流化槳葉技術(shù)研發(fā)及其在苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物干燥中的應(yīng)用

彭遂平

（中石化巴陵石油化工有限公司， 湖南 岳陽 414014）

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）是以苯乙烯、丁二烯為單體原料、環(huán)己烷為溶劑，通過陰離子溶液聚合而成的嵌段共聚物， 是一種熱塑性彈性體橡膠[1-2]。 SBS 橡膠工業(yè)生產(chǎn)過程一般包括單體精制、聚合、凝聚及后處理4 個主要工序[3-9]。巴陵石油化工有限公司SBS 裝置后處理工序由擠壓脫水、膨脹干燥及后干燥3 個單元依次構(gòu)成。 其中，后干燥設(shè)備為2 臺或3 臺串聯(lián)的雙軸槳葉干燥機(jī)， 這些槳葉干燥機(jī)已經(jīng)使用多年， 現(xiàn)狀是故障多、能耗大、排放量大且沒有粉塵回收設(shè)計，已遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前生產(chǎn)的長周期運(yùn)行、 高效節(jié)能及環(huán)保無污染要求。為此，基于國內(nèi)的干燥技術(shù)研究理論與干燥設(shè)備改造經(jīng)驗［10-17］，結(jié)合SBS 生產(chǎn)裝置實際運(yùn)行情況，對SBS 后干燥技術(shù)進(jìn)行了比選，研發(fā)了流化槳葉干燥技術(shù)。

1 SBS 裝置在用槳葉干燥機(jī)概況

1.1 結(jié)構(gòu)與原理

在用槳葉干燥機(jī)是一種臥式低速干燥設(shè)備，由帶夾套的槽型殼體、上蓋、2 根帶槳葉的空心軸組成。工作時，帶變頻電機(jī)的減速器通過鏈傳動帶動主動軸，經(jīng)同步齒輪帶動從動軸做逆向旋轉(zhuǎn)，熱風(fēng)從殼體出料側(cè)上部空間進(jìn)入， 從殼體進(jìn)料側(cè)上部空間排出，經(jīng)旋風(fēng)分離器除塵。膠料進(jìn)入到槳葉干燥機(jī)后，在雙軸槳葉的攪動下向出料端推進(jìn)，同時被有熱介質(zhì)的夾套和空心軸及槳葉加熱， 膠料中的水分受熱蒸發(fā)，由上部熱風(fēng)帶出，達(dá)到干燥的目的，干燥后的膠料從出料口排出。

1.2 使用現(xiàn)狀

1.2.1 效率低

槳葉干燥機(jī)采用夾套加熱。 加熱介質(zhì)為蒸汽時，內(nèi)殼體變形嚴(yán)重，而且膠料易粘于殼體表面導(dǎo)致黃變。 改為熱水加熱后，內(nèi)殼體仍有變形。 棄用夾套改用熱風(fēng)直接加熱后， 熱風(fēng)從殼體上部氣相空間通過，只是帶走蒸發(fā)的水分，并未與膠料表面進(jìn)行充分接觸換熱，導(dǎo)致熱效率低，產(chǎn)能3 萬t/a的SBS 生產(chǎn)線需配備2～3 臺槳葉干燥機(jī)才能滿足使用要求。

1.2.2 故障多

槳葉干燥機(jī)使用過程中出現(xiàn)了多種故障，主要包括，①殼體變形大。 W 型殼體厚度較薄，帶有夾套，通入熱介質(zhì)后，內(nèi)殼體受熱變形較嚴(yán)重，與攪拌槳葉刮擦。②主軸彎曲變形，時間長后出現(xiàn)疲勞斷裂。 2 根主軸長且重，再加上槳葉的質(zhì)量，軸的設(shè)計剛度相對不足，運(yùn)行時主軸出現(xiàn)明顯彎曲，而且彎曲量逐步加大， 嚴(yán)重時導(dǎo)致了槳葉與殼體刮擦，有多個主軸發(fā)生過疲勞斷裂。③主軸與殼體密封處泄漏，粉塵進(jìn)入軸承造成故障。④開放式鏈傳動和同步齒輪設(shè)計，工況差，故障多。

1.2.3 環(huán)保壓力大

①槳葉干燥機(jī)采用微正壓設(shè)計，且蓋板未完全密封。粉塵在微正壓下從蓋板處和軸封處逸出，現(xiàn)場環(huán)境較差。②熱風(fēng)從干燥機(jī)排出后，經(jīng)旋風(fēng)分離器分離出大部分粉塵， 但旋風(fēng)分離器出來的風(fēng)仍有較高的粉塵濃度，不符合目前環(huán)保要求，需要治理。 ③設(shè)計的熱風(fēng)風(fēng)量大，無法直接排入大氣，需接入揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）系統(tǒng)治理，過大風(fēng)量對VOC 環(huán)保裝置的運(yùn)行壓力大。

