顆粒離心干燥機(jī)干燥機(jī)理及發(fā)展現(xiàn)狀

段世銘，曾新芳，陳 慶

(吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

顆粒離心干燥機(jī)又稱離心式顆粒干燥機(jī)，離心脫水機(jī)(centrifugal pellet dryer)，可以干燥顆粒狀的聚乙烯、聚丙烯、聚酯、廢舊塑料，橡膠和口香糖等，是石油、化工和食品加工等行業(yè)生產(chǎn)中的一項(xiàng)關(guān)鍵后處理設(shè)備，其功能是將含水顆粒進(jìn)行脫水干燥，典型例子如水下造粒系統(tǒng)中由擠出切粒后的顆粒進(jìn)行脫水干燥.與其它離心脫水干燥設(shè)備相比，顆粒離心干燥機(jī)具有設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、連續(xù)干燥、生產(chǎn)量大、干燥時(shí)間短、能耗低及操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[1].在其碩士論文《顆粒離心干燥機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)研究》[2]中相關(guān)研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上，并結(jié)合近十年的相關(guān)文獻(xiàn)，介紹了顆粒離心干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)演化過程、脫水干燥原理，及國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展.

1 水下造粒機(jī)組工藝流程

圖1所示為水下造粒機(jī)組的工藝流程，其包括擠出加工、水下造粒和顆粒干燥三部分.擠出加工包括擠出機(jī)、轉(zhuǎn)換閥和口模；水下切粒包括切刀、切粒室和循環(huán)水設(shè)備；顆粒干燥包括顆粒離心干燥機(jī)和鼓風(fēng)機(jī).

原料從擠出機(jī)的加料口進(jìn)入擠出機(jī)，在螺桿/機(jī)筒形成的螺槽中受到剪切、加熱而從固體熔融成高黏度熔體，并向口模方向推動(dòng)形成相當(dāng)?shù)膲毫?該壓力促進(jìn)熔體從機(jī)頭多孔口模擠出，擠出條在與機(jī)頭連結(jié)的切粒室內(nèi)馬上開始冷卻固化，并被切粒機(jī)的多把切刀切成粒子.然后循環(huán)水把顆粒從切粒室通過循環(huán)水管路帶到干燥機(jī)，在這里進(jìn)行脫水干燥后進(jìn)行收集[3].

由此可見，顆粒離心干燥機(jī)是水下造粒機(jī)組后處理設(shè)備中的一個(gè)重要組成部分.

實(shí)際上，國(guó)內(nèi)外對(duì)其的理論研究比較少，國(guó)內(nèi)對(duì)其基本原理和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則方面的研究并不充分，在顆粒特性(例如材質(zhì)，形狀，表面結(jié)構(gòu))對(duì)干燥效果，產(chǎn)量和噪聲的影響并沒有進(jìn)行定量研究，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)研究還局限于實(shí)驗(yàn)室級(jí)的小型設(shè)備，近幾年國(guó)內(nèi)雖然有相關(guān)方面的專利授權(quán)和標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，但國(guó)內(nèi)年產(chǎn)30萬噸以上的大型造粒機(jī)組所用顆粒離心干燥機(jī)基本還是以國(guó)外產(chǎn)品為主，因此，開展顆粒離心干燥機(jī)工作原理的研究對(duì)我國(guó)的顆粒離心干燥機(jī)的設(shè)計(jì)和研制尤其重要.

