崔正堂

（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南 東方572600）

3000t／a CO2降解塑料項目干燥系統(tǒng)設(shè)備選型及結(jié)構(gòu)剖析

崔正堂

（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南 東方572600）

概略介紹了PPC干燥系統(tǒng)工藝，從物料衡算、熱量衡算的角度詳細(xì)介紹了本系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的選型，同時從設(shè)備組成、原理、材質(zhì)等方面重點(diǎn)解析了本系統(tǒng)核心設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為相似物料特征的干燥系統(tǒng)設(shè)備選型提供了有益參考。

干燥機(jī)、設(shè)備選型、設(shè)備結(jié)構(gòu)、工藝

二氧化碳可降解塑料項目是一工業(yè)試驗性項目，整個裝置的設(shè)計在一定程度上沒有成功經(jīng)驗可循，為此，給裝置內(nèi)設(shè)備的選型、選材帶來一定的難度。本項目的產(chǎn)品化學(xué)名為聚碳酸亞丙脂（簡稱PPC），俗稱可降解塑料。現(xiàn)結(jié)合目前我國首套年產(chǎn)3000t降解塑料項目情況就裝置PPC產(chǎn)品干燥系統(tǒng)的設(shè)備選型、選材及關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)原理做一重點(diǎn)剖析。

1 PPC產(chǎn)品干燥系統(tǒng)工藝概述

來自上游工段的濕物料PPC經(jīng)過進(jìn)出料鎖氣、干燥、過濾及再生、真空和冷凝回收等5個單元后產(chǎn)出合格物料送后續(xù)工序。整個PPC產(chǎn)品干燥系統(tǒng)由真空槳式干燥機(jī)、二級真空盤式干燥機(jī)、甲醇蒸氣過濾器、鎖氣器、液環(huán)真空泵、放空冷凝器、氣液分離器、回收甲醇儲罐和回收甲醇泵等組成。工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 PPC產(chǎn)品干燥系統(tǒng)工藝流程簡圖

1．1 真空漿葉干燥單元

來自上游工段的濕物料先后通過鎖氣器（X-261、X-262）連續(xù)加入到一級真空槳式干燥機(jī)（DH-261）中，熱源通過真空槳式干燥機(jī)空心的熱軸、葉片和夾套將熱量傳遞給物料。在熱軸的帶動下，設(shè)置在圓形加熱盤上的抄板將物料抄起，抄板具有一定的傾角，可將物料在翻炒的同時向出料口輸送。揮發(fā)分受熱揮發(fā)形成蒸氣，在真空系統(tǒng)的抽吸下蒸氣經(jīng)甲醇蒸氣過濾器（F-261A／B）過濾后，氣相部分被液環(huán)真空泵（VP-265）抽出干燥系統(tǒng)進(jìn)入分離、冷凝單元。

1．2 真空盤式干燥單元

經(jīng)一級真空槳式干燥機(jī)（DH-261）干燥后，物料中大多數(shù)揮發(fā)分受熱蒸發(fā)，然后物料進(jìn)入二級真空盤式干燥機(jī)（DR-265）除去殘存的揮發(fā)分。物料先落在最上面的通有熱源的中空的加熱盤上，大盤外緣凸起，中間設(shè)有落料口，通過轉(zhuǎn)軸的帶動，耙臂上固定著的耙齒將物料耙開、耙散，物料沿反螺旋線形成軸心運(yùn)動，通過落料口耙離盤面落入下一加熱盤內(nèi)緣。小盤內(nèi)緣凸起，耙葉與大盤耙葉耙動方向相反，在耙葉的作用下盤上形成一層料膜，隨著上層大盤落料的增加盤上均勻耙開的料膜面積越大，盤面邊緣的物料最終被邊緣的耙葉耙離盤面，依靠重力作用落入第二加熱盤外緣。如此反復(fù)，最后干燥完的產(chǎn)品落入底盤，通過匯料耙將物料匯聚到出料口處，通過鎖氣器（X－263）、鎖氣器（X－264）離開干燥系統(tǒng)。

