纖維料PPH-Y35X開(kāi)發(fā)中的難點(diǎn)及對(duì)策

許文雷 , 張清波 , 李希迪 , 郭新?tīng)I(yíng)

(中國(guó)石化 洛陽(yáng)分公司 , 河南 洛陽(yáng) 471012)

0 前言

聚丙烯纖維料是以丙烯為原料制得的一種均聚聚丙烯。具有質(zhì)輕、柔軟、撥水、透氣、無(wú)毒、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、家庭服飾、汽車(chē)工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)行業(yè)。洛陽(yáng)石化自主開(kāi)發(fā)的纖維料PPH-Y35X,作為無(wú)紡布專(zhuān)用料,不含塑化劑、有機(jī)錫等物質(zhì),綠色環(huán)保,具有高取向、低灰分、高強(qiáng)度、可紡性佳等特點(diǎn)。

1 生產(chǎn)工藝選擇

聚丙烯纖維料生產(chǎn)工業(yè)上主要有氫調(diào)法和降解法兩種生產(chǎn)工藝。氫調(diào)法是在聚合過(guò)程中加入氫氣,以調(diào)節(jié)聚丙烯的相對(duì)分子質(zhì)量及其分布,從而生產(chǎn)較高熔融指數(shù)的聚丙烯產(chǎn)品。降解法是在較低熔融指數(shù)聚丙烯粉料的基礎(chǔ)上,通過(guò)加入液體或固體過(guò)氧化物,隨擠壓造粒機(jī)擠壓、熔融、混煉進(jìn)行聚丙烯降解,得到高熔融指數(shù)、窄相對(duì)分子質(zhì)量分布的產(chǎn)品。

降解法生產(chǎn)的纖維料比氫調(diào)法具有相對(duì)分子質(zhì)量分布窄、可紡性好、加工穩(wěn)定性好、耐熱穩(wěn)定型好等優(yōu)點(diǎn),且具有穩(wěn)定的市場(chǎng)需求和較好的差別化效益[1]。對(duì)生產(chǎn)裝置來(lái)說(shuō)降解法生產(chǎn)纖維料,產(chǎn)品轉(zhuǎn)換時(shí)間短,過(guò)渡料少。鑒于以上優(yōu)點(diǎn),洛陽(yáng)石化2#聚丙烯裝置決定采用降解法生產(chǎn)纖維料。

2 開(kāi)發(fā)過(guò)程

2.1 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

洛陽(yáng)石化2#聚丙烯裝置采用HR催化劑,在兩環(huán)管反應(yīng)器進(jìn)行對(duì)稱(chēng)加氫,生產(chǎn)熔融指數(shù)為3.0 g/(10 min)的聚丙烯粉料,粉料經(jīng)汽蒸干燥后與復(fù)配抗氧劑按照一定比例加入到造粒機(jī)混合器M802中混合。混合后加入到雙螺桿造粒機(jī),在造粒機(jī)筒體中連續(xù)注入液體過(guò)氧化物,經(jīng)混合、熔融、剪切、加壓,在造粒機(jī)筒體中熔融降解熔融指數(shù)為35 g/(10 min)的聚丙烯樹(shù)脂,由旋轉(zhuǎn)的24把切刀于水下切粒后,形成聚丙烯粒料。

2.2 開(kāi)發(fā)過(guò)程

2#聚丙烯裝置造粒機(jī)組為國(guó)產(chǎn)第一臺(tái)不帶齒輪泵的造粒機(jī)組,有高速檔及低速檔兩檔可進(jìn)行停機(jī)調(diào)整。2014 年首次進(jìn)行纖維料生產(chǎn),使用沈陽(yáng)金峰切刀、模板。造粒機(jī)各項(xiàng)參數(shù)調(diào)整如表1所示。

表1 首次生產(chǎn)纖維料造粒機(jī)參數(shù)

