乙丙橡膠裝置后處理工序影響因素分析

劉 陽

（延安能源化工有限責(zé)任公司，陜西延安 716000）

乙丙橡膠生產(chǎn)裝置中，后處理工序接收汽提工序輸送的漿料，通過擠壓、膨脹等手段對橡膠進(jìn)行干燥，進(jìn)而壓制成塊，再送往包裝工序[1]。后處理工序作為包裝前的最后一道工序，承擔(dān)著脫除橡膠中的水分和揮發(fā)分的任務(wù)，對最終產(chǎn)品的性能和質(zhì)量起到關(guān)鍵作用，因此探討后處理單元的影響因素，明確操作中關(guān)鍵的控制參數(shù)，就顯得尤為重要[2-3]。

1 流程簡介

后處理工序主要包括漿料濃縮槽、振動脫水篩、擠壓脫水機(jī)、膨脹干燥機(jī)、熱箱、流化床、分料輸送機(jī)、稱重儀、壓塊機(jī)等設(shè)備。物料在這些設(shè)備進(jìn)行輸送的過程中，水分和揮發(fā)分逐漸被脫除，由漿料最終變?yōu)槟z塊。

后處理工序的主要工藝流程為：來自汽提工序的漿料通過研磨泵首先被送至漿料濃縮槽，濃縮槽的功能是降低漿料流速并排掉部分水分，增加固含量。這樣的設(shè)計可以提高整個后處理單元在脫水階段的操作穩(wěn)定性。經(jīng)過濃縮的漿料緊接著溢流至振動脫水篩，漿料中的大部分水會通過篩網(wǎng)排掉。橡膠顆粒被送至擠壓脫水機(jī)，通過擠壓作用，膠粒中的水被進(jìn)一步脫除。通過擠壓機(jī)模頭的液壓閘板來調(diào)節(jié)擠壓的壓力，進(jìn)而控制擠壓機(jī)出口膠粒的含水率。膨脹干燥機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速可通過電機(jī)的變頻進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)橡膠穿過膨脹機(jī)的?？兹麜r，由于壓力降低，膠粒中的水分被閃蒸出來，含水率進(jìn)一步降低。熱箱與膨脹機(jī)出口相連，目的是避免閃蒸出的水分由于溫度降低而再次冷凝。膠粒出熱箱后進(jìn)入流化床，含水率進(jìn)一步下降，最終在流化床出口降低至0.5%以下。之后膠粒經(jīng)過分料、稱重，進(jìn)入壓塊機(jī)，壓塊機(jī)將橡膠壓制成固定重量和體積的長方體，然后送出后處理工序，進(jìn)行包裝。

2 主要影響因素

后處理工序的主要作用為脫除橡膠中的水分和揮發(fā)分的組分，受到前序工序影響較大，主要表現(xiàn)在：

2.1 分子鏈中乙烯、丙烯、第三單體的鏈段比

在乙丙橡膠分子鏈中，乙烯鏈段結(jié)構(gòu)規(guī)整，結(jié)晶度高，更高的乙烯鏈段含量可以提高橡膠的拉伸強(qiáng)度；丙烯作為不規(guī)整鏈段存在，丙烯鏈段的引入形成了乙烯-丙烯的無規(guī)共聚物，形成無定形區(qū)。大體上，當(dāng)丙烯含量在30%～80%時，聚合物就會呈現(xiàn)彈性體的特征；第三單體是非共軛的二烯烴，其作用是在乙丙橡膠分子鏈上引入可以交聯(lián)的側(cè)鏈，有利于橡膠的硫化，而且可以保持二元乙丙橡膠的各種特性。

三種鏈段的比例決定了聚合物的分子結(jié)構(gòu)，從而影響聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。當(dāng)乙烯鏈段過高，分子鏈排列更加規(guī)整，結(jié)晶度更高，分子間隙小；丙烯鏈段過高時相反，分子間距更大，無定型區(qū)增多；第三單體鏈段偏高，大分子側(cè)鏈增多，同樣會影響橡膠的結(jié)晶度。大分子結(jié)晶度對橡膠的加工性和分子間殘余水分的脫除都會產(chǎn)生影響。偏高的結(jié)晶度也可能導(dǎo)致膨脹機(jī)入口處容易架橋堵塞。