1．3 減壓冷凝單元

一級與二級干燥蒸發(fā)的濕分尾氣混合、過濾后被真空泵（VP-265）抽出，再經(jīng)氣水分離器（D-265）分離后氣體進(jìn)入后續(xù)放空冷凝器（E-262），冷凝后經(jīng)氣液分離器（S-262）分離后進(jìn)入后續(xù)處理工段。氣水分離器（D-265）分離的液體經(jīng)冷卻器（E-265）冷卻后作為真空泵（VP-265）工作液體循環(huán)使用。

2 設(shè)備選型

本干燥系統(tǒng)內(nèi)共有設(shè)備16臺，傳動設(shè)備9臺、靜設(shè)備7臺，其中關(guān)鍵設(shè)備真空槳式干燥機(jī)（DH-261）、真空盤式干燥機(jī)（DR-265）和液環(huán)真空泵的工藝選型計算過程解析如下。

2．1 計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

（1）PPC參數(shù)：堆積密度 ρt：640kg·m－3，真空密度 ρs：1200 kg·m－3，比熱（cs）：1．26kJ·（kg·℃）－1。

（2）環(huán)氧丙烷參數(shù)：比熱（cs）：2．1 kJ·（kg·℃）－1，蒸發(fā)潛熱（H2evp）：465．34kJ·kg－1。

（3）操作條件：真空度：－0．06MPa，熱介質(zhì)：水，比熱（cs）：4．19 kJ·（kg·℃）－1，密度 ρ：1000 kg·m－3，入口溫度T1：60℃，出口溫度T2：59℃。

（4）設(shè)計參數(shù)：真空度：－0．08MPa，熱介質(zhì)：水，入口溫度T1：60℃，出口溫度T2：59℃。

2．2 真空槳式干燥機(jī)選型

2．2．1 設(shè)計條件

（1）進(jìn)口參數(shù)：處理量G：420kg·h－1干基，溫度t1：10℃，濕含量：甲醇w136%，環(huán)氧丙烷w24%。

（2）出口參數(shù)：經(jīng)設(shè)備專利商多次實驗后設(shè)定真空槳葉干燥機(jī)出料口溫度（t2）約45℃；設(shè)定經(jīng)過一級干燥后物料中殘存的揮發(fā)分完全為甲醇。即：溫度t2為45℃，濕含量甲醇w3為15%。

2．2．2 物料衡算

入口絕干物料量：Gs＝G×（1－w1－w2）＝420．00 kg·h－1

入口甲醇含量：W1＝G×w1＝252．00 kg·h－1

環(huán)氧丙烷：W2＝G×w2＝28．00 kg·h－1

出口甲醇含量：W3＝GS×X3＝74．12 kg·h－1

式中：X3＝w3／（1－w3－w4）＝17．65%

同理：環(huán)氧丙烷：W4＝Gs×X4＝0 kg·h－1

則： 出口料量：G2＝GS＋W3＋W4＝494．12 kg·h－1

2．2．3 熱量衡算

蒸發(fā)甲醇所需熱量：q1＝（W1－W3）H1evp＝200918．69 kg·h－1

蒸 發(fā) 環(huán) 氧 丙 烷 所 需 熱 量 ：q2＝（W2－W4）H2evp＝13029．56 kg·h－1

加熱物料所需熱量：q3＝（GScS＋W1c1＋W2c2）（t2－t1）＝32298．93 kg·h－1

熱量損失：q4＝（q1＋q2＋q3）φ＝24624．72 kg·h－1（φ 取0．1）

總熱量：q＝q1＋q2＋q3＋q4＝270871．90

循環(huán)熱水用量：L＝q／［c3（T1－T2）］＝64697 kg·h－1體積流量：LV＝L／ρ＝64．70 m3·h－1

2．2．4 設(shè)備選型

?。害粒?00W·（m2K）－1， 根據(jù)雙軸攪拌干燥機(jī)換熱面積計算公式：

A＝kQ／ΔTlnα

式中：ΔT＝［（T1－t1）－（T2－t2）］／ln［（T1－t1） ／（T2－t2）］＝28．28℃

則：A＝kQ／ΔTlnα＝26．6m2

故選擇瑞德ZJG－35型。

2．3 真空盤式干燥機(jī)

