常用脫揮設(shè)備特點(diǎn)及應(yīng)用

李兵

【摘要】：本文主要介紹聚合物脫揮發(fā)分過(guò)程所使用的設(shè)備，在聚合物加工或者反應(yīng)的過(guò)程中脫除聚合物內(nèi)部的揮發(fā)分，對(duì)于加工和反應(yīng)非常重要。常用的脫揮設(shè)備主要有落條式脫揮器、盤環(huán)式脫揮器、雙螺桿擠出機(jī)脫揮器，各個(gè)脫揮器應(yīng)用工況有各自的優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】：脫揮;脫揮設(shè)備;落條式脫揮器;盤環(huán)式脫揮器;雙螺桿擠出機(jī)脫揮器

脫揮，即脫除揮發(fā)分，是一種從聚合物體系中脫除低分子量物質(zhì)的過(guò)程，而被脫除的低分子量物質(zhì)大多是系統(tǒng)內(nèi)未反應(yīng)的單體、水和低聚物或者副產(chǎn)物，一般統(tǒng)稱為揮發(fā)性有機(jī)物（VOC——volatile organic compounds）。在日常生產(chǎn)過(guò)程中脫除揮發(fā)分對(duì)于提高聚合物質(zhì)量非常重要，同時(shí)在下游應(yīng)用過(guò)程中符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的低揮發(fā)分材料更容易受到消費(fèi)者青睞。當(dāng)聚合物內(nèi)部揮發(fā)分過(guò)多時(shí)通常會(huì)造成材料性能的下降、容易脆化黃變、異味等，日常生活中汽車內(nèi)飾散發(fā)的異味、家具散發(fā)的異味等大部分是揮發(fā)性小分子物質(zhì)所致。食品醫(yī)藥領(lǐng)域更是有著嚴(yán)格管控標(biāo)準(zhǔn)，一些特殊領(lǐng)域的聚合物產(chǎn)品中特定VOC的含量更是被要求低于1mg/kg。如我國(guó)食品包裝用聚氯乙烯材料中單體含量必須低于1mg/kg[1];歐盟食品接觸級(jí)ABS塑料丙烯腈和丁二烯殘留量必須低于0.02mg/kg[2～3]。綜上，脫揮過(guò)程在整個(gè)聚合物加工過(guò)程及下游應(yīng)用至關(guān)重要。

聚合物脫揮過(guò)程是揮發(fā)分遷移的過(guò)程，一般遵循起泡脫揮原理。起初揮發(fā)分在聚合物熔體中以氣泡成核的形式在聚合物中析出形成氣泡，大量氣泡從聚合物內(nèi)部逐漸遷移至聚合物—蒸汽界面開(kāi)始擴(kuò)散。為了強(qiáng)化脫揮過(guò)程，盡快將聚合物系統(tǒng)內(nèi)的揮發(fā)分除去，一般采用專門的脫揮設(shè)備。脫揮設(shè)備大致可分為非旋轉(zhuǎn)式脫揮器和旋轉(zhuǎn)式脫揮器。非旋轉(zhuǎn)式脫揮器包括：落條式脫揮器、狹縫式脫揮器;旋轉(zhuǎn)式脫揮器包括：盤環(huán)式脫揮器、單螺桿擠出機(jī)脫揮器、同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)脫揮器、異向旋轉(zhuǎn)非嚙合雙螺桿擠出機(jī)脫揮器。本文只介紹落條式脫揮器、盤環(huán)式脫揮器、雙螺桿式脫揮器。日常生產(chǎn)中聚合物脫揮一般可分為三個(gè)階段，每個(gè)階段對(duì)于聚合物內(nèi)部的揮發(fā)分濃度的不同有著不同的處理方法，見(jiàn)下表1[4]：