2.2 門尼黏度

在橡膠行業(yè)中，采用門尼黏度表征橡膠加工性能的好壞和分子量高低及分布范圍寬窄。門尼黏度高的膠料不易混煉均勻及擠出加工，其分子量高、分布范圍寬。門尼黏度低則易黏輥，其分子量低、分布范圍窄。門尼黏度過低則硫化后制品拉伸強(qiáng)度低?？傮w上看，門尼黏度高，膠粒的初始含水率更低，這不僅是由于分子量高，同時也是由于在聚合時乙烯比丙烯活性更高，因此高門尼的橡膠同時也存在乙烯鏈段偏高的情況，分子鏈排列規(guī)整結(jié)晶度高，導(dǎo)致橡膠中的水含量偏低。雖然門尼黏度偏高時進(jìn)入后處理的膠粒中包裹的水分更少，看起來有利于聚合物的脫水干燥，但必須認(rèn)識到，門尼黏度同樣表征了橡膠的加工性能，而后處理的擠壓機(jī)和膨脹機(jī)等設(shè)備對于聚合物的性能有嚴(yán)格要求，加工窗口較窄，因此過高的門尼可能導(dǎo)致膨脹機(jī)模頭處閃蒸不完全，最終流化床出口的膠粒中含水率仍然難以達(dá)到預(yù)期。

2.3 汽提膠粒形態(tài)結(jié)構(gòu)

溶液聚合中，通常要在一系列的攪拌釜中通入蒸汽汽提，使聚合物與溶劑分離。大部分的溶劑在凝結(jié)槽中被脫除，聚合物在水相中沉淀下來，形成多孔，像海綿一樣松軟的顆粒，稱為“膠粒”（圖1），此時膠粒中通常含有5%～15%wt的水和溶劑。在后續(xù)的幾個汽提槽中進(jìn)一步將溶劑脫除。有研究表明，在汽提過程中，膠粒內(nèi)部形成了與表面連通的多孔結(jié)構(gòu)，將粒子分成了許多小的區(qū)域。己烷分子可以在橡膠中擴(kuò)散進(jìn)入這些與表面連通的孔，然后逐漸向表面遷移。當(dāng)己烷擴(kuò)散出去并被蒸汽汽提脫除的同時，汽提槽中的熱水也擴(kuò)散進(jìn)入了膠粒內(nèi)部的孔洞中，形成了疏松有彈性的橡膠顆粒。

如果汽提溫度過高或過低，或者加入的防黏釜劑、乳化劑、氯化鈣等化學(xué)品配方不合適，則可能會降低橡膠的汽提效果，并無法得到期望的疏松多孔膠粒，為后處理工序的脫水帶來困難。汽提效果不良，會使膠粒中包裹的溶劑無法完全脫除，提高膠粒中揮發(fā)分含量，增大后處理的脫除難度，更重要的是，由于后處理廠房為非防爆區(qū)域，過高的己烷含量將對后處理工序帶來一定的安全隱患。

圖1 汽提釜中的膠粒

實(shí)際生產(chǎn)中，膨脹機(jī)的作用是使膠粒中包裹的水分通過模板的?？兹▓D2）高溫高壓后急速閃蒸，形成類似“爆米花”的膨化結(jié)構(gòu)，便于在熱箱和流化床中進(jìn)一步脫除水分和揮發(fā)分，而如果膠粒本身就是致密的顆粒，則閃蒸的效果就會受到影響，進(jìn)而影響到膠粒的最終含水率。