2．3．1 設(shè)計條件

（1）進(jìn)口參數(shù)：處理量G：494．12 kg·h－1濕基，溫度t1：40℃（考慮落料空氣冷卻，取比一級干燥出料溫度略低），濕含量：甲醇w115%。

（2）出口參數(shù)：根據(jù)專利商實驗數(shù)據(jù)，設(shè)定出料條件如下：溫度t2：52℃（氣固相一致），濕含量：甲醇w30．02%。

2．3．2 物料衡算

入口絕干物料量：Gs＝G×（1－w1－w2）＝420．00 kg·h－1

入口甲醇含量：W1＝G×w1＝74．12 kg·h－1

出口甲醇含量：W3＝GS×X3＝0．08 kg·h－1

式中：X3＝w3／（1－w3－w4）＝0．02%

則：出口料量：G2＝GS＋W3＝420．08 kg·h－1

2．3．3 熱量衡算

蒸發(fā)甲 醇所需 熱量：q1＝（W1－W3）H1evp＝83591．16 kg·h－1

加熱物料所需熱量：q3＝（GScS＋W1c1）（t2－t1）＝7348．34 kg·h－1

熱量損失：q3＝（q1＋q2）φ＝9093．95kg·h－1（φ 取0．1）

總熱量：q＝q1＋q2＋q3＝100033．45 kg·h－1

循環(huán)熱水用量：L＝q／［c3（T1－T2）］＝23875 kg·h－1

體積流量：LV＝L／ρ＝23．88 m3·h－1

2．3．4 設(shè)備選型

根據(jù)實驗確定的換熱系數(shù)計算得：

α＝44．25W·（m2K）-1

根據(jù)盤式干燥機(jī)換熱面積計算公式：

A＝kQ／△Tlnα

式中： △T＝［（T1－t1）－（T2－t2）］／ln［（T1－t1）／（T2－t2）］＝12．38℃

則：A＝kQ／△Tlnα＝50．72m2

故選擇ZPG－56型。

2．4 真空泵選型

2．4．1 真空泵抽氣量

（1）干燥產(chǎn)生的氣量：根據(jù)以上干燥機(jī)物料衡算過程得：W＝279．92 kg·h－1。 （2）設(shè)備結(jié)構(gòu)漏氣量：通過實驗的設(shè)計可以知道，設(shè)備結(jié)構(gòu)漏氣量有限，該部分漏氣量取20 kg·h－1。

（3）鎖氣裝置漏氣量：干燥系統(tǒng)進(jìn)出料均采用DN250的標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)閥，因此可知當(dāng)真空度為－0．08MPa時，DN250旋轉(zhuǎn)閥漏氣量為2．1m3·min－1，則鎖氣裝置漏氣量為252m3·h－1。

（4）抽氣總量：Q＝W＋∑q1＋q2＝593．25 kg·h－1。

由于揮發(fā)分在尾氣中的含量約50%，必須進(jìn)行相關(guān)核算。為簡化計算，將揮發(fā)分中環(huán)氧丙烷按甲醇處理，空氣中的水分忽略，則根據(jù)：

vH＝22．4（1／29＋H／M）×［（273＋t）／273］×（101325／p）

式中：vH—濕氣體比容，m3濕空氣·（kg干空氣）-1；

H—?dú)怏w濕度，H＝W／Q＝0．89 kg揮發(fā)分·（kg干空氣）-1；

M—甲醇分子量為32；

t—載氣的溫度為40℃；

P—操作真空度為40kPa。

則：υH＝8．11 m3濕空氣·（kg干空氣）-1

Q＝vH（∑q1＋q2）＝2539．65 m3·h－1

2．4．2 真空泵選型

由于裝置設(shè)計真空泵與干燥機(jī)之間距離較短，故忽略管道阻力與溫度變化，則：S＝1．3PSeTs／PsT＝1．3Se＝1．3Q＝55．03m3·min-1，真空泵的有效功率PW＝1．634S（1－P／PO）＝71．94kW。根據(jù)相關(guān)真空泵特性曲線，綜合考慮選泵。

3 關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)解析

3．1 真空槳式干燥機(jī)