一、常用的非旋轉(zhuǎn)式脫揮設(shè)備

落條式脫揮器

落條式脫揮器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和原理：落條式脫揮器一般是由預(yù)熱器、進(jìn)料泵、換熱器、出料泵、落條式換熱器本體組成。它的設(shè)計(jì)原理是在聚合物熔體狀態(tài)下，利用脫揮器處于低壓或真空狀態(tài)，其壓力低于聚合物中的揮發(fā)分的飽和蒸氣壓，進(jìn)而達(dá)到閃蒸目的。聚合物熔體通過(guò)前端工序加壓和預(yù)熱，通過(guò)輸送泵進(jìn)入脫揮器內(nèi)部，通過(guò)分配盤將熔體分配成線條狀物料進(jìn)入閃蒸階段，靠自身重力落入下部實(shí)際熔體液面，在下落過(guò)程中，聚合物料條內(nèi)部揮發(fā)分大量形成氣泡核、起泡、氣泡破裂釋放揮發(fā)分，然后從脫揮器頂部脫除。揮發(fā)分從頂部脫除后大部分以噴淋吸附的形式被回收，這也是降耗、環(huán)保的要求。

落條式脫揮器應(yīng)用方面非常廣泛，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷、運(yùn)行穩(wěn)定、便于維護(hù)、投資成本低。在物料粘度較低、流動(dòng)性較好的環(huán)境下表現(xiàn)出色。目前國(guó)內(nèi)引進(jìn)的苯乙烯本體聚合裝置，后處理全部采用落條式脫揮器。落條式脫揮器存在的缺陷是平均停留時(shí)間偏長(zhǎng)，流動(dòng)性較差，缺乏自清潔能力等，因此不適用于易結(jié)焦或交聯(lián)的聚合物脫揮[4]。

二、常用的旋轉(zhuǎn)式脫揮設(shè)備

1.盤環(huán)式脫揮器

盤環(huán)式脫揮器的結(jié)構(gòu)和原理：這種脫揮器為大型水平分段反應(yīng)器，外層筒體有導(dǎo)熱油加熱流道，內(nèi)層帶有攪拌，該設(shè)備能夠承受較高真空。聚合物從反應(yīng)器底部進(jìn)入，反應(yīng)器中的液位與產(chǎn)品的粘度相關(guān)，但最高液位一般不超過(guò)水平攪拌軸中線，建議100%液位控制在攪拌軸機(jī)封下邊沿，以確保物料不會(huì)進(jìn)入機(jī)封。通過(guò)控制反應(yīng)器的進(jìn)料速度和攪拌頻率來(lái)保持其液位。盤環(huán)式反應(yīng)器根據(jù)聚合物的粘度、揮發(fā)分含量等情況，可以設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)物料運(yùn)動(dòng)粘度較低且需要大量脫除未反應(yīng)的小分子物質(zhì)以使反應(yīng)向縮聚方向進(jìn)行時(shí)，多采用圓盤式單軸脫揮反應(yīng)器，圓盤上有圓形孔洞以保證物料的成膜性和通過(guò)性，如圖2所示，物料從進(jìn)料端向出料端流動(dòng)的過(guò)程中不斷被轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤帶起，實(shí)現(xiàn)在圓盤表面形成極薄的物料層，增大揮發(fā)分蒸發(fā)面積，圓盤在不斷的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)物料的表面更新。值得注意的是由進(jìn)料到出料方向上隨著物料粘度的增大圓盤間隙是逐漸增大的。當(dāng)物料粘度較高時(shí)，物料在圓盤上流動(dòng)性較差，單純靠自身重力流動(dòng)不能達(dá)到充分的表面更新，進(jìn)而不利于揮發(fā)分的脫除，此時(shí)多采用雙軸板框式自清潔脫揮反應(yīng)器，雙軸脫揮反應(yīng)器內(nèi)部的攪拌是異向的、向兩側(cè)翻轉(zhuǎn)的，這種攪拌形式可以強(qiáng)制將高粘物料撕開(kāi)，且將撕開(kāi)的物料表面最大限度的暴露在氣相環(huán)境中以達(dá)到最大脫揮的目的。