圖2 膨脹干燥機(jī)模板、模孔、?？兹?/p>

2.4 膠粒尺寸

膠粒的大小對后處理工序的操作同樣有影響。較大的顆粒意味著內(nèi)部的孔洞更長，會增大脫水的難度，而較小的顆粒則更容易堵塞振動脫水篩，不僅影響脫水篩的脫水效果，增大了清理檢修的頻率，而且脫水篩效果下降也會影響擠壓機(jī)、膨脹機(jī)的使用。

3 核心控制、監(jiān)測點(diǎn)

后處理工序設(shè)計和操作中需要重點(diǎn)控制和檢測的位置主要有以下幾點(diǎn)：

3.1 擠壓機(jī)出口的含水率

擠壓機(jī)螺桿為定速轉(zhuǎn)動，不能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，但可以調(diào)節(jié)出口的液壓閘板開度和兩段籠條（圖3）以控制出料的含水率。通常擠壓機(jī)出口處膠粒的含水率應(yīng)控制為8%～12%。

圖3 擠壓脫水機(jī)兩段籠條

3.2 膨脹機(jī)模頭的溫度、壓力以及出口含水率

膨脹干燥機(jī)是后處理工序的核心設(shè)備，膨脹機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速可通過變頻調(diào)節(jié)，機(jī)筒為三段溫度控制均在大于100℃，模頭處的溫度最高。模頭的切刀轉(zhuǎn)速同樣為變頻調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速通常根據(jù)加工負(fù)荷來調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)模頭的溫度、壓力，達(dá)到控制出口膠粒含水率的要求。

3.3 流化床出口溫度及含水率

流化床采用三段床層溫度控制（圖4），進(jìn)口處的兩段為熱空氣加熱物料，接近出口時采用冷卻的空氣將物料冷卻。出料溫度過高，膠粒發(fā)生粘連不利于輸送，溫度過低則分子運(yùn)動較慢，壓塊時膠粒難以相互黏接形成膠塊，因此出料溫度需要長期摸索并準(zhǔn)確控制。通常流化床出口溫度控制在40℃，含水率為0.5%以下。

圖4 流化床三段床層

3.4 設(shè)備的表面噴涂

在后處理過程中，由于橡膠經(jīng)過高溫膨脹、干燥之后，容易產(chǎn)生發(fā)黏、結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象，在熱箱輸送機(jī)、流化床等設(shè)備上結(jié)成一層膠屑，如果掛膠清理不及時，將產(chǎn)生堵塞，導(dǎo)致停車。即使沒有發(fā)生堵塞情況，長期存在的掛膠會發(fā)生塑化，脫落后進(jìn)入膠料會造成橡膠質(zhì)量不合格，影響橡膠產(chǎn)品的性能。設(shè)計中可以將上述輸送設(shè)備與物料接觸的部分采用特氟龍噴涂技術(shù)，由于特氟龍具有優(yōu)良的防黏性能，可以大大緩解橡膠的黏結(jié)現(xiàn)象，避免掛膠混入橡膠的情況，而且可以減少清理頻率，降低外操人員的勞動負(fù)荷。

3.5 切換側(cè)線出料

在設(shè)計過程中，考慮到可能發(fā)生的堵塞情況，在膨脹機(jī)入口和熱箱輸送機(jī)處設(shè)置了側(cè)線出料溜槽，當(dāng)下游設(shè)備堵塞時，可以及時將上游設(shè)備來料通過溜槽排出，為檢修清理下游設(shè)備爭取時間，待清理完畢后再切換為正常路線，避免由于物料無法緩沖造成整個后處理工序停車。

4 結(jié)語

后處理工序是乙丙橡膠中包裝前的最后一道工序，對決定最終產(chǎn)品的含水率和揮發(fā)分含量具有關(guān)鍵作用。后處理單元中受前序工序產(chǎn)生的物料性質(zhì)的影響較大，對這些因素進(jìn)行分析，探索出設(shè)計和操作過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的核心因素，可以提高操作的穩(wěn)定性，同時保證最終產(chǎn)品的性質(zhì)，對乙丙橡膠裝置的生產(chǎn)具有重要意義。