真空槳式干燥機(jī)是一種真空式間接熱傳導(dǎo)型干燥機(jī)，適用于黏附性較強(qiáng)的膏狀、糊狀或團(tuán)狀物料的連續(xù)真空干燥。

（1）設(shè)備結(jié)構(gòu)：真空槳葉干燥機(jī)由熱軸、殼體、前后端座、人孔、接管、軸封、支架及傳動系統(tǒng)組成。

（2）工作原理：物料通過進(jìn)料口進(jìn)入干燥機(jī)內(nèi)，干燥機(jī)的蜂窩夾套和兩根空心熱軸及圓盤形葉片內(nèi)都通入加熱介質(zhì)，通過夾套器壁、熱軸及圓形葉片的熱傳導(dǎo)，濕物料被間接加熱、干燥。干燥機(jī)殼體傾斜，從進(jìn)料到出料整體具有1°~2°傾角，圓盤葉片上設(shè)有抄料板，所以濕物料在空心熱軸和葉片抄板的攪拌下依靠自重逐漸向出料口移動，最后翻過溢流板從出料口卸出。干燥產(chǎn)生的揮發(fā)分蒸氣從排氣口被負(fù)壓抽走進(jìn)入后續(xù)處理工序。

（3）殼體和夾套：槳式干燥機(jī)殼體由設(shè)備內(nèi)壁和外夾套組成，其中夾套外形為蜂窩狀，即在夾套壁面上有規(guī)律地沖出許多翻邊向里的凹形圓孔。殼體為整體結(jié)構(gòu)，為方便維修和觀察在頂部設(shè)有人孔及視鏡。

（4）葉片結(jié)構(gòu)：空心熱軸和空心葉片結(jié)構(gòu)是槳式干燥機(jī)的關(guān)鍵部件，槳式干燥機(jī)有兩根旋轉(zhuǎn)方向相反的空心軸，借助于葉片上輔助抄料板，把物料從中心推向壁面，再從壁面將物料向上提升，越過空心軸擠到設(shè)備中心。槳式干燥機(jī)的主要傳熱面是焊接在兩根空心軸上的許多對空心圓盤葉片，每對圓盤葉片采用壓制成形的一對盤片焊接而成。

（5）部件材質(zhì)：

①熱軸：熱軸為本設(shè)備的核心部件之一，由主動軸、從動軸和葉片構(gòu)成，考慮物料性質(zhì)其中軸套與葉片為304不銹鋼，軸頭材質(zhì)為16Mn，熱軸熱載體采用雙端進(jìn)出，葉片結(jié)構(gòu)采用ICMA設(shè)計適用于液體傳熱的圓盤形葉片，考慮物料特性熱軸與葉片接觸部分拋光處理達(dá)0．4μm以上。

②殼體：殼體亦是本設(shè)備的核心部件之一，由夾套、端法蘭、溢流裝置、進(jìn)出料口及抽吸口等相關(guān)部件構(gòu)成，其中夾套采用蜂窩式夾套結(jié)構(gòu)，溢流裝置采用可調(diào)結(jié)構(gòu)，殼體的頂部與端蓋法蘭呈同心圓，殼體底部與端法蘭相切。物料接觸部位均為304不銹鋼，內(nèi)部表面拋光達(dá)0．4μm以上。

3．2 真空盤式干燥機(jī)

真空盤式干燥機(jī)也是一種間接熱傳導(dǎo)型干燥機(jī)，主要適用于散粒狀物料的連續(xù)真空干燥。

（1）設(shè)備結(jié)構(gòu)：真空槳葉干燥機(jī)由殼體、上封頭、耙料裝置、加熱管路、加熱盤、轉(zhuǎn)軸、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、匯料耙及機(jī)架等組成。