此次試生產(chǎn)纖維料50 t,連續(xù)3次采樣化驗(yàn)分析熔融指數(shù)均在(35±2)g/(10 min),且各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求,下游客戶(hù)試用反饋良好。隨后又進(jìn)行了多次放大生產(chǎn),但由于降解法生產(chǎn)纖維料的特性和使用國(guó)產(chǎn)不帶齒輪泵造粒機(jī)組生產(chǎn)尚屬首次,無(wú)經(jīng)驗(yàn)可參考,試生產(chǎn)期間多次出現(xiàn)纏刀、墊刀、斷刀等異?，F(xiàn)象,導(dǎo)致切粒水室多次“灌腸”,干燥器頻繁堵塞。切粒成型效果差,蛇皮粒、拖尾粒及細(xì)粉大量增多,后續(xù)造成料倉(cāng)輸送,淘洗系統(tǒng)頻繁堵塞,給裝置連續(xù)化生產(chǎn)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。

3 纖維料生產(chǎn)難點(diǎn)

氫調(diào)法產(chǎn)品在造粒過(guò)程中只是簡(jiǎn)單的物理熔融再造粒。降解法生產(chǎn)纖維料時(shí),造粒機(jī)同時(shí)發(fā)生快速降解反應(yīng),可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)氧化物與熔融的聚丙烯混合不均勻現(xiàn)象,降解程度不同,造粒機(jī)筒體內(nèi)的聚丙烯熔體熔融指數(shù)相差較大。因此筒體后段通過(guò)模板的熔融態(tài)聚丙烯的流動(dòng)性會(huì)不一致,導(dǎo)致造粒機(jī)切粒不穩(wěn)定,頻繁出現(xiàn)切粒機(jī)纏刀,造粒機(jī)停機(jī)。并且降解法生產(chǎn)的纖維料較加氫法生產(chǎn)的高融值產(chǎn)品熔體剪切黏度更低,更難進(jìn)行水下造粒。

3.1 過(guò)氧化物加入系統(tǒng)不穩(wěn)定

3.1.1助劑閥運(yùn)行不穩(wěn)定

助劑閥為過(guò)氧化物加入造粒機(jī)筒體的最后一道閥門(mén),原設(shè)計(jì)具有自動(dòng)啟閉功能,在通入過(guò)氧化物后,液體壓力給予閥桿向上的作用力,使得閥門(mén)打開(kāi),停止過(guò)氧化物加入后,在頂部彈簧的作用下,閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉。

在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn):①助劑閥前端易堵塞。多次在轉(zhuǎn)產(chǎn)纖維料過(guò)程中,助劑閥堵塞,拆解后發(fā)現(xiàn)閥門(mén)前端Φ3 mm×10 mm的介質(zhì)流道堵塞有熔融態(tài)聚丙烯樹(shù)脂。②閥門(mén)開(kāi)啟壓力不恒定,易出現(xiàn)開(kāi)啟瞬間壓力突降,過(guò)氧化物流量過(guò)大,造成粉料熔融指數(shù)迅速上升,切粒系統(tǒng)纏刀墊刀,機(jī)組停機(jī)。

3.1.2抽吸系統(tǒng)的影響

由于液體過(guò)氧化物具有易揮發(fā)的特性,在生產(chǎn)纖維料期間,抽吸系統(tǒng)的風(fēng)量會(huì)直接影響過(guò)氧化物的實(shí)際用量,使得過(guò)氧化物流量上下波動(dòng)較大,增加了降解反應(yīng)在造粒機(jī)筒體中的不確定性,不均勻不確定的反應(yīng)會(huì)嚴(yán)重降低造粒機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)性,容易造成機(jī)組墊刀、纏刀停機(jī)。

3.2 熔體壓力降低,切粒成型差,易墊刀

將聚丙烯樹(shù)脂在均化段的運(yùn)動(dòng)當(dāng)作黏性流體運(yùn)動(dòng),按照流體力學(xué)分析方法求得流量方程式如下:

Q=K×p1/μ

(1)

式中:Q,造粒機(jī)流量;K,常數(shù),與機(jī)頭的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān);p1,造粒機(jī)模前壓力;μ,物料黏度[2]。

從式(1)可知,在造粒機(jī)流量不變的情況下,當(dāng)聚丙烯樹(shù)脂熔融指數(shù)升高,即黏度下降后,模前壓力p1會(huì)下降。根據(jù)流體力學(xué)伯努利方程,得出:

(2)

