王 磊 楊 巍 高 燁 張 巖

(1.天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司；2.長春化工(江蘇)有限公司)

聚碳酸酯(簡稱PC)是一種分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，是一種應(yīng)用廣泛的通用工程塑料。其中芳香族聚碳酸酯因其結(jié)構(gòu)特點和良好的機械性能獲得了工業(yè)化生產(chǎn)[1]，且以高透明性、優(yōu)良的沖擊強度、耐熱性、耐寒性、尺寸穩(wěn)定性及電絕緣性等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于建材、汽車、醫(yī)療器械、光盤制造、航空航天、包裝、電氣電器及光學(xué)透鏡等領(lǐng)域[1，2]。國內(nèi)外常見的PC生產(chǎn)工藝主要有溶液光氣法、界面縮聚光氣法、酯交換熔融縮聚法和非光氣酯交換熔融縮聚法，目前世界上約有90%的PC 生產(chǎn)采用界面縮聚光氣法，該方法具有全封閉、無副產(chǎn)物及基本無污染等特點，已逐漸成為PC工藝的發(fā)展方向，將在未來的PC生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位[3]。

無論使用哪種PC生產(chǎn)工藝，干燥工序都是一個重要的操作單元，生產(chǎn)工藝中一般要求干燥后含水量小于0.02%[2]，因此干燥系統(tǒng)能否有效使用直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。PC含水量大(一般15%～20%)、流動性較差、易靜電掛壁、粘度較大及包含殘留溶劑等特點決定了其干燥系統(tǒng)具有一定的特殊性[4]。筆者在對比了現(xiàn)有PC干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能和特點的基礎(chǔ)上，介紹了一種適于干燥片狀物料，且干燥深度極高的新型屋脊干燥塔。

1 PC干燥設(shè)備設(shè)計概念分析

1.1現(xiàn)有干燥設(shè)備性能對比

現(xiàn)有干燥設(shè)備主要有噴霧干燥器、槳葉干燥器、轉(zhuǎn)鼓干燥器、滾筒干燥器、流化床、氣流干燥器、雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥器及蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥器等，兩種或兩種以上組合干燥方式也屢見不鮮。其中噴霧干燥器、槳葉干燥器和轉(zhuǎn)鼓干燥器用于干燥聚碳酸酯溶液，而聚碳酸酯粉料干燥可選用流化床、氣流干燥器、槳葉干燥器、滾筒干燥器及雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥器等。各類干燥設(shè)備性能的優(yōu)劣，可以以傳熱方式、是否適用于熱敏性物料、物料粒徑要求、處理量、熱效率、干燥時間是否可調(diào)節(jié)、干燥后含水量及成本等參數(shù)或指標(biāo)來衡量，并以此為設(shè)計最終目標(biāo)定量參數(shù)。

文獻[5]對各類干燥器性能進行了對比，流化床與氣流干燥器對物料粒徑要求十分嚴格；氣流干燥器與滾筒干燥器物料干燥后含水量高；雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥器的性能雖優(yōu)于其他干燥設(shè)備，但其處理量較小。綜合所有參數(shù)和指標(biāo)，槳葉干燥器是目前用于PC干燥的最佳設(shè)備。但在實際生產(chǎn)中，槳葉干燥器亦經(jīng)常發(fā)生振動，軸承磨損、抱軸、軸和槳葉結(jié)疤(粘料影響傳熱)、物料堵塞，電機過載及旋轉(zhuǎn)接頭蒸汽泄漏等故障?？梢?，上述設(shè)備均有其優(yōu)缺點。

1.2設(shè)計概念分析

對比現(xiàn)有干燥設(shè)備性能優(yōu)缺點可知，能最大程度發(fā)揮每個設(shè)備的優(yōu)點并加以綜合，是設(shè)計全新干燥設(shè)備的根本理念。傳熱效率高、干燥效率高；熱損耗低、節(jié)能環(huán)保；物料順暢避免沉積或碎化；密封性能好；干燥溫度自動可控、操作簡單便捷是PC干燥設(shè)備設(shè)計的最終目標(biāo)。

從節(jié)能和避免物料碎化方面考慮，利用物料在重力作用下的進料方式，摒棄螺旋進料和槳葉干燥結(jié)構(gòu)，干燥器宜采用立式結(jié)構(gòu)；從干燥效率(時間)和傳熱效率方面考慮，采取物料流化傳熱方式；從溫度分級控制方面考慮，可采用多個獨立的串聯(lián)式干燥單元；從物料粘結(jié)沉積方面考慮，設(shè)計特殊的干燥管形式。