圖1 水下造粒機(jī)組簡(jiǎn)圖[4]

2 工作原理和特點(diǎn)

2.1 工作過程

這里以圖1和圖2所示美國(guó)Gala公司的顆粒離心干燥機(jī)說明其操作過程.擠出切粒后的顆粒和循環(huán)水通過輸送管道首先進(jìn)入干燥機(jī)一側(cè)的預(yù)脫水通道，大塊料被去除機(jī)除去(直接落下收集).隨后分散顆粒體隨水沿著預(yù)脫水通道向下面的傾斜網(wǎng)板流動(dòng)，在沖擊和重力的作用下，約95%的水從傾斜的篩網(wǎng)直接脫出.顆粒及其表面附著水落入離心干燥機(jī)底部，進(jìn)入離心干燥系統(tǒng).當(dāng)離心機(jī)底部粒料堆積到轉(zhuǎn)子下沿以上時(shí)，高出下沿的物料被高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子葉片邊緣刮起，并在其帶動(dòng)下沿葉片的螺旋線向上提升，同時(shí)在離心力作用下撞擊篩網(wǎng).在這種撞擊過程中顆粒表面失去一部分水分并被彈回到高一級(jí)的螺旋葉片，隨后不斷重復(fù)該過程，顆粒表面的水分逐步減少[1]，同時(shí)在鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流和顆粒內(nèi)部溫度的輔助下，達(dá)到干燥的要求.當(dāng)顆粒被提升到干燥機(jī)上部的出料管后被排出.

干燥過程中，顆粒表面的大部分水分沿著篩網(wǎng)表面落入干燥機(jī)底部，并從干燥機(jī)底部排出，小部分變?yōu)樾∫旱?，由鼓風(fēng)機(jī)吹進(jìn)的空氣或熱空氣反向帶出干燥機(jī)，并產(chǎn)生一個(gè)有限真空，阻止外界的濕空氣進(jìn)入機(jī)器、還可冷卻機(jī)器下部的設(shè)備.最終的產(chǎn)品濕度可控制在0.05%(LDPE)或0.85%(PA)以下.顆粒離開干燥機(jī)后，通過振動(dòng)篩將過大過細(xì)顆粒分離，合格品由氣力輸送進(jìn)入料倉.圖2所示的干燥機(jī)中各組分的運(yùn)動(dòng)過程，帶黑點(diǎn)的白色是顆粒的運(yùn)動(dòng)過程，無黑點(diǎn)深色是水分的運(yùn)動(dòng)過程，有黑點(diǎn)深色是空氣的運(yùn)動(dòng)過程[1].

圖2 Gala公司的顆粒離心干燥機(jī)的工作過程[4]

2.2 干燥原理

一般的離心機(jī)都是應(yīng)用離心力，使重度不同的固相和液相分離，以達(dá)到固相脫水的目的[5].顆粒離心干燥機(jī)也是應(yīng)用離心力的作用，但與一般離心機(jī)不同，它主要應(yīng)用顆粒在離心力場(chǎng)作用下甩到篩網(wǎng)上，在篩網(wǎng)和轉(zhuǎn)子間撞擊脫水，有的顆粒離心干燥機(jī)還加入了氣流干燥以增強(qiáng)干燥效果.干燥機(jī)中的顆粒和水的分離過程如圖3所示.顆粒在轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力場(chǎng)，沿著葉片作螺旋上升運(yùn)動(dòng)，并在轉(zhuǎn)子及篩網(wǎng)間作彈跳運(yùn)動(dòng)，這里的彈跳運(yùn)動(dòng)過程是主要脫水干燥過程.顆粒在離心力、摩擦力和支持力的作用下，沿葉片做螺旋上升運(yùn)動(dòng).當(dāng)顆粒遇到篩網(wǎng)后被彈回到葉片上，而顆粒上的水遇到篩網(wǎng)后不能被彈回，而是從篩網(wǎng)孔甩出，在筒體和篩網(wǎng)的環(huán)形通道里，由于重力作用，落入機(jī)器底部并被排出.

(a)pricinple

(b)experiment圖3 顆粒離心干燥機(jī)中的顆粒和水分離過程

3 發(fā)展歷程

國(guó)外顆粒離心干燥機(jī)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟，生產(chǎn)廠家也很多，有美國(guó)的Gala公司、Cater Day公司和The Conair Group公司，日本制鋼所等廠家，其中Gala公司的顆粒離心干燥機(jī)開發(fā)得較早，所以下面以Gala公司的干燥機(jī)為主介紹顆粒離心干燥機(jī)的研究及發(fā)展?fàn)顩r.

