聚氯乙烯樹脂旋風(fēng)干燥器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

孫熊杰

（杭州電化集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311228）

1 懸浮法PVC樹脂干燥技術(shù)概況

聚氯乙烯（PVC）樹脂作為目前世界上產(chǎn)量最大的合成材料之一，具有性能優(yōu)良、價(jià)格低廉、容易加工等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、交通運(yùn)輸以及日常生活等各個(gè)領(lǐng)域。

作為聚氯乙烯樹脂中產(chǎn)量最大的一種，懸浮法PVC樹脂的干燥技術(shù)發(fā)展較快。在20世紀(jì)80年代以前，國內(nèi)一般采用雙氣流干燥器串聯(lián)干燥技術(shù)或氣流干燥器+沸騰床二段熱風(fēng)干燥技術(shù)，裝置生產(chǎn)能力低且能耗高。在20世紀(jì)80年代，引進(jìn)了日本70年代后期開發(fā)的內(nèi)熱式沸騰干燥床一段式熱風(fēng)干燥技術(shù)、該技術(shù)能耗低、生產(chǎn)能力大，但投資高、維修費(fèi)用高，干燥床內(nèi)易產(chǎn)生積料、樹脂型號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)清理不便、易產(chǎn)生雜質(zhì)粒子而影響樹脂質(zhì)量，該干燥技術(shù)主要應(yīng)用于大型PVC生產(chǎn)裝置。90年代后期引進(jìn)的丹麥尼魯公司的流化床干燥器也屬于一段式干燥技術(shù)。

20世紀(jì)80年代中期，德國Hoechst公司開發(fā)了新型旋風(fēng)干燥技術(shù)。20世紀(jì)90年代初，北京化工二廠自行開發(fā)了萬噸級(jí)的旋風(fēng)干燥技術(shù)，該技術(shù)具有投資低、流程簡(jiǎn)單、能耗較低、生產(chǎn)能力較大、易維修、操作彈性大等特點(diǎn)。

20世紀(jì)90年代，清華大學(xué)在旋風(fēng)干燥技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了組合式高效節(jié)能旋流干燥技術(shù)，該技術(shù)具有投資較低、能耗較低、生產(chǎn)能力較大、易維修、操作彈性較大等特點(diǎn)。但工藝流程和操作相對(duì)較復(fù)雜、操作不當(dāng)時(shí)易產(chǎn)生雜質(zhì)[1]。各種干燥技術(shù)的停留時(shí)間及蒸汽消耗情況見表1。

表1 各種干燥技術(shù)停留時(shí)間及蒸汽消耗情況表

目前，國內(nèi)主流的干燥技術(shù)主要是旋風(fēng)干燥技術(shù)和內(nèi)熱式流化床一段干燥技術(shù)，而旋流干燥技術(shù)因流程及操作較復(fù)雜，只有個(gè)別廠家采用。內(nèi)熱式流化床一段干燥技術(shù)盡管蒸汽消耗較低，但投資大，且樹脂牌號(hào)切換不方便，主要應(yīng)用于大中型PVC樹脂生產(chǎn)裝置。而旋風(fēng)干燥技術(shù)在樹脂牌號(hào)切換時(shí)較方便，主要適用于中小型PVC樹脂生產(chǎn)裝置，尤其適用于樹脂牌號(hào)較多的特種樹脂生產(chǎn)企業(yè)。

2 旋風(fēng)干燥技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 旋風(fēng)干燥基本原理

旋風(fēng)干燥器屬于中等停留時(shí)間干燥器 （簡(jiǎn)稱MST），其平均停留時(shí)間為15～30 min，介于短停留時(shí)間干燥器 （如氣流干燥器等）和長停留時(shí)間干燥器（如沸騰床等）之間。旋風(fēng)干燥器利用氣體旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的原理，在高速旋轉(zhuǎn)流動(dòng)中使熱氣體和PVC樹脂固體顆粒產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)PVC樹脂的干燥。

旋風(fēng)干燥器由1個(gè)垂直的圓柱形塔作為干燥器，其內(nèi)部用環(huán)形擋板（具有一定傾斜角度）分隔成若干個(gè)干燥室。旋風(fēng)干燥器示意圖見圖1。