2 流化槳葉干燥技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)

2.1 后干燥技術(shù)比選

目前國內(nèi)外合成橡膠行業(yè)后干燥主要采用的是以流化床、 長網(wǎng)干燥廂和槳葉干燥機(jī)等工藝設(shè)備為特征的干燥工藝技術(shù)， 這3 種后干燥工藝技術(shù)對比見表1。

表1 合成橡膠行業(yè)常用的3 種主要后干燥工藝技術(shù)對比

從表1 可以看出，流化床干燥工藝主要適用于粒料和粉料，就SBS 的物性來說沒有太大優(yōu)勢，目前以長網(wǎng)干燥廂和槳葉干燥為主。 長網(wǎng)干燥廂干燥工藝對于較高含水率的工況有較為明顯的處理優(yōu)勢，對于較低含水率的工況，尤其是粉料較多時并不很合適。 槳葉干燥更適合處理經(jīng)過擠壓脫水和膨脹干燥之后含水率較低、粉料較多的工況，如果槳葉干燥能夠做到提高傳熱效率， 解決運(yùn)行問題，減少外排量等，將會使后干燥技術(shù)水平上一個臺階。 最終確定了在槳葉干燥工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行SBS 流化槳葉干燥技術(shù)的研發(fā)。

2.2 研發(fā)思路

根據(jù)實驗室流化床干燥器和槳葉干燥機(jī)中試設(shè)備確定最佳參數(shù)，并對參數(shù)分析研究，然后通過理論計算和模擬分析， 確定適合本工藝參數(shù)的操作條件。

針對小試和模擬計算確定的工藝參數(shù)和設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)開發(fā)工業(yè)工藝及設(shè)備技術(shù)， 并完成工藝方案、工藝流程及設(shè)備設(shè)計，針對生產(chǎn)實際中出現(xiàn)的能效、運(yùn)行和環(huán)保等問題設(shè)計時進(jìn)行統(tǒng)一考慮，逐項改進(jìn)。

3 干燥機(jī)工藝試驗研究

3.1 總體試驗方案

分別采用槳葉干燥機(jī) （傳導(dǎo)換熱） 和流化床（對流換熱） 進(jìn)行SBS 濕物料的干燥工藝小試試驗， 考察傳導(dǎo)和對流方式對SBS 濕物料干燥的效果、 傳導(dǎo)和對流方式對SBS 物料干燥的傳熱系數(shù)等相關(guān)條件。

3.2 槳葉干燥機(jī)試驗

試驗用槳葉干燥機(jī)換熱面積為3 m2。 基于導(dǎo)熱油溫、進(jìn)料量、進(jìn)口濕含量這3 個變量，進(jìn)行保持其中2 個變量不變和調(diào)節(jié)第3 個變量的干燥操作，記錄12 組試驗出料濕含量，見表2。

表2 槳葉干燥機(jī)干燥試驗數(shù)據(jù)

結(jié)合試驗現(xiàn)象分析表2 的槳葉干燥機(jī)試驗數(shù)據(jù)可知，①隨著加料量的增加，出料濕含量逐漸增大。 當(dāng)加料量超過試驗設(shè)備設(shè)計處理量 （5 t/h）時，物料容易從設(shè)備葉片上面溢流過來，造成物料停留時間較短， 干燥效果急劇惡化。 ②處理量小時，熱源溫度變化對產(chǎn)品濕含量影響不大。處理量變大后， 熱源溫度為95 ℃條件下的干燥效果優(yōu)于熱源溫度為90 ℃條件下的。 ③槳葉干燥機(jī)側(cè)壁、軸端及底部存在一定的干燥死區(qū)。

3.3 流化床試驗

試驗用流化床的床層換熱面積為0.09 m2，床層容積為0.15 m3。 在熱風(fēng)量固定為450 m3/h 的條件下， 基于調(diào)節(jié)溢流板高度、 進(jìn)料量、 進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)料濕含量這4 個變量，進(jìn)行保持其中3 個變量不變和調(diào)節(jié)第4 個變量的干燥操作， 記錄出料濕含量，共得到5 組試驗結(jié)果，見表3。