3.1 早期顆粒離心干燥機(jī)

在20世紀(jì)60年代，出現(xiàn)了顆粒離心干燥機(jī)最早的文獻(xiàn)，即美國(guó)專利US3458045[6].它發(fā)表于1969年，發(fā)明人為Gala公司的Vernon E等.當(dāng)時(shí)的顆粒離心干燥機(jī)和現(xiàn)在的主要差異是當(dāng)時(shí)的干燥機(jī)還沒有加入氣流干燥，而且體積小，產(chǎn)量小.所以60年代前的顆粒離心干燥機(jī)的干燥效果和生產(chǎn)能力都不是很高.之后，Gala公司相繼申請(qǐng)了專利US4218323[7]和US4447325[8].它們是對(duì)US3458045的補(bǔ)充，分別給出了動(dòng)力輪輻的改進(jìn)結(jié)構(gòu)和篩網(wǎng)的構(gòu)造結(jié)構(gòu)，以增加干燥機(jī)的產(chǎn)量.

圖4 美國(guó)Gala公司1969年制造的第一臺(tái)顆粒離心干燥機(jī)(依據(jù)專利US3458045，50年司慶回購并重新修補(bǔ))[4]

20世紀(jì)80年代，Gala公司相繼申請(qǐng)了專利US 4565015[9]，它提出了一種新型顆粒離心干燥機(jī).這一時(shí)期干燥機(jī)的特點(diǎn)是開始加進(jìn)了氣流干燥，但這時(shí)的氣流出口是在干燥機(jī)的上部，后來的氣流干燥基本是從干燥機(jī)中部出氣(如圖1和圖2所示).在專利US 4565015中，顆粒和水混合液從入口進(jìn)入，經(jīng)過撞擊脫水后進(jìn)入干燥機(jī)轉(zhuǎn)子，并在轉(zhuǎn)子的離心作用下提升和“彈跳”脫水，最后在干燥機(jī)上部經(jīng)過氣流干燥后到達(dá)出口.干燥機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示.鼓風(fēng)機(jī)的葉輪裝在轉(zhuǎn)子的上部，這樣就使電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)的葉輪以節(jié)省能量.

圖5 美國(guó)專利US4565015設(shè)備簡(jiǎn)圖

3.2 顆粒離心干燥機(jī)類型發(fā)展現(xiàn)狀

目前，顆粒離心干燥機(jī)的機(jī)型已經(jīng)基本完善，主要分為四類EASY ACCESS型、EASY CLEAN/LOW NOISE(ECLN)型、HIGH CAPACITY型和SELF-CLEANING，具體如下：

(1) EASY ACCESS

到了20世紀(jì)90年代，顆粒離心干燥機(jī)有了進(jìn)一步的發(fā)展.Gala又相繼申請(qǐng)了專利US4896435[10]、US5265347[11]、US5638606[12]和US6138375[13].專利US4896435提出了一種新型的可更換部件的顆粒離心干燥機(jī)，工作過程如圖1所示.專利US4896435之后又相繼提出了專利US5265347、US5638606和US 6138375，這三個(gè)專利都是對(duì)專利US4896435的補(bǔ)充.專利US5265347是基于降噪的考慮，給干燥機(jī)安上了可以阻擋噪聲的雙層門.專利US5638606提出了一種新型篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以降低堵孔概率.專利US6138375給篩網(wǎng)加了一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，從而使篩網(wǎng)不易變形，便于運(yùn)輸顆粒并增強(qiáng)了干燥效果.專利US4896435結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖參看圖6.這里的可更換部件是在干燥機(jī)工作時(shí)的易損部件，包括進(jìn)料斜道、底座支承部件、上部出料管，它們通過螺栓連接或焊接到主體上.其優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)這些部件發(fā)生破損時(shí)，避免了對(duì)機(jī)架或整機(jī)的更換，節(jié)省了修理費(fèi)用.

