīng)生成乙醇酸甲酯， 再由乙醇酸甲酯脫醇生成乙醇酸甲酯低聚物，解聚反應(yīng)后生成乙交酯，乙交酯再經(jīng)過開環(huán)聚合后便可得到高分子量的PGA。 在此生產(chǎn)過程中， 乙交酯的純度對(duì)PGA的分子量具有非常重要的影響，為此筆者設(shè)計(jì)了一種乙交酯干燥設(shè)備，通過對(duì)乙交酯進(jìn)行干燥提純， 為后續(xù)乙交酯的開環(huán)聚合創(chuàng)造條件，達(dá)到提高PGA產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的乙交酯干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 其上部為兩級(jí)料倉，料倉Ⅰ具有攪拌功能，可以防止?jié)窳铣练e粘結(jié)，料倉Ⅱ中保持合適的料位以保證真空系統(tǒng)的真空度；料倉Ⅱ下布置有螺旋進(jìn)料器（保證物料均勻進(jìn)料）和球閥（具有及時(shí)停止進(jìn)料的作用）， 用于將料倉和臥式雙軸干燥機(jī)進(jìn)料端相連。 物料進(jìn)入干燥機(jī)中依次經(jīng)過耙齒區(qū)和槳葉區(qū)進(jìn)行逐步干燥， 經(jīng)U形結(jié)構(gòu)保證足夠的停留時(shí)間后逐漸由排料板排出設(shè)備進(jìn)入緩沖罐； 干燥機(jī)上部布置4組布袋除塵器以達(dá)到清洗尾氣和回收溶劑的作用；緩沖罐通過行星卸料閥連接到出料倉，出料倉上端連接布袋過濾器用于過濾干燥后的物料粉塵。

圖1 乙交酯干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 臥式雙軸干燥機(jī)

臥式雙軸干燥機(jī)（圖2）主要由殼體、端蓋、夾套、傳動(dòng)鏈輪、攪拌軸和葉片組成。 干燥機(jī)的第一攪拌系統(tǒng)設(shè)于殼體內(nèi)的一側(cè)，包括進(jìn)料軸、進(jìn)料刮刀、槳葉和耙齒；進(jìn)料軸與殼體連接，槳葉和耙齒設(shè)于進(jìn)料軸上，進(jìn)料軸、槳葉和耙齒的內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，并填充有加熱介質(zhì)；進(jìn)料刮刀設(shè)于進(jìn)料軸的一端。 第二攪拌系統(tǒng)設(shè)于殼體內(nèi)的另一側(cè)，包括出料軸、出料刮刀、槳葉和耙齒；出料軸與殼體連接，槳葉和耙齒設(shè)于出料軸上，出料軸、槳葉和耙齒的內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，并填充有加熱介質(zhì)；出料刮刀設(shè)于出料軸的一端。

圖2 臥式雙軸干燥機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

在實(shí)際工作中，首先需要對(duì)臥式雙軸干燥機(jī)進(jìn)行抽真空操作。 進(jìn)料軸和出料軸開始攪拌后，物料從進(jìn)料口進(jìn)入，進(jìn)料刮刀可防止物料停留在殼體一端的端蓋上，同時(shí)在進(jìn)料軸前端耙齒的攪拌作用下，物料逐漸進(jìn)入槳葉區(qū)，槳葉上分布有方向性的非金屬刮板從而推動(dòng)物料前進(jìn)，物料在槳葉區(qū)進(jìn)行充分預(yù)熱，當(dāng)物料隨耙齒轉(zhuǎn)動(dòng)到進(jìn)料軸后端的耙齒時(shí)，在出料刮刀的作用下進(jìn)入出料軸側(cè)進(jìn)行二次干燥，并繼續(xù)隨著出料軸的轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)出料口，以此形成物料的U形行程。

1.2 料倉

料倉（圖3）主要由筒體、端蓋、攪拌槳、密封氣室和傳動(dòng)系統(tǒng)組成。 筒體底部為倒錐形，可防止?jié)窳隙逊e； 低速攪拌的槳葉可使排料速度穩(wěn)定，保證均勻出料。 底部密封氣室將動(dòng)密封轉(zhuǎn)換成靜密封，可極大地提高密封效果。 在實(shí)際工作中，濕料由上游設(shè)備進(jìn)入料倉內(nèi)并堆積到一定的料位，形成料封，以保證下游真空系統(tǒng)的真空度。

圖3 料倉結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 螺旋進(jìn)料器

螺旋進(jìn)料器（圖4）主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、端蓋、螺旋軸和筒體組成。 合理地均布螺旋葉片可以在保證物料出料速度穩(wěn)定的同時(shí)不會(huì)卡阻。 一對(duì)相向旋轉(zhuǎn)的螺旋軸可以充分地對(duì)物料進(jìn)行推動(dòng)。 非傳動(dòng)端壓蓋可將軸間動(dòng)密封轉(zhuǎn)變?yōu)殪o密封，提高密封效果。