（2）工作原理：干燥機(jī)最上一層是一大加熱圓盤，第二層為小加熱圓盤，第三層為大加熱圓盤，依次交替排列。大加熱圓盤外緣有一圍堰使物料不能從盤的外緣向下跌落。轉(zhuǎn)軸在驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動下，連同固定在轉(zhuǎn)軸上的耙料裝置一起轉(zhuǎn)動，被干燥物料自干燥機(jī)的頂部進(jìn)料口加入到最上層大加熱圓盤外緣處的盤面上，在回轉(zhuǎn)的耙葉作用下，一邊翻動攪拌一邊從加熱圓盤外緣向內(nèi)緣呈螺旋線狀運(yùn)動。被干燥物料由加熱介質(zhì)經(jīng)盤面?zhèn)鲗?dǎo)的熱量加熱升溫后，由大加熱圓盤外緣跌落到下一層小加熱圓盤內(nèi)緣處的盤面上，在耙葉的推動下，物料由盤內(nèi)緣向外緣呈反螺旋線狀移動，最后從外緣跌落到下一層大加熱圓盤的盤面上。如此交替，物料逐層自上而下運(yùn)動，逐漸被加熱干燥，最后由匯料裝置匯聚后從出料口排出，成為合格干燥產(chǎn)品。氣化的濕組分由真空抽氣系統(tǒng)從室體頂部的抽氣口抽出。

（3）耙葉結(jié)構(gòu)：耙料裝置是由耙臂、耙葉和固定器組成，耙葉上設(shè)有安裝孔，套裝在耙臂上，耙臂與轉(zhuǎn)軸呈垂直狀安裝在一起。在轉(zhuǎn)軸的帶動下，耙葉在圓盤上做圓周運(yùn)動，由于耙葉與耙臂之間設(shè)有一夾角，因此耙葉前的物料在做翻滾運(yùn)動的同時，也做螺旋線狀的徑向遷移。

（4）加熱圓盤結(jié)構(gòu)：加熱圓盤采用沖壓式加熱圓盤，圓盤的上板與沖壓成型的具有規(guī)律分布凸起的下板釬焊在一起，內(nèi)部通入加熱介質(zhì)，為被干燥物料提供熱源。上下板釬焊在一起的凸起部分可增加上下板剛度、強(qiáng)度和加熱介質(zhì)的擾動，以提高熱效率的作用。

（5）主要部件材質(zhì)及組成：

①殼體：殼體是本設(shè)備的核心部件之一，由筒體、上封頭、底盤、人孔及視鏡構(gòu)成，所有與物料接觸部分材質(zhì)為304不銹鋼，視鏡為耐熱和強(qiáng)度好的硼硅玻璃，密封墊為硅橡膠。

②大小加熱圓盤：大小加熱圓盤是本設(shè)備的主要部件，是主要的傳熱元件，由盤面、堰板、夾套及熱載體進(jìn)出管等組成，其中夾套為蜂窩式夾套結(jié)構(gòu)，大加熱盤在盤面外沿設(shè)置一定高度的堰板，小加熱盤在其內(nèi)部設(shè)有一定高度堰板。為保證圓盤內(nèi)換熱介質(zhì)流量，將所有的圓盤編為3組，每組設(shè)有進(jìn)出匯總管，防止由于圓盤所處高低不同而致使盤內(nèi)換熱介質(zhì)流量產(chǎn)生變化，同時使每個加熱盤面的出水管高于盤面確保盤內(nèi)充滿熱源液體。以上各部件材質(zhì)均為304不銹鋼，盤面拋光處理到0．2μm以上。

③耙料裝置：耙料裝置包括轉(zhuǎn)軸、耙臂、板耳、耙葉、固定器等部件，所有部件均為304不銹鋼，填料采用PTFE盤根。

3．3 真空機(jī)組

考慮液環(huán)的循環(huán)使用，因此本系統(tǒng)包括真空泵、冷卻器和汽水分離器。

4 結(jié)語

充分解析了本干燥系統(tǒng)的基本工藝流程、重點(diǎn)設(shè)備選型參數(shù)計算以及關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使讀者對本干燥系統(tǒng)能有一個全新的認(rèn)識；同時為相似物料干燥系統(tǒng)選型提供了有益的參考。

Equipment Selection and Structure Analysis for Drying System of PPC

CUI Zheng-tang
（China Bluechemical Ltd．，Dongfang 572600，China）

TQ 051.8+92

B

1671-9905（2011）10-0075-04

崔正堂（1978-），男，江蘇阜寧人，畢業(yè)于江蘇石油化工學(xué)院化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)就職于中海石油化學(xué)股份有限公司甲醇項目組工程技術(shù)部，地址：海南省東方市中海石油化學(xué)股份有限公司，郵編：572600，電話：13976837581，089825691745，E－mail：cuizht＠cnooc．com．cn

2011-06-19