圖1 旋風(fēng)干燥器示意圖

在干燥過程中，熱空氣和PVC樹脂濕固體從切線方向高速進(jìn)入旋風(fēng)干燥器底部的干燥室A內(nèi)。在離心力的作用下，干燥室A內(nèi)的PVC樹脂固體顆粒與熱空氣分離開來。PVC樹脂環(huán)狀粉料流在干燥室A內(nèi)旋轉(zhuǎn)，和熱空氣一起在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)中通過環(huán)形擋板的中心孔進(jìn)入上層干燥室B。同時(shí)，新的PVC樹脂粒子持續(xù)進(jìn)入底部的干燥室A。在氣-固流體旋轉(zhuǎn)向上流經(jīng)各干燥室（A～E）時(shí)，首先是最細(xì)的顆粒；最后是最粗的顆粒。通過擋板中心孔時(shí)，旋轉(zhuǎn)的PVC樹脂粉料受到離心力作用和固體粒子受干燥室壁壓力共同作用，PVC樹脂顆粒在該處停止旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，返回至錐形擋板的中心孔處，這樣，PVC樹脂顆粒部分返回至下層干燥室。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)的熱空氣氣流再次輸送這些PVC樹脂顆粒，因此，PVC樹脂逐步充滿每個(gè)干燥室。如此循環(huán)往復(fù)，攜帶著PVC樹脂粉料的熱空氣分別流經(jīng)A～D干燥室后，離開旋風(fēng)干燥器頂部的干燥室E，進(jìn)入氣固分離器進(jìn)行氣固分離，從而獲得合格水分含量的PVC樹脂粉料。

在旋風(fēng)干燥器內(nèi)，熱空氣和PVC樹脂固體顆粒因高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力而分離，利用自身的重力作用重新分散，熱空氣和PVC樹脂顆粒之間的運(yùn)動(dòng)速度出現(xiàn)較大差異，這樣，使樹脂顆粒表面充分干燥，同時(shí)，也因速度差而獲得了不同粒徑PVC樹脂顆粒分級(jí)的效果。此時(shí)的PVC樹脂的停留時(shí)間取決于樹脂的顆粒度，小粒徑的PVC樹脂顆粒在干燥器內(nèi)的停留時(shí)間較短，而顆粒較大者的停留時(shí)間較長。因此，在旋風(fēng)干燥器內(nèi)，各種粒徑的PVC顆粒均能獲得良好的干燥效果。

旋風(fēng)干燥器的熱量來源，一部分來自氣流干燥器附屬的空氣加熱器帶來的熱量；另一部分來自旋風(fēng)干燥器夾套熱水輻射提供的熱量[2]。當(dāng)所需熱量全部來自空氣加熱器時(shí)，旋風(fēng)干燥器可不設(shè)計(jì)夾套，或夾套僅作為設(shè)備外殼加強(qiáng)用，實(shí)際使用時(shí)，可不通入加熱水。

根據(jù)旋風(fēng)干燥器的工作原理，干燥室尺寸及其數(shù)量是該設(shè)備設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。

2.2 旋風(fēng)干燥工藝流程

旋風(fēng)干燥系統(tǒng)的工藝流程見圖2。

圖2 旋風(fēng)干燥系統(tǒng)

含固量為20%～25%的PVC樹脂漿料通過沉降式離心機(jī)離心脫水后，獲得含水量為20%～25%的濕料，并經(jīng)螺旋加料器送入氣流干燥器，與來自空氣加熱器的130℃左右的熱空氣混合。PVC樹脂濕料在氣流干燥器內(nèi)進(jìn)行閃蒸干燥，獲得含水量為5%左右的粉料。然后，進(jìn)入旋風(fēng)干燥器進(jìn)一步干燥，旋風(fēng)干燥器內(nèi)溫度為45～60℃，旋風(fēng)干燥器出口處的PVC樹脂含水量達(dá)到0.5%以下。干燥后的PVC樹脂經(jīng)旋風(fēng)分離器氣固分離，振動(dòng)篩分離粗顆粒后，進(jìn)入PVC成品中間槽，并通過PVC粉料輸送系統(tǒng)輸送至包裝裝置，稱量、包裝后入庫。旋風(fēng)干燥過程中的濕空氣經(jīng)旋風(fēng)分離器氣固分離后，由引風(fēng)機(jī)抽吸、排入大氣中。