盤環(huán)式脫揮器的應(yīng)用方向：該類型的脫揮器多用于縮聚反應(yīng)的脫揮環(huán)境，也稱為盤環(huán)式縮聚反應(yīng)器。在生產(chǎn)聚酯、聚酰胺共聚物等樹(shù)脂時(shí)經(jīng)常使用盤環(huán)式反應(yīng)器作為連續(xù)生產(chǎn)裝置的后端縮聚環(huán)節(jié)，對(duì)于最終產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要，尤其在生產(chǎn)聚酯類、內(nèi)酰胺類聚合相關(guān)反應(yīng)過(guò)程中，由于未反應(yīng)的單體存在會(huì)對(duì)下游加工造成嚴(yán)重影響。目前國(guó)內(nèi)在尼龍共聚物生產(chǎn)方面逐漸推廣開(kāi)來(lái)。

2.雙螺桿擠出機(jī)脫揮器

雙螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)主要有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、機(jī)筒及管路、底座等。雙螺桿擠出機(jī)脫揮器在應(yīng)用上非常靈活，其內(nèi)部的螺桿組件可以根據(jù)混合、輸送、增壓、脫揮等需求任意組合，而且如果未到達(dá)處理要求的話，還可以增加至二階甚至三階螺桿，溫度控制精確、操作簡(jiǎn)單、脫揮效率高，尤其存在縮聚反應(yīng)條件下雙螺桿擠出機(jī)脫揮器更能夠發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。雙螺桿擠出機(jī)示意圖如下圖3[5]：

近年來(lái)螺桿擠出機(jī)得到了高速發(fā)展，種類繁多，在聚合物加工、輸送、造粒、成型過(guò)程中有著廣泛的應(yīng)用。常用的雙螺桿擠出機(jī)脫揮器有同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)和異向非嚙合雙螺桿擠出機(jī)，各有特點(diǎn)，具體見(jiàn)下表2：

總結(jié)

本文主要介紹了三類常用的脫揮器，落條式脫揮器常用于物料粘度較低、揮發(fā)分較多的工況條件，且落條式脫揮器處理能力大、操作簡(jiǎn)單、成本相對(duì)后兩者較低，在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中一般處于脫揮的前端工序。當(dāng)聚合物粘度較高、流動(dòng)性較差，落條式脫揮器無(wú)法處理時(shí)，盤環(huán)式脫揮器是很好的選擇，其優(yōu)點(diǎn)是處理能力大、脫揮效率高，在大型工業(yè)化聚酯生產(chǎn)中應(yīng)用非常成熟，其缺點(diǎn)是設(shè)備制作成本相對(duì)較高，目前以專有設(shè)備居多，國(guó)內(nèi)具備該類設(shè)備制作能力的有揚(yáng)州惠通和江蘇誠(chéng)盟等廠家。雙螺桿擠出機(jī)脫揮器的優(yōu)勢(shì)在于處理高粘度物料能力強(qiáng)，由于其積木式螺桿結(jié)構(gòu)可以靈活的實(shí)現(xiàn)混煉、輸送、增壓、脫揮等，甚至可以選擇加入其它輔料，深度脫揮能力強(qiáng)，一般在內(nèi)酰胺聚合過(guò)程中盤環(huán)式脫揮器滿負(fù)荷條件下殘余含單量在1%～2%左右，而經(jīng)過(guò)雙螺桿擠出機(jī)脫揮器處理后可達(dá)到0.6%以下。綜上，可以看出我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)中選擇脫揮器時(shí)主要根據(jù)聚合物本身性質(zhì)、揮發(fā)分組分和含量、生產(chǎn)負(fù)荷、是否有縮聚反應(yīng)、聚合物粘度、有無(wú)輔料加入等條件綜合考慮。

參考文獻(xiàn)：

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[2] The Commission of The European Communities. Amending Directive 2002 / 72 / EC relating to plastic materials and articles intended to come into contact with food and council Directive 85/572/EEC laying down the list of simulants to be used for testing migration of constituents of plastic materials and articles intended to come into contact with foodstuffs：2007/19/EC[S].

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