結(jié)合試驗過程中觀察到的現(xiàn)象分析表3 的流化床干燥試驗數(shù)據(jù)可知，①溢流板的高度值越大，物料堆積高度值越大，物料越易于粘連團(tuán)聚。溢流板的高度降低后，物料流化效果較好。②物料粘連團(tuán)聚作用隨著熱源溫度的提高而變強(qiáng)， 容易造成涌流。 ③干燥后的物料含濕量隨著進(jìn)料量的增加而變大。

3.4 試驗小結(jié)

①槳葉干燥機(jī)和流化床均可以完成SBS 干燥過程。 ②槳葉干燥機(jī)處理量大，物料松散，需要采取措施對超設(shè)計量運(yùn)行和設(shè)備死角問題進(jìn)行預(yù)防，反算出的槳葉傳熱系數(shù)約35 W/（m2·K），本牌號產(chǎn)品 （熱塑性丁苯橡膠） 熱介質(zhì)溫度建議定為95 ℃。 ③流化床干燥處理量小，高溫高容易粘連團(tuán)聚，建議產(chǎn)品熱風(fēng)溫度不超過90 ℃。

4 SBS 流化槳葉干燥技術(shù)總體系統(tǒng)設(shè)計

4.1 總體功能設(shè)計

現(xiàn)有雙螺桿槳葉干燥機(jī)干燥能力差主要原因是傳熱面積小甚至棄用夾套加熱， 而熱風(fēng)僅起帶走濕氣作用，對流傳熱不足，熱效率不高。 流化床干燥是流態(tài)化技術(shù)和傳質(zhì)技術(shù)的結(jié)合， 在流化干燥中，物料與熱空氣充分接觸，邊界層薄，氣膜阻力小，傳熱、傳質(zhì)系數(shù)高。 SBS 橡膠流化槳葉干燥技術(shù)結(jié)合了雙螺桿槳葉干燥機(jī)和流化床技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，其設(shè)備系統(tǒng)（圖1）設(shè)計主要包括2 個部分，一是連接在一起的置于機(jī)架上的傳動系統(tǒng)， 二是設(shè)有物料進(jìn)口、物料出口、熱水進(jìn)口、熱水出口的帶夾套干燥筒體。 其中，干燥筒體的特征在于，①干燥筒體的兩端分別設(shè)有密封結(jié)構(gòu), 其內(nèi)設(shè)有帶槳葉的攪拌軸。 ②干燥筒體的側(cè)面設(shè)有數(shù)個圓形干燥氣體進(jìn)口, 每個干燥氣體進(jìn)口處設(shè)有分布板組件，分布板組件上設(shè)有數(shù)個蛇形孔。 SBS 橡膠流化槳葉干燥機(jī)工作時，將熱水通入夾套、空心軸及空心槳葉，設(shè)置熱風(fēng)從筒體側(cè)面下部吹入，穿過物料層，可以使物料處于一個相對流化蓬松的狀態(tài)，實現(xiàn)增大接觸換熱面積、 膠料表面蒸發(fā)更新速率快，進(jìn)而提高干燥效率的目的。

圖1 SBS 橡膠流化槳葉干燥機(jī)設(shè)備系統(tǒng)示圖

4.2 主要功能設(shè)計

4.2.1 傳導(dǎo)干燥

為了降低蒸汽加熱SBS 膠料的風(fēng)險， 確定采用熱水加熱。熱水加熱可有效降低膠料熱變形量。在結(jié)構(gòu)方面，除設(shè)置殼體夾套加熱外，還將主軸設(shè)計為空心軸， 其上槳葉采用空心楔形槳葉并通入熱水，相應(yīng)的傳熱面積可以增加2 倍以上，干燥能力顯著增強(qiáng)。 熱水還可以設(shè)計利用SBS 裝置多余的凝結(jié)水進(jìn)行循環(huán)使用，蒸汽總耗量很少。

4.2.2 流化干燥

流化干燥功能的結(jié)構(gòu)形式主要是蛇形孔氣流分布板。干燥系統(tǒng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，熱風(fēng)從槳葉干燥機(jī)側(cè)面下部多個設(shè)有蛇形孔氣流分布板的進(jìn)口進(jìn)入，穿過膠層，從槳葉干燥機(jī)上部出口排出，這樣有利于熱風(fēng)與膠料充分接觸換熱， 并迅速帶走膠料中蒸發(fā)出的水分，加快膠料表面更新速度，提高干燥效率。

4.2.3 載氣系統(tǒng)