3 旋風(fēng)干燥器的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

（1）物料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

PVC樹脂平均粒徑為150 μm，其中，粒徑≥250 μm所占比例≤0.1%，粒徑≤60 μm所占比例為≤3%；

濕料含水量為22%（濕基）；

成品PVC樹脂含水量為≤0.4%；

PVC樹脂堆積密度為520 kg/m3；

PVC樹脂真密度為1 400 kg/m3。

（2）設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

旋風(fēng)干燥技術(shù)的核心為旋風(fēng)干燥器的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)，部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，參考有關(guān)中試數(shù)據(jù)[2]。

在旋風(fēng)干燥器內(nèi)，熱空氣停留時(shí)間≥2.7 s；進(jìn)口速度≥16 m/s；固體最低負(fù)載速度（即粉料沸騰起始速度）≥0.6 m/s；粉料濃度≥50 kg/m3；擋板為4塊，將干燥室分隔為5個(gè)；擋板中心孔氣速≥7 m/s；干燥器內(nèi)氣速≥1.3 m/s。

（3）干燥裝置基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

PVC樹脂生產(chǎn)能力為10萬t/a=12.5（t/h）；

年運(yùn)行時(shí)間為8 000 h；

空氣年平均溫度為20℃；相對(duì)濕度為80%；飽和水蒸氣壓為2.338 8 kPa；密度為1.2 kg/m3；

空氣加熱器出口風(fēng)溫為130℃；

旋風(fēng)干燥器出口風(fēng)溫為45℃；

旋風(fēng)干燥器內(nèi)溫度為50℃；

旋風(fēng)干燥器內(nèi)壓力為微負(fù)壓；

進(jìn)入氣流干燥器的PVC樹脂濕料溫為40℃；

出旋風(fēng)干燥器的PVC樹脂干料溫為40℃；

空氣加熱器的加熱介質(zhì)為0.5 MPa（表壓）飽和水蒸氣：汽化熱為2 113.2 kJ/kg；此時(shí)飽和水溫度為152℃；

空氣加熱器出口的冷凝水經(jīng)利用后排出溫度為60℃；

水的 Cp=4.187 kJ/kg·℃。

3.2 干燥用鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過簡(jiǎn)化計(jì)算可以得到干燥用鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量數(shù)據(jù)。

因PVC樹脂濕料的含水量為22%，而成品PVC樹脂的含水量為0.4%，前者數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，故可將干燥后成品樹脂中的含水量忽略不計(jì)。

干燥過程所需除去的水量為 12.5×22%÷（1-22%）=3.5 t/h=（3 500 kg/h），根據(jù)進(jìn)風(fēng)溫度和干燥器出口風(fēng)溫，可查得空氣可帶走的水量為47.5 g/m3空氣，故所需風(fēng)量為 3500×1000÷47.5=73684（m3/h）。

風(fēng)機(jī)在額定風(fēng)壓下的效率取70%，鼓風(fēng)機(jī)附屬的空氣過濾器和換熱器的阻力取15%，實(shí)際風(fēng)量L。 =73 684÷[70%×（1-15%）]=123 839（m3/h）=28.4（m3/s）。

旋風(fēng)干燥器內(nèi)的操作壓力為微負(fù)壓，故在計(jì)算時(shí)，將干燥器內(nèi)壓力視作常壓；因旋風(fēng)干燥器內(nèi)的溫度與風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度存在差異，故旋風(fēng)干燥器內(nèi)的實(shí)際風(fēng)量需相應(yīng)調(diào)整，此時(shí)的干燥器內(nèi)風(fēng)量L2=L。×（T干燥器內(nèi)/T風(fēng)機(jī)進(jìn)口）=28.4×（273.15+50）÷（273.15+20）=31.3（m3/s）。

