聚烯烴粉末摻混技術(shù)實驗研究

洪 濤 紀(jì)飛晨 文化明

(天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司)

聚烯烴摻混是聚乙烯、聚丙烯等聚烯烴樹脂生產(chǎn)工藝中普遍采用的環(huán)節(jié)，其作用是依靠摻混技術(shù)使聚烯烴產(chǎn)品性能均化、質(zhì)量穩(wěn)定。相對聚烯烴顆粒料，聚烯烴粉末摻混技術(shù)起步較晚，一直未得到足夠的重視，很多生產(chǎn)裝置甚至未設(shè)置摻混環(huán)節(jié)，產(chǎn)品均化效果不理想，產(chǎn)品質(zhì)量波動大。以中石化揚子石化塑料廠聚乙烯裝置B線為例，該生產(chǎn)線常年生產(chǎn)YEC-5505T粉料產(chǎn)品，粉料通過聚合反應(yīng)過程后直接通過緩沖料倉下落至粉料包裝專用線進(jìn)行包裝。由于聚合反應(yīng)過程中工藝參數(shù)的調(diào)整以及不同反應(yīng)釜自身工況不同，聚合干燥后的粉料產(chǎn)品熔融指數(shù)(MFR)、密度、抗沖強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度等物性指標(biāo)會有一定幅度的波動，導(dǎo)致同一時間包裝的聚合物粉料基本物性指標(biāo)存在差異，對后續(xù)作業(yè)中的質(zhì)量控制產(chǎn)生不利影響。尤其是在聚烯烴高端專用料市場，目前進(jìn)口粉料依靠穩(wěn)定的品質(zhì)牢牢占據(jù)大部分市場份額，通過有效提高國內(nèi)聚烯烴粉料摻混效果，打破進(jìn)口粉料在該領(lǐng)域的壟斷，提高我國聚烯烴產(chǎn)品的自給能力，市場潛力巨大。因此進(jìn)行專門針對聚烯烴粉末摻混技術(shù)的實驗研究具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

1 摻混技術(shù)評價

目前，工業(yè)化應(yīng)用的摻混形式主要包括氣流式、動力式和重力式。氣流式摻混利用多股氣流將物料從倉內(nèi)不同高度、不同方位有選擇的同時進(jìn)入摻混倉內(nèi)，從而實現(xiàn)摻混均化的目的；動力式摻混主要通過風(fēng)機(jī)等外部動力設(shè)備將物料從摻混倉底部輸送至頂部返回倉內(nèi)，實現(xiàn)物料的充分混合；重力式摻混是完全依靠物料下落的重力，通過在摻混倉內(nèi)部設(shè)置各種結(jié)構(gòu)的摻混裝置如摻混管、均化器等實現(xiàn)物料混合。重力式摻混由于不需要外加動力，且結(jié)構(gòu)簡單、操作成本低，產(chǎn)品性能、質(zhì)量穩(wěn)定，在聚烯烴顆粒料行業(yè)已有廣泛的應(yīng)用。

重力式摻混主要形式包括多管式、中心管式、靠壁式及旋葉式等，前三種形式的相同之處都以物料整體流為設(shè)計前提，采用摻混管均化物料。物料依靠重力流入不同高度開孔的摻混管內(nèi)部，最后匯入設(shè)備底部的混合室完成物料的混合。聚烯烴粉末流動性差、易產(chǎn)生靜電導(dǎo)致在摻混倉內(nèi)架橋，如采用上述摻混形式，受摻混管的開孔尺寸限制，聚烯烴粉末難以順暢的進(jìn)入摻混管，在摻混管內(nèi)的流動狀態(tài)也無法監(jiān)控，不能達(dá)到良好的摻混效果。多流道旋葉式摻混是重力摻混的新型式，摻混機(jī)理也是靠物料的重力來實現(xiàn)，所不同的是摻混內(nèi)構(gòu)件采用旋葉式均化器，均化器安裝在料倉底部，物料流經(jīng)料倉底部時不同角度的多個旋葉片將物料分割成多個流道流向出口。通過比較各種摻混形式的特性可以看出，旋葉式摻混具有良好的摻混效果，并且旋葉式均化器流道相對較大，粉末物料可以順暢通過，適合粉末物料的流動特性。