通過開發(fā)載氣除塵及部分循環(huán)新工藝， 使外排尾氣粉塵含量達(dá)標(biāo)且排氣量極大減少，減少了后續(xù)VOC 治理量，節(jié)能環(huán)保。 流化槳葉干燥機(jī)出料端增加冷風(fēng)段，降低出口處物料溫度，有利于改善產(chǎn)品包裝條件。

5 SBS 流化槳葉干燥系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計

殼體帶有夾套，換熱面積約26 m2，考慮通入熱水帶來的熱脹冷縮影響，采用蜂窩結(jié)構(gòu)形式。為了使蜂窩夾套受熱后的變形可控， 按照GB/T 150.3—2011《壓力容器第3 部分：設(shè)計》中5.12條款進(jìn)行夾套的拉撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，見圖2。

圖2 流化槳葉干燥機(jī)殼體蜂窩夾套拉撐結(jié)構(gòu)示圖

5.2 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.2.1 設(shè)計考慮要素

按工藝設(shè)計的要求， 主軸的設(shè)計不僅需要考慮強(qiáng)度，還需要考慮換熱結(jié)構(gòu)設(shè)計。 此外，考慮到主軸長度較長，剛性也是設(shè)計的要素之一。主軸結(jié)構(gòu)選空心軸加空心槳葉形式， 可在保證強(qiáng)度的情況下盡量減少軸的自重， 空心軸和空心槳葉內(nèi)設(shè)計通入熱水，增加換熱面積約59 m2，顯著提高了干燥機(jī)換熱能力。

5.2.2 空心軸結(jié)構(gòu)

作為干燥機(jī)的核心部件， 空心軸結(jié)構(gòu)設(shè)計合理與否影響著干燥機(jī)干燥能力。 空心熱軸熱水進(jìn)量小、排水不暢都會降低干燥機(jī)處理量。設(shè)計的套管式熱軸結(jié)構(gòu)， 熱水上水通過外管進(jìn)入干燥機(jī)葉片內(nèi)部， 換熱后的熱水依靠轉(zhuǎn)動的熱軸進(jìn)入內(nèi)套管中經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭排出。 該結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是排水通暢，熱軸內(nèi)部積水少，熱水換熱效果好。 空心軸作為重要受力元件， 其結(jié)構(gòu)可靠性對于槳葉干燥機(jī)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要， 因此對空心軸自身結(jié)構(gòu)受力狀況的影響進(jìn)行了研究， 防止軸變形后與殼體發(fā)生剮蹭。 采用有限元建模分析方法進(jìn)行空心軸受力研究，研究分2 個步驟，①選用大直徑空心軸，適當(dāng)縮減軸的長度，保證強(qiáng)度的同時，減少自重， 增大抗彎截面模量， 有效提高空心軸剛性，增強(qiáng)運(yùn)行的可靠性。 ②進(jìn)行參數(shù)化建模，研究槳葉干燥機(jī)槳葉軸在壓力載荷、重力載荷、扭矩載荷作用下的應(yīng)力分布， 總結(jié)在各載荷作用下軸身結(jié)構(gòu)改變對應(yīng)力值的影響規(guī)律。 在重力載荷及扭矩作用下，軸徑及軸厚不宜過大也不宜過小，存在范圍最佳值。 軸的長度越長，應(yīng)力值越大。 研究過程中建立的空心軸網(wǎng)格模型見圖3。

圖3 流化槳葉干燥機(jī)空心軸有限元網(wǎng)格模型

5.2.3 空心槳葉結(jié)構(gòu)

主軸攪拌葉片是干燥器的主要傳熱壁面，采用楔形中空結(jié)構(gòu)，由5 塊薄板制成，分別是2 塊扇形斜面?zhèn)劝濉? 塊三角圓弧蓋板、1 塊三角形底的矩形后蓋板以及1 塊與矩形后蓋板相連的輔助葉。楔形空心葉片的2 塊扇形斜板的傾斜度相同，方向相反對稱于軸法線，見圖4。

圖4 流化槳葉干燥機(jī)主軸楔形空心葉片示圖

5.2.4 軸端密封結(jié)構(gòu)

針對填料密封易磨損漏粉情況， 采用了新的專利密封形式［18］，在常規(guī)的填料與密封氣反吹結(jié)合的組合密封基礎(chǔ)上，增加了迷宮密封盒緩沖倉，保證物料與填料不接觸，防止填料污染物料。采用陶瓷噴鍍軸套技術(shù)，減少了填料和軸承磨損，延長使用壽命，確保無粉塵泄漏，軸承無污染，延長運(yùn)行周期。