3.3 旋風(fēng)干燥器設(shè)備主要尺寸計(jì)算

（1）干燥器容積

熱空氣停留時(shí)間取2.7 s，則干燥器的容積V=31.3×2.7=84.5（m3）。

（2）干燥器直徑

干燥器內(nèi)的氣速取4.5 m/s，則干燥器直徑D=[L2/（0.785×u）]1/2=[31.3/（0.785×4.5）]1/2=2.97（m），故旋風(fēng)干燥器的直徑取3 000 mm。

（3）干燥器高度

H=V/（0.785D2）=84.5/（0.785×32）=12（m）。

（4）環(huán)形擋板中心孔徑

環(huán)形擋板的傾角取45°，其中心風(fēng)速取u=26 m/s，則環(huán)形擋板中的孔徑 d=[L2/（0.785×u）]1/2=[31.3/（0.785×26）]1/2=1.19（m），取 1.2 m。

（5）干燥室層高

旋風(fēng)干燥器內(nèi)的環(huán)形擋板數(shù)量取5層，將干燥器分隔為6個(gè)干燥室（包括干燥器底層進(jìn)料的干燥室），則每層干燥室的層高：H1=12÷6=2（m），高度取 2m。

（6）進(jìn)、出口管

進(jìn)出口管內(nèi)的風(fēng)速，一般可取旋風(fēng)干燥器中心孔內(nèi)風(fēng)速，但有時(shí)進(jìn)口風(fēng)速也可取與旋風(fēng)干燥器直接連接的氣流干燥器內(nèi)的氣速。

現(xiàn)取旋風(fēng)干燥器內(nèi)的中心孔速u=26 m/s，此時(shí)的進(jìn)出口管橫截面積與旋風(fēng)干燥器的中心孔徑相同，即為 A=0.785×1.22=1.13 m2。

為便于接管，旋風(fēng)干燥器的進(jìn)出口管一般為矩形管道，故尺寸可取 1.2 m×0.95（m）。

通過上述簡(jiǎn)要計(jì)算，獲得了旋風(fēng)干燥器設(shè)備的主要尺寸，其設(shè)備簡(jiǎn)圖見圖3。

圖3 旋風(fēng)干燥器主要尺寸圖

3.4 干燥器熱量簡(jiǎn)算

干燥系統(tǒng)中，采用0.5 MPa（表壓）的飽和水蒸氣作為加熱介質(zhì)，間接加熱通過空氣加熱器的空氣，而旋風(fēng)干燥器夾套內(nèi)不通入加熱水，故干燥系統(tǒng)的熱量全部來自空氣加熱器，只需對(duì)該設(shè)備進(jìn)行熱量計(jì)算。

PVC樹脂濕料和干料的溫度均為40℃，其Cp值均較接近（≈1.839 kJ/kg·℃）。因該物料進(jìn)出干燥系統(tǒng)所帶的熱量差異不大，故為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略PVC樹脂進(jìn)出干燥系統(tǒng)的熱量差。

進(jìn)空氣加熱器的冷空氣濕度

進(jìn)空氣加熱器的冷空氣焓I。=（1.01+1.88×0.011 7）×20+2 490×0.011 7=49.77（kJ/kg）。

出空氣加熱器的熱空氣溫度為130℃，濕度H1=H。 =0.011 7 kg水/kg絕干空氣。

出空氣加熱器的熱空氣焓I1=（1.01+1.88×0.0117）×130+2 490×0.011 7=163.29（kJ/kg）。

進(jìn)空氣加熱器的絕干空氣流量為L=L。/（1+H。）=123 839×1.2÷（1+0.011 7）=146 888（kg/h）。

冷空氣通過空氣加熱器獲得的熱量為Qp=L（I1-I。 ）=146 888×（163.29-49.77）=16 674 726（kJ/h）。

設(shè)干燥系統(tǒng)的熱量損失為5%，則Q=（1+5%）Qp=（1+5%）×16 674 726=17 508 462（kJ/h）。

蒸汽消耗量W=17 508 462/[2 113.2+4.187×（152-60）}=7 007.9（kg/h）。

干燥系統(tǒng)的蒸汽消耗為7 007.9÷12 500=0.561（kg/kgPVC 樹脂）。

3.5 旋風(fēng)干燥器設(shè)備制作的部分要求

（1）材料要求

凡是與PVC樹脂物料直接接觸部分，均需選用0Cr18Ni9不銹鋼，并要求對(duì)所用材料進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)和外表面保護(hù)。