圖6 美國(guó)專利4896435設(shè)備簡(jiǎn)圖

(2) EASY CLEAN/LOW NOISE(ECLN)

21世紀(jì)以來，顆粒離心干燥機(jī)有了更加迅速的發(fā)展，在鞏固完善氣流干燥、簡(jiǎn)單維修和低噪聲等特點(diǎn)下，又開發(fā)了兩個(gè)系列的干燥機(jī)，實(shí)驗(yàn)室用干燥機(jī)和易清洗干燥機(jī).到目前為止，Gala相繼申請(qǐng)了美國(guó)專利US6237244B1[14]、US6807748 B2[15]、US7024794B1[16]和7171762B2[17].其中US6237244B1和US6807748B2在(4)SELF-CLEANING中介紹.

專利US7024794B1和US7171762B2提到了一種易清洗的低噪聲顆粒離心干燥機(jī)，這種干燥機(jī)內(nèi)部構(gòu)造和以往基本一樣，工作過程與專利US4896435的基本相同，主要的不同是在顆粒出口管內(nèi)裝上進(jìn)風(fēng)過濾器，使它們成為一體.這樣就可以封閉整個(gè)干燥機(jī)的上部，并避免污垢堆積.傳統(tǒng)的空氣過濾器安裝在干燥機(jī)的上部，并需要安裝通氣管道才能連接到內(nèi)部.現(xiàn)在不需要打開這個(gè)部分，例如在條件變化時(shí)，可以簡(jiǎn)單快速移除剩余顆粒.另外，在顆粒出口管內(nèi)裝上的進(jìn)風(fēng)過濾器可以產(chǎn)生最佳的逆向氣流，而且這個(gè)氣流比以前更緩和.其工作過程參看圖2.

專利US7024794B1考慮的是機(jī)器與人的和諧發(fā)展.它是在金屬構(gòu)架里加上了足夠厚的塑料板，這樣可減小由轉(zhuǎn)子和顆粒撞擊篩網(wǎng)所產(chǎn)生的噪聲(結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖參看圖7).專利US7171762B2則考慮的是干燥機(jī)的自清洗，它應(yīng)用高壓氣體和高壓液體完成對(duì)干燥機(jī)的清洗，這樣就可以減少更換物料粒時(shí)所帶來的污染.

圖7 US7024794B1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(3) HIGH CAPACITY

年產(chǎn)80萬噸的顆粒離心干燥機(jī)是Gala公司的領(lǐng)先產(chǎn)品，也是大型混煉擠壓造粒機(jī)組的配套后處理設(shè)備，圖8是產(chǎn)量為80萬噸/年的顆粒離心干燥機(jī).

圖8 高產(chǎn)量顆粒離心干燥機(jī)(80萬噸/年)[4]

(4) SELF-CLEANING

自清洗的大型干燥機(jī)，通過控制系統(tǒng)控制內(nèi)部的高壓水槍和氣槍實(shí)現(xiàn)自清洗，清洗后滿足變換顆粒顏色的需要，外形參看圖9.

專利US6237244B1和6807748B2提到了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室用的小型顆粒干燥機(jī).這種小型的顆粒離心干燥機(jī)，可以在低轉(zhuǎn)速下操作，而且很易清洗、適合在小型生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室中使用.專利US6807748B2另外還提到當(dāng)它按模型比例縮放建造，可以進(jìn)行系列化生產(chǎn)，同樣的模型可以通過放大和縮小來建造以適應(yīng)不同的商業(yè)需求，其干燥室、篩網(wǎng)和轉(zhuǎn)子參看圖10.