式中,p2,切粒水室壓力(物料出模孔后壓力);ρ,物料密度;v1,造粒機(jī)模前物料流速;v2,物料出?？缀罅魉?K,常數(shù),物料在內(nèi)部流動(dòng)產(chǎn)生的阻力,與造粒機(jī)內(nèi)部構(gòu)造有關(guān)。

從式(2)可知,p2、ρ、v1、K恒定時(shí),當(dāng)壓力p1下降,則v2減小,表明物料出?？缀笏俣冉档?過(guò)低時(shí)物料出?？缀笙蛳铝鲃?dòng),導(dǎo)致切刀與模板配合切粒過(guò)程中切粒困難,極易墊刀。

3.3 切粒系統(tǒng)穩(wěn)定性差

降解法生產(chǎn)纖維料時(shí),造粒機(jī)內(nèi)同時(shí)也會(huì)發(fā)生快速降解反應(yīng),物料出模孔后,不可避免仍會(huì)進(jìn)行部分反應(yīng),柱狀聚丙烯樹(shù)脂在切粒水室快速膨脹,產(chǎn)生更大且不均勻的力作用于切刀上,通過(guò)切刀依次將力傳遞給切刀軸、聯(lián)軸器、切粒機(jī)電機(jī)。最終表現(xiàn)為切粒機(jī)電機(jī)水平、垂直、軸向發(fā)生較大的振動(dòng),嚴(yán)重影響電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行,觀察轉(zhuǎn)產(chǎn)過(guò)程中及之后的一星期內(nèi)切粒機(jī)電機(jī)振幅情況,遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值0.1 mm。

4 生產(chǎn)難點(diǎn)應(yīng)對(duì)措施

4.1 過(guò)氧化物加入系統(tǒng)優(yōu)化

4.1.1助劑閥改造及運(yùn)行優(yōu)化

助劑閥堵塞原因主要有:安裝助劑閥部位的機(jī)筒2區(qū)溫度設(shè)計(jì)為170 ℃,由于此溫度高于聚丙烯樹(shù)脂的熔化溫度,熔融態(tài)的樹(shù)脂進(jìn)入閥體很難被頂出,因此通過(guò)調(diào)整機(jī)筒2區(qū)溫度由原設(shè)定值170 ℃降低至130 ℃,從而避免熔融態(tài)聚丙烯在助劑閥處堆積。

助劑閥前端有一個(gè)Φ3 mm×10 mm流道,聚丙烯粉料極易在此處堆積,造成堵塞。通過(guò)改造將中間閥桿前端增加Φ2.8 mm×10 mm的錐段,確保閥門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下前端為平面,防止粉料進(jìn)入。同時(shí)將頂部彈簧去掉,改為手動(dòng)操作,既減少了彈簧工作的不確定性,同時(shí)在閥門(mén)堵塞時(shí)能夠上下手動(dòng)開(kāi)關(guān),進(jìn)行閥門(mén)的疏通。

4.1.2抽吸系統(tǒng)優(yōu)化

針對(duì)過(guò)氧化物易揮發(fā)的特性,經(jīng)過(guò)不斷地摸索調(diào)整,實(shí)際生產(chǎn)中,通過(guò)調(diào)小抽吸系統(tǒng)的風(fēng)量、減小在線(xiàn)混合器軸封氮?dú)膺M(jìn)氣量,可有效降低過(guò)氧化物的揮發(fā)。同時(shí),增加尾氣過(guò)濾器的排料操作,使得尾氣過(guò)濾器始終處于低料位,避免過(guò)濾器濾布堵塞造成系統(tǒng)憋壓。

4.2 提高造粒機(jī)內(nèi)物料熔體壓力

由式(1)和式(2)可知,隨著熔融指數(shù)的升高,模板前壓力下降,相應(yīng)的物料出模孔后速度下降,易造成切刀切粒困難,出現(xiàn)墊刀、纏刀等情況。因此生產(chǎn)高熔融數(shù)指纖維料期間,提高熔體壓力,特別是模板前壓力對(duì)粒料成型及切粒系統(tǒng)平穩(wěn)至關(guān)重要。根據(jù)理論及生產(chǎn)實(shí)際,提高模板前壓力:①降低造粒機(jī)筒體加熱溫度;②降低模板和換網(wǎng)器熱油加熱溫度;③提高機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷;④改變?cè)炝Ｄ０彘L(zhǎng)徑比設(shè)置,提高長(zhǎng)徑比,從模板設(shè)計(jì)之初提高物料模板前壓力。其他調(diào)整,如生產(chǎn)纖維料前可提前降低切粒水溫度,減少轉(zhuǎn)產(chǎn)后連粒料產(chǎn)生量;提高切刀轉(zhuǎn)速,降低切刀纏刀幾率,具體調(diào)整如表2所示。