（2）其他要求

設(shè)備筒體的對(duì)焊焊縫需進(jìn)行化學(xué)著色探傷。筒體內(nèi)表面焊縫需打磨光滑，不得殘留飛濺物，最大粗糙度為 10 μm[3]。

設(shè)備制造完畢，先按規(guī)定的試驗(yàn)壓力對(duì)內(nèi)筒進(jìn)行水壓試驗(yàn)，合格后再焊接夾套，而后可對(duì)夾套按規(guī)定要求進(jìn)行水壓試驗(yàn)，在夾套試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)筒至少保持0.1 MPa的壓力。

4 旋風(fēng)干燥器的應(yīng)用情況

4.1 生產(chǎn)能力

PVC旋風(fēng)干燥裝置建成后，進(jìn)行了SG-5型PVC樹脂的生產(chǎn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，旋風(fēng)干燥器的生產(chǎn)能力平均為109 275 t/a，達(dá)到了設(shè)計(jì)能力（10萬t/a）；且最大生產(chǎn)能力可以達(dá)到12.3萬t/a。產(chǎn)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 旋風(fēng)干燥裝置產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)表

4.2 成品含水量

經(jīng)旋風(fēng)干燥裝置處理后，樹脂的揮發(fā)物 （包括水）含量及雜質(zhì)粒子數(shù)等指標(biāo)見表3。

表3 PVC成品揮發(fā)物含量一覽表

從表3數(shù)據(jù)可見，在與干燥裝置有關(guān)的PVC樹脂質(zhì)量指標(biāo)中，揮發(fā)物（包括水）含量和雜質(zhì)粒子數(shù)全部合格，均達(dá)到了優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn)，干燥效果達(dá)到了工藝設(shè)計(jì)要求。

4.3 蒸汽消耗

經(jīng)測(cè)算，干燥系統(tǒng)的0.5 MPa（表壓）飽和水蒸氣消耗為0.575～0.585 kg/kgPVC，平均為0.579 kg/kg PVC，符合設(shè)計(jì)要求。

4.4 旋風(fēng)干燥床內(nèi)狀況

在干燥裝置試車過程中，通過旋風(fēng)干燥器筒體側(cè)壁的玻璃視鏡觀察，發(fā)現(xiàn)干燥器內(nèi)的物料呈高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，氣固運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較正常，符合設(shè)計(jì)要求。在試車完畢后，打開旋風(fēng)干燥器檢查，發(fā)現(xiàn)干燥器底部只有少量的粗粒子和塑化片殘留，且干燥器的內(nèi)壁并無明顯的粘壁物。

經(jīng)運(yùn)行觀察，干燥裝置在更換不同型號(hào)的PVC樹脂時(shí)，旋風(fēng)干燥器內(nèi)一般只在底部有三十公斤左右的積料，設(shè)備的清理時(shí)間較短，只需十五分鐘左右。這與傳統(tǒng)的沸騰干燥床200～300 kg的清床料需要兩三小時(shí)的清床時(shí)間相比，既減少了物料損失，又降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

5 結(jié)論

通過實(shí)踐驗(yàn)證，旋風(fēng)干燥裝置的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量及蒸汽消耗均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該裝置不僅能適應(yīng)通用型PVC樹脂的生產(chǎn)要求，也適用于特種PVC樹脂的生產(chǎn)。同時(shí)，10萬t/aPVC樹脂生產(chǎn)能力的旋風(fēng)干燥器的成功設(shè)計(jì)為今后更大型的PVC樹脂旋風(fēng)干燥器的工程設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

［1］吳 紅.聚氯乙烯樹脂干燥技術(shù)綜述.化工時(shí)刊，2001，（10），43-45.

［2］藍(lán)鳳祥.西德赫司特公司懸浮聚氯乙烯樹脂兩段氣流干燥系統(tǒng)新技術(shù).聚氯乙烯，1989，（6）37-44.

［3］羅哲明.MST旋風(fēng)干燥器.上?；?，1998，（20），24-26.