圖4 螺旋進(jìn)料器結(jié)構(gòu)示意圖

2 工作原理

整套乙交酯干燥設(shè)備的工作原理為：來自上游的乙交酯通過上游設(shè)備進(jìn)入料倉，料倉設(shè)置刮料軸將物料均勻送入干燥機(jī)的給料裝置，物料經(jīng)過給料裝置后進(jìn)入真空連續(xù)干燥機(jī)內(nèi)，乙交酯在干燥機(jī)內(nèi)與通有熱水的葉片充分接觸干燥，使物料中的濕分被不斷被蒸發(fā)，完成干燥后的乙交酯從干燥機(jī)入口向出口方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)物料到達(dá)干燥機(jī)出口時(shí)成為溶劑含量小于2 000ppm （1ppm=0.001‰）的產(chǎn)品；產(chǎn)品從干燥機(jī)下料口進(jìn)入一級(jí)出料倉并通過一級(jí)旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)入二級(jí)出料倉，再經(jīng)二級(jí)出料倉的旋轉(zhuǎn)閥后進(jìn)入下游氣力輸送入口。干燥尾氣經(jīng)布袋除塵器凈化后通過一級(jí)真空泵組和文丘里洗滌器進(jìn)入尾氣處理系統(tǒng)，尾氣經(jīng)過文丘里和洗滌塔的二級(jí)洗滌后利用兩級(jí)換熱器對(duì)尾氣進(jìn)行二次冷卻，冷卻后的尾氣和少量溶劑通過真空泵排出，最后進(jìn)入后續(xù)處理系統(tǒng)。

3 單元設(shè)備

3.1 給料裝置

給料裝置主要由含刮板的料倉、料倉出口球閥、 含刮板的螺旋輸送機(jī)及其出口球閥等組成，其主要作用是控制調(diào)節(jié)干燥機(jī)入口乙交酯的給料量。

3.2 出料倉單元

出料倉單元由兩級(jí)料倉、行星卸料閥和球閥組成，其主要作用是存放干燥后的乙交酯。 每套干燥設(shè)備的物料出口設(shè)置兩個(gè)出料倉，控制料位形成料封后保證設(shè)備的連續(xù)使用。 為保證干燥機(jī)的負(fù)壓狀態(tài)，在料倉Ⅱ頂部進(jìn)行抽真空，使真空度為2 kPa。出料倉單元的兩臺(tái)料倉出口均設(shè)置一臺(tái)球閥，可切換使用保證料倉間斷進(jìn)出料。

3.3 尾氣處理單元

尾氣處理單元主要由布袋除塵器、真空泵組等組成， 其作用是回收干燥尾氣帶出的粉塵、凈化尾氣，同時(shí)回收溶劑。 從干燥機(jī)尾部排出的載氣、溶劑蒸氣和乙交酯粉塵被真空泵組抽吸到布袋除塵器內(nèi)進(jìn)行氣固分離。 凈化后的載氣、溶劑蒸氣經(jīng)真空泵組后被冷凝器冷凝，使溶劑蒸氣變?yōu)橐合啵Ｓ辔矚膺M(jìn)入系統(tǒng)回收單元。

3.4 干燥設(shè)備

干燥設(shè)備的主要作用是干燥乙交酯中的溶劑。 來自熱水供應(yīng)單元的40 ℃熱水由兩根熱軸和殼體夾套進(jìn)入干燥設(shè)備，通過間接換熱的方式加熱物料，從而使物料中的溶劑揮發(fā)。 經(jīng)過換熱后的熱水回到熱水罐中循環(huán)使用。

來自給料裝置的濕物料連續(xù)加入真空干燥機(jī)內(nèi)，熱源通過干燥機(jī)空心熱軸和夾套將熱量傳遞給物料，物料溫度升高，物料內(nèi)的溶劑受熱蒸發(fā)，使乙交酯干燥，在熱軸的帶動(dòng)下，濕物料與加熱面不斷更新，物料得到最大限度地混合、干燥，最終固體從干燥機(jī)側(cè)部排出，進(jìn)入出料倉單元。

3.5 熱水單元

熱水單元主要由熱水罐、水泵等組成，其作用是為干燥機(jī)供應(yīng)熱源。 來自公用工程的蒸汽通過調(diào)節(jié)閥門進(jìn)入熱水罐，加熱后變成熱水，熱水經(jīng)過水泵參與到干燥機(jī)的干燥過程中，換熱后回到熱水罐。 該單元根據(jù)熱水溫度調(diào)節(jié)閥門開度，使熱水溫度始終保持在40 ℃。

3.6 安全保護(hù)單元

在干燥過程中，控制干燥機(jī)在-500 Pa（入口壓力的負(fù)壓條件下運(yùn)行， 既可防止粉塵外漏，又可提高裝置運(yùn)行的安全性，適用于干燥危險(xiǎn)性或爆炸性的介質(zhì)。

在干燥過程中， 控制干燥機(jī)溫度保持在40 ℃，防止乙交酯超溫。 在干燥裝置正常運(yùn)行時(shí)，嚴(yán)禁對(duì)運(yùn)行設(shè)備尤其是布袋除塵器等設(shè)備進(jìn)行在線檢修，設(shè)備的人孔、觀察孔及設(shè)備可拆蓋等均不允許打開， 防止空氣進(jìn)入裝置從而引發(fā)閃爆事故。

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了一套乙交酯干燥設(shè)備，介紹了設(shè)備的工作原理，該設(shè)備具有處理量大、進(jìn)出料穩(wěn)定和干燥效果好的優(yōu)點(diǎn)。 經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量好，可為后續(xù)乙交酯的開環(huán)聚合創(chuàng)造條件。此外，該設(shè)備可應(yīng)用于PLA等多種可降解塑料的聚合前處理，應(yīng)用范圍廣泛，具有一定的市場推廣應(yīng)用價(jià)值。