表2 造粒機(jī)運(yùn)行調(diào)整參數(shù)

4.3 切粒系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性?xún)?yōu)化

洛陽(yáng)石化2#聚丙烯擠壓造粒機(jī)切粒機(jī)采用骨型齒聯(lián)軸器,自開(kāi)發(fā)纖維料以來(lái)頻繁出現(xiàn)切粒機(jī)電機(jī)振動(dòng)過(guò)大異常工況,為了消除電機(jī)振動(dòng),避免電機(jī)故障,運(yùn)行中只能在線(xiàn)調(diào)整切粒機(jī)小車(chē)升降螺母,以降低切粒機(jī)振動(dòng)。但屢次的調(diào)整,加大了切粒機(jī)聯(lián)軸器對(duì)中偏差,增加聯(lián)軸器異常受力,使得聯(lián)軸器使用壽命大幅縮短,嚴(yán)重影響機(jī)組長(zhǎng)周期運(yùn)行。

針對(duì)纖維料生產(chǎn)期間,切粒機(jī)振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題,更改聯(lián)軸器型式為萬(wàn)向節(jié)球籠式聯(lián)軸器,吸收補(bǔ)償切粒軸的振動(dòng),穩(wěn)定切粒機(jī)電機(jī)運(yùn)行工況。同時(shí),使用注膠切刀刀盤(pán),吸收部分?？壮隽喜痪鶆虍a(chǎn)生的不均勻受力,進(jìn)一步吸收機(jī)組產(chǎn)生的各方向受力,穩(wěn)定切粒系統(tǒng)工況。聯(lián)軸器型式及切刀刀盤(pán)型式改變后,纖維料轉(zhuǎn)產(chǎn)一周內(nèi),切粒機(jī)電機(jī)水平振幅數(shù)值,均在0.1 mm以下,運(yùn)行狀態(tài)正常,切粒系統(tǒng)運(yùn)行工況平穩(wěn)。

4.4 其他

降解法生產(chǎn)的纖維料較加氫法生產(chǎn)的高融值產(chǎn)品熔體剪切黏度更低,更難進(jìn)行水下造粒。因此降解法生產(chǎn)纖維料時(shí),對(duì)切刀和模板的配合要求更高,要求模板更加平整,切刀更加鋒利,切刀和模板需充分貼合,方能避免出現(xiàn)“墊刀”“纏刀”現(xiàn)象。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際,在生產(chǎn)前,首先要嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程,保證切刀與模板對(duì)中度。其次選用與模板匹配最佳的切刀,保證在使用期間磨損量合適,使切刀始終處于鋒利狀態(tài)。再者在更換完模板之初,需預(yù)留足夠的磨刀時(shí)間,保證刀與模板充分貼合。

5 結(jié)束語(yǔ)

纖維料開(kāi)發(fā)生產(chǎn)7年來(lái),為確保裝置長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行,2#聚丙烯技術(shù)人員積極開(kāi)展各項(xiàng)攻關(guān),解決了影響纖維料生產(chǎn)的一個(gè)又一個(gè)難題。創(chuàng)造了國(guó)產(chǎn)模板纖維料生產(chǎn)單次連續(xù)使用202天,國(guó)產(chǎn)造粒機(jī)不停機(jī)連續(xù)運(yùn)行82天,纖維料單月產(chǎn)量1.23萬(wàn)t,纖維料年度產(chǎn)量9.2萬(wàn)t等多項(xiàng)歷史記錄。解決了高熔融指數(shù)纖維料生產(chǎn)期間造粒機(jī)組難以連續(xù)長(zhǎng)周期的問(wèn)題,裝置新產(chǎn)品專(zhuān)用料比例提高至85%左右,下游客戶(hù)反響良好。