圖9 自清洗型顆粒離心干燥機(jī)[4]

圖10 美國(guó)專利US6237244B1的小型干燥機(jī)[4]

3.3 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

我國(guó)顆粒離心干燥機(jī)研制工作已經(jīng)開展將近20年，研究成果比較顯著，但是和國(guó)外產(chǎn)品仍有一定差距，下面主要三家單位顆粒離心干燥機(jī)的研究和發(fā)展情況.

(1) 蘭州德瑞干燥技術(shù)有限公司

2003年我國(guó)蘭州德瑞干燥技術(shù)有限公司申請(qǐng)了專利CN03262639.8[18]，該裝置應(yīng)用于聚丙烯、聚乙稀等樹脂水下切粒后脫水干燥，填補(bǔ)了我國(guó)在這一領(lǐng)域的空白.該單位的控股單位天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院還在2012年主持編制了標(biāo)準(zhǔn)—《顆粒離心干燥機(jī)》(HG/T 4272-2011)[19]，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了顆粒離心干燥機(jī)的型式與命名、基本參數(shù)、要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則及標(biāo)志、包裝、貯運(yùn).

雖然該公司有一定的技術(shù)創(chuàng)新，但是并沒有給出詳盡的顆粒離心干燥理論和設(shè)計(jì)依據(jù).

(2) 北京化工大學(xué)

2007年，北京化工大學(xué)開始進(jìn)行大型聚丙烯混煉造粒機(jī)組的一個(gè)子課題—大型顆粒離心干燥機(jī)的研制工作，期間在南京杰亞擠出裝備有限公司的幫助下，完成了可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)的建立，應(yīng)用可視化實(shí)驗(yàn)技術(shù)和定量測(cè)試方法，開展了顆粒干燥度、產(chǎn)量、顆粒運(yùn)動(dòng)、干燥機(jī)理、停留時(shí)間、所需功率和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的探索研究[2]，并得到了相關(guān)結(jié)論，同時(shí)得到授權(quán)專利《分段式轉(zhuǎn)子顆粒離心干燥機(jī)》[20].

雖然北京化工大學(xué)做了一些研究，但其對(duì)顆粒離心干燥機(jī)的基本原理和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則方面的研究并不充分，在顆粒特性(例如材質(zhì)，形狀，表面結(jié)構(gòu))對(duì)干燥效果，產(chǎn)量和噪聲的影響并沒有進(jìn)行定量研究，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)研究還局限于實(shí)驗(yàn)室級(jí)的小型設(shè)備.

(3) 南京鉆意機(jī)械制造有限公司

南京鉆意機(jī)械制造有限公司在2017和2018年先后得到授權(quán)6個(gè)專利(4個(gè)外觀設(shè)計(jì)和2個(gè)實(shí)用新型)[21-26]，但該公司的設(shè)備還局限于小型設(shè)備.

總體上，在國(guó)內(nèi)，顆粒離心干燥機(jī)的發(fā)展相對(duì)比較緩慢，理論研究還不成熟，設(shè)備還是以小型為主，還沒有發(fā)展出80萬噸/年的高效率大型離心干燥機(jī).在化工大型造粒機(jī)組中，基本還是采購國(guó)外產(chǎn)品.

4 結(jié) 論

前述顆粒離心干燥機(jī)經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展，在化工大型造粒機(jī)組等工程中得到廣泛應(yīng)用，效率很好.目前市場(chǎng)產(chǎn)品為GALA公司為主，國(guó)內(nèi)技術(shù)裝備較為落后，急需開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效率高產(chǎn)量的顆粒離心干燥機(jī).國(guó)內(nèi)外在其基本原理和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則方面理論研究還不充分，為此需要繼續(xù)開展相關(guān)基礎(chǔ)研究，如分析顆粒特性(例如材質(zhì)，形狀，表面結(jié)構(gòu))對(duì)干燥效果，產(chǎn)量和噪聲的影，分析大型設(shè)備產(chǎn)量和干燥程度這兩個(gè)相互制約的指標(biāo)與各結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的關(guān)系，從而開發(fā)高產(chǎn)量高效率的設(shè)備.