2 屋脊式干燥塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1主要組成部分

新型屋脊式干燥塔主要由屋脊式干燥管、立式箱體、熱介質(zhì)進/出口連接管箱、入料均布器和密封旋轉(zhuǎn)卸料閥5部分組成(圖1)。

圖1 屋脊式干燥塔結(jié)構(gòu)簡圖

因Ferralium 255(F255，國內(nèi)牌號0Cr25Ni6Mo3CuN)材料有較好的焊接性能，熱裂紋傾向低，具有很好的韌性和塑性，鋼中含銅元素，能改善冷、熱加工深沖性能，且在熱介質(zhì)的耐局部腐蝕性能方面明顯優(yōu)于316L鋼和其他雙相不銹鋼，是很好的冷換設(shè)備或干燥設(shè)備材料，故該屋脊式干燥塔的大部分部位(屋脊式干燥管、立式箱體、熱介質(zhì)進出的連接管箱、入料均布器及密封旋轉(zhuǎn)卸料閥等與物料接觸的部位)材料選用F255,其他部位材料采用Q235- A。

屋脊式干燥管由F255的圓管經(jīng)過工藝模具熱擴而成，具有強度高、不易變形及使用壽命長等特點，干燥管上的小孔采用激光穿孔或其他先進的工藝制造，保證孔徑和孔間距的均勻性。

立式箱體為長方形結(jié)構(gòu)，外部設(shè)置加強槽鋼，保證箱體的結(jié)構(gòu)強度，立式箱體材料選用F255，加強槽鋼材料為Q235- A。立式箱體與屋脊式干燥管連接的部位采用沖壓和高壓水刀切割而成，具有光潔度高及箱體不易變形等特點。

熱介質(zhì)進出的連接管箱材料選用F255，加強筋材料為Q235- A，管箱為方變圓結(jié)構(gòu)，一端與熱介質(zhì)管道連接，一端與立式箱體連接，且能夠拆卸，便于屋脊式干燥管檢修。

入料均布器材料選用F255，主要保證進入干燥塔內(nèi)部的物料分布均勻，防止偏流和局部堆積。 密封旋轉(zhuǎn)卸料閥殼體與轉(zhuǎn)子材料選用F255，其他材料采用304，在密封閥上設(shè)置變頻以便實時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，也便于調(diào)節(jié)干燥物料的停留時間和干燥水分。旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)采用傳動與閥體一體化整體結(jié)構(gòu)。

2.2結(jié)構(gòu)功能分析

干燥塔內(nèi)屋脊式形狀的管子與箱體一端采用焊接結(jié)構(gòu)，另一端采用翻邊密封結(jié)構(gòu)，以利于管束的自由膨脹和伸縮。干燥塔由若干個獨立單元組成，其中每個單元由2～4層屋脊式形狀的管子組成，相鄰單元之間設(shè)有料封段，防止每個單元之間的熱介質(zhì)互竄。每個單元在立式箱體外部設(shè)有變徑管箱，通過螺栓連接，便于拆裝維護，每個單元內(nèi)相鄰的屋脊式管子中，一根為熱介質(zhì)入口，通過屋脊式管子上布滿的小孔和熱介質(zhì)的壓力進入立式箱體內(nèi)對聚碳酸酯進行干燥，一根同樣通過屋脊式管子上布滿的小孔和排氣的壓力抽出到立式箱體外進行過濾再加熱后進入屋脊式干燥塔下一個單元內(nèi)循環(huán)使用，相鄰的屋脊式管子，一根進氣端敞開、出氣端封閉，另一根進氣端封閉、出氣端打開，在同一個管箱中實現(xiàn)了熱介質(zhì)進入和排出的功能。管箱與外部管道連接，且設(shè)置調(diào)節(jié)閥門，便于調(diào)節(jié)熱介質(zhì)的流量，通過塔內(nèi)分級設(shè)置的測溫元件精確控制被干燥物料的水分。加熱介質(zhì)與聚碳酸酯為逆流接觸換熱，即加熱介質(zhì)由塔底部進入，然后逐級被過濾加熱后進入下一級，直至走完整個流程后從塔頂部排出，進入后續(xù)處理系統(tǒng)。