旋葉式摻混是中心流(核流)的典型結(jié)構(gòu)，即物料在摻混倉內(nèi)以核流的方式流動，但在物料沒有完全形成中心流狀態(tài)時，摻混效果不好。因此單純采用旋葉式重力摻混式不能完全滿足工業(yè)化實際需要，研究新型復(fù)合式摻混技術(shù)成為聚烯烴粉料摻混發(fā)展的必然趨勢。

2 實驗?zāi)康?/h2>

通過建立聚烯烴粉末摻混實驗裝置，研究復(fù)合式摻混技術(shù)對于聚烯烴粉末的摻混效果，重點考察物料的流動速率、熔融指數(shù)和混合指數(shù)。通過對實驗過程和結(jié)果的全面分析，對均化器、摻混倉體結(jié)構(gòu)以及物料流動形式等關(guān)鍵技術(shù)提出優(yōu)化方案，并為聚烯烴粉末復(fù)合摻混技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用提供實驗依據(jù)，同時也為該技術(shù)在其他領(lǐng)域的延伸奠定基礎(chǔ)。

3 工藝流程及均化機(jī)理

聚烯烴粉末摻混技術(shù)采用動力+旋葉式重力的復(fù)合摻混方式，物料首先依靠自身重力散落至摻混倉底部，通過經(jīng)特殊設(shè)計的旋葉式摻混器完成初次重力摻混，出料口排出的物料通過輸送系統(tǒng)再次返回倉內(nèi)進(jìn)行返混，并最終實現(xiàn)均化從出料口排出。工業(yè)裝置根據(jù)生產(chǎn)需要可以采取一開一備形式，實現(xiàn)摻混及包裝環(huán)節(jié)的連續(xù)作業(yè)。聚烯烴粉末摻混技術(shù)的工藝流程如圖1所示。

圖1 聚烯烴粉末摻混技術(shù)工藝流程示意圖

聚烯烴粉末摻混技術(shù)充分發(fā)揮了動力和重力摻混的優(yōu)勢。特殊設(shè)計的旋葉式均化器是針對聚烯烴粉料流動性差、易堆積的特性而專門開發(fā)，由中心管和兩個錐體通過支撐筋板連接后形成若干流道，中心管和中間錐體之間加有設(shè)計合理的折流板(即旋葉片)。當(dāng)料倉內(nèi)固體物料形成核流流動形態(tài)后, 流經(jīng)旋葉式均化器直徑方向的物料則是分別來自料倉不同高度的物料, 當(dāng)流道設(shè)計合理時, 流出均化器的物料能達(dá)到混合的目的。另外流道內(nèi)的折流板和支撐筋板對本身所在流道的物料也能進(jìn)行混合。

4 實驗過程及結(jié)果

4.1 實驗裝置

根據(jù)復(fù)合摻混技術(shù)的均化機(jī)理和設(shè)計理論，在國內(nèi)外現(xiàn)有設(shè)備形式的基礎(chǔ)上進(jìn)行消化、吸收和改進(jìn)，針對聚烯烴粉末的自身特性，尤其對實驗料倉底錐角度、內(nèi)摩擦角以及旋葉均化器的葉片分布角度、折流角度等關(guān)鍵部分進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，設(shè)計并建立了特殊結(jié)構(gòu)的多流道旋葉式摻混實驗裝置(圖2)，根據(jù)確定的實驗方案對聚烯烴粉料進(jìn)行摻混實驗。

料倉參數(shù)為：

容積 0.46 m3

規(guī)格φ600mm×1 200mm

材料 不銹鋼+玻璃樹脂

循環(huán)比 100%

填充率 大于90%

實驗物料采用兩種牌號多個批次的聚乙烯粉料：

熔融指數(shù)(牌號1) 0.10～0.22

熔融指數(shù)(牌號2) 0.945～1.000

圖2 聚烯烴粉末摻混實驗裝置示意圖

4.2 實驗過程及現(xiàn)象

在實驗摻混料倉內(nèi)分別加入40kg聚烯烴粉末，標(biāo)定兩種牌號物料的排料流率，觀察聚烯烴粉末在倉內(nèi)的流動情況以及出料口的排料情況，并確定實驗過程中的取樣間隔。通過計算，兩個牌號的物料流動速率標(biāo)定結(jié)果均為10kg/min。