5.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計

原槳葉干燥機(jī)傳動系統(tǒng)主體設(shè)備為擺線輪減速機(jī)，操作時通過開式鏈傳動帶動主動軸，經(jīng)同步齒輪帶動從動軸， 雙軸作逆向旋轉(zhuǎn)推動物料向前輸送。干燥機(jī)運(yùn)行時，槳葉對膠料產(chǎn)生的沖擊經(jīng)主軸傳遞到傳動系統(tǒng)，開式鏈傳動會將沖擊放大，造成鏈條鏈輪損壞較多，同步齒輪磨損加劇、減速機(jī)故障增多等， 而且開式鏈的潤滑比較困難， 現(xiàn)場油污多，工況差。 新設(shè)計的傳動系統(tǒng)（圖5）取消了鏈傳動， 改由電機(jī)加硬齒面平行軸齒輪減速器與主動軸通過聯(lián)軸器直聯(lián)，再由同步齒輪帶動從動軸的方式，以改善運(yùn)行工況。

圖5 流化槳葉干燥機(jī)傳動系統(tǒng)示圖

5.4 傳動系統(tǒng)設(shè)計

①采用部分載氣循環(huán)，充分利用熱能，部分載氣進(jìn)入氣流輸送系統(tǒng)充當(dāng)輸送介質(zhì)， 部分載氣排放進(jìn)入VOC 治理系統(tǒng)。 ②干燥機(jī)排氣口通過布袋過濾除塵，然后再利用。流化槳葉干燥機(jī)增加除塵裝置，干燥尾氣在干燥機(jī)頂部匯集，經(jīng)過布袋除塵器分離出固體顆粒， 通過給料閥進(jìn)入流化槳葉干燥機(jī)， 部分尾氣由循環(huán)風(fēng)機(jī)增壓和加熱器升溫后循環(huán)加熱物料，部分尾氣進(jìn)入輸送風(fēng)機(jī)充當(dāng)載氣，在流化槳葉干燥機(jī)內(nèi)部形成微負(fù)壓， 解決了干燥機(jī)頂部蓋板泄漏粉塵、 熱風(fēng)直排大氣產(chǎn)生的粉塵污染問題。

6 應(yīng)用效果

投用流化槳葉干燥機(jī)后， 對SBS 橡膠流化槳葉干燥一體化裝置2020-03 運(yùn)行情況和SBS 橡膠產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計，見表4 和表5。 基于表5 的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算可知，2020-03-12 T 9：00～2020-03-19 T 9：00 累計生產(chǎn)SBS 橡膠702.8 t， 平均生產(chǎn)SBS 橡膠4.18 t/h，按年操作時間8 000 h 計算，預(yù)計年產(chǎn)量為33 440 t， 可以滿足裝置年產(chǎn)3 萬t SBS 橡膠的要求。 實際運(yùn)行情況和產(chǎn)量統(tǒng)計分布見表4 和表5。

表4 SBS 橡膠流化槳葉干燥一體化裝置2020-03運(yùn)行情況

表5 SBS 橡膠流化槳葉干燥一體化裝置2020-03 產(chǎn)量統(tǒng)計情況

7 結(jié)束語

SBS 流化槳葉干燥技術(shù)的研發(fā)， 使設(shè)備運(yùn)行可靠性得到顯著提升，實現(xiàn)了減量、達(dá)標(biāo)排放，改善了環(huán)境與工況。 SBS 流化槳葉干燥技術(shù)采用夾套和空心槳葉軸通熱水、 熱風(fēng)穿過料層等設(shè)計等使單臺干燥機(jī)效能大幅提升， 達(dá)到了用單臺干燥機(jī)取代原2 臺或3 臺串聯(lián)干燥機(jī)的效果， 綜合效率倍增。殼體夾套采用蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計，主軸采用大直徑空心軸，強(qiáng)度和剛性增大，使夾套和主軸變形可控，消除了運(yùn)行隱患，有效減少了設(shè)備故障。 全密閉設(shè)計、微負(fù)壓操作、外排氣循環(huán)利用和除塵處理，滿足環(huán)保要求，現(xiàn)場環(huán)境改善明顯。 SBS 流化槳葉干燥技術(shù)可以簡化流程， 降低裝置建設(shè)成本和操作運(yùn)營成本，解決了生產(chǎn)過程的難題，提高了SBS 工業(yè)化裝置經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平， 同時尾氣粉塵排放量降低，既環(huán)保又改善了工作環(huán)境，具有明顯的環(huán)保社會效益。 該技術(shù)目前已在新建SBS 裝置上取得了良好的應(yīng)用效果， 可在其它同類裝置的改造上進(jìn)行推廣應(yīng)用。