3 工作原理和工作過程

將含有水分的聚碳酸酯從屋脊式干燥塔塔入口(塔頂)通過入料均布器均勻地分布到塔內(nèi)部，直至充滿整個干燥塔，達到干燥要求后通過塔底部的密封旋轉(zhuǎn)卸料閥排出后即為產(chǎn)品，形成一個連續(xù)的干燥過程，即進出塔物料達到平衡狀態(tài)，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)功能。

加熱介質(zhì)通過換熱器加熱后由塔底部進入屋脊式干燥管，然后在熱介質(zhì)的壓力下從管子上的若干個小孔進入到被干燥物料內(nèi)，與物料直接接觸換熱，降溫后的熱介質(zhì)從相鄰的屋脊式干燥管上的若干個小孔在下一級單元抽風(fēng)機的作用下排出，然后經(jīng)過過濾、加熱后再循環(huán)至下一級，以此類推逐級完成干燥后從塔頂排出。相鄰每個單元之間設(shè)有料封段，防止熱介質(zhì)互竄造成熱介質(zhì)偏流。

屋脊式干燥塔底部設(shè)有密封旋轉(zhuǎn)卸料閥，旋轉(zhuǎn)閥具有變頻調(diào)節(jié)功能，能夠調(diào)整物料干燥停留時間和干燥后的水分含量，直至滿足要求；屋脊式干燥塔每個單元的料封段設(shè)置測溫元件，便于調(diào)節(jié)熱介質(zhì)的流量，以達到逐級控制物料水分進行干燥的要求。

4 性能分析

從設(shè)計目標(biāo)和結(jié)構(gòu)功能分析結(jié)果，對屋脊式干燥塔性能特點進行闡釋和歸納如下：

a. 聚碳酸酯濕物料在重力作用下進入干燥塔，無外部機械助力，避免了采用機械式輸送時對物料的碎化；

b. 濕物料進入干燥塔后，熱介質(zhì)與物料直接接觸，在高氣速下，物料產(chǎn)生流化現(xiàn)象，氣固兩相熱傳導(dǎo)面積顯著增大，減少了干燥時間；

c. 干燥塔采用多個干燥單元串聯(lián)組合，每個單元干燥溫度可獨立控制，實現(xiàn)了對物料干燥過程中溫度的精確控制，實現(xiàn)分級干燥；

d. 干燥塔干燥單元內(nèi)配風(fēng)管采用菱形管，管壁上均勻布置小孔，塔體內(nèi)部氣流均勻進入，氣場分布均勻，避免了干燥塔出現(xiàn)死區(qū)和過熱區(qū)，此外，屋脊干燥管為菱形管(圖2)，角度為40°，表面存在氣流場，物料無法沉積停留，解決了在高水分下(15%～20%)物料粘度大和靜電掛壁的問題；

e. 干燥過程中物料充滿塔體，建立料位后，可實現(xiàn)連續(xù)運行，通過調(diào)節(jié)進出口的閥門轉(zhuǎn)速，控制停留時間，停留時間適應(yīng)范圍廣。

圖2 屋脊式干燥管截面簡圖

5 結(jié)束語

采用屋脊式干燥塔，解決了聚碳酸酯在干燥過程中易粉化碎裂和靜電掛壁的問題，同時該干燥系統(tǒng)可實現(xiàn)連續(xù)操作，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、投資小，聚碳酸酯在塔體內(nèi)與干燥介質(zhì)傳熱面積大，并且停留時間跨度大，能實現(xiàn)聚碳酸酯的深度干燥，已成功應(yīng)用于聚碳酸酯的工業(yè)化生產(chǎn)中。

[1] 趙光輝，任敦涇，李建忠，等.聚碳酸酯的生產(chǎn)、應(yīng)用及市場前景[J].化工科技市場，2005，28(5)：1～6.

[2] 馬瑞進，杜燕，孔令啟，等.流化床干燥聚碳酸酯小試實驗研究[J].干燥技術(shù)與設(shè)備，2011，9(5)：255～258.

[3] 錢伯章.聚碳酸酯的技術(shù)發(fā)展及國內(nèi)外市場分析[J].國外塑料，2007，25(6)：44～57.

[4] 馬瑞進，杜燕，陳欣.組合干燥技術(shù)在聚碳酸酯干燥中的應(yīng)用[J].干燥技術(shù)與設(shè)備，2011，9(1)：9～12.

[5] 馬瑞進，杜燕，王嘯宇，等.雙槳葉干燥器在聚碳酸酯干燥中的應(yīng)用[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2013，42(6)：52～55.