清空實驗料倉，關(guān)閉下料口。按先后交錯次序向?qū)嶒灀交靷}內(nèi)加入物料1、物料2各3次，每次25 kg共計150kg，此時實驗摻混倉內(nèi)物料填充率達(dá)到95%。開啟摻混料倉排料口并開始計時，實驗物料通過旋葉均化器進(jìn)行混合，觀察實驗物料的流動情況和出料情況。開啟排料口3min即排料20%后每間隔1min在出料口處取樣一次直至物料全部流出。第一階段實驗共取10個樣本。

將一次摻混排出的物料全部按出料順序返回?fù)交炝蟼}，此時循環(huán)比為100%，稱第二階段實驗。開啟料倉排料口并計時，第二階段試驗每隔30s取一次樣直至料倉中全部物料排完，第二階段實驗共取27個樣本。

4.3 實驗結(jié)果及分析

通過多次實驗，實驗物料在摻混倉內(nèi)流動情況良好，沒有出現(xiàn)堆積及架橋等現(xiàn)象，物料依靠自身重力即可實現(xiàn)排料。在出料口物料形成穩(wěn)定的實心柱狀流，并且?guī)缀鯖]有間斷和直徑變化。從實驗摻混倉頂部和側(cè)面觀察，實驗物料在倉體內(nèi)呈明顯的核流流動狀態(tài)，與聚烯烴粉末摻混技術(shù)設(shè)計理論吻合。

對所取樣本的熔融指數(shù)進(jìn)行化驗分析可以得出，經(jīng)過第一次重力摻混的樣本(前10個)熔融指數(shù)已經(jīng)出現(xiàn)明顯的均化效果，但波動性仍較大，單獨采用旋葉式重力摻混技術(shù)還不能完全滿足對聚烯烴粉末的品質(zhì)要求；經(jīng)過100%返混后的樣本(樣本11～37)熔融指數(shù)已趨于一致，絕大部分穩(wěn)定在0.4～0.5的區(qū)間內(nèi)(圖3)。

圖3 熔融指數(shù)曲線

根據(jù)Philllips公司提出的兩個指標(biāo)評價混合效果，即當(dāng)摻混裝置為工業(yè)裝置的1/7倍規(guī)模以上時，混合指數(shù)M1≤0.250, 工業(yè)裝置的混合指數(shù)M2≤0.152。計算本次實驗的混合指數(shù)。

100%返混合后熔融指數(shù)平均值：

均方差值：

σ=0.0763

混合指數(shù)：

本次實驗混合指數(shù)M=0.146<0.250,結(jié)果滿足Phillips公司的評價指標(biāo)，混合效果良好。

由于實驗摻混倉按照工程摻混料倉按比例縮小，旋葉均化器的中心管直徑較小，實驗過程中中心管出現(xiàn)少量集料，工程化設(shè)計時應(yīng)注意優(yōu)化中心管直徑以及中心管與其他流道的匹配。

本次實驗摻混料倉材料采用玻璃樹脂倉體+碳鋼錐段。受摻混倉空間限制，錐段部分內(nèi)表面采用磨光機(jī)拋光，表面較粗糙，實驗過程出現(xiàn)輕微掛料現(xiàn)象。工程化設(shè)計時可以采用更加有效的表

面拋光技術(shù)，減小物料與底錐的摩擦力，有利于物料的流動。

5 結(jié)論

5.1考慮工業(yè)化裝置規(guī)格是實驗裝置的若干倍，物料通過均化器中心管和各個流道會更加通暢，加之氣流輸送管道和物料返混重新分散的過程都會產(chǎn)生額外的摻混效果，工業(yè)化應(yīng)用的摻混效果應(yīng)比實驗效果更加理想，經(jīng)特殊設(shè)計的多流道旋葉式重力均化器適用于聚烯烴粉末，不會產(chǎn)生架橋及堆積等不良現(xiàn)象。

5.2復(fù)合式摻混技術(shù)有效地利用兩種摻混形式的優(yōu)點，達(dá)到良好的摻混效果，滿足產(chǎn)品均化、質(zhì)量穩(wěn)定的要求。為復(fù)合式摻混技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用提供了實驗基礎(chǔ)和依據(jù)。

5.3針對實驗過程中的現(xiàn)象，對復(fù)合式摻混技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用提出了建議和意見，并提出了優(yōu)化方案。為下一步大型工程化設(shè)計提供了解決方案。