高效脫除聚丙烯熔噴專用料中VOC 的工藝技術

高 妍 趙澤昊 杜皓蕾 竇 巖

（1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司；2.中國科學院上海有機化學研究所）

醫用口罩一般由無紡布、熔噴布、鼻梁條、耳帶構成，熔噴布是口罩最核心的材料，聚丙烯熔噴專用料熔體質量流動速率在300～2000g/10min范圍內，適用于熔噴法無紡布成型工藝，是生產聚丙烯熔噴布產品的主要原料。 聚丙烯熔噴專用料受制于在生產過程中存在的催化劑殘留、助劑分解及樹脂本身降解等多方面的因素，導致熔噴料存在氣味較大、VOC 含量高等問題。

國內外學者對低VOC 聚丙烯做了不同程度的研究，取得了一些進展，如：篩選與使用效果更好的穩定性助劑［1，2］；優化加工工藝，采用高溫擠出造粒，在擠出過程中使用抽真空的方式并對造好的粒子進行高溫烘烤干燥，能一定程度上脫除聚丙烯中的殘留物［3，4］；添加對低分子殘留物吸附效果良好的組分， 研究發現添加一定量的火山灰、沸石分子篩等無機多孔材料能消除聚丙烯中的VOC，但吸附效果受這類物質的比表面、孔結構、表面結構、孔徑大小、孔徑分布的影響［5～8］。

這些對聚烯烴產品VOC 脫除的研究主要集中在汽車內飾件和涂料兩方面。 脫除手段主要著眼于助劑調整、吸附等輔助層面，包括：遮味劑（短期有效，不能從根本上解決VOC 氣味問題）、化學除味劑（對含硫化合物作用明顯，但對醛、酮和苯VOC 幾乎無效）、物理吸附劑（對制品加工工藝要求較高，本質上屬于VOC 緩釋，不同的標準測試差別明顯）、 擠出抽真空 （高溫擠出產生新的VOC，可能影響產品性能，能耗高，高真空環境影響裝置長周期穩定運行）、二次干燥（效果不明顯，增加額外成本，還容易引起白色塑料黃變）、改變催化劑（產品性能和裝置運行的穩定性有待長期檢驗）。這些方法均不能從根本上解決VOC 釋放問題，不適用于熔噴專用料的VOC 控制。

我國所生產的熔噴料VOC 含量多大于500ppm（1ppm=0.001‰），甚至大于1 000ppm，而國外采用茂金屬工藝所生產的高熔指聚丙烯，其VOC 含量較低，約為250ppm 左右，目前進口熔噴料主要供應生產企業有埃克森、 韓國LG 及巴塞爾等，但相關技術嚴格保密。

2020 年初， 隨著新冠肺炎疫情蔓延全球，防疫物資原料成為“搶手貨”，熔噴布因需求量驟增而產能有限，故市場缺口極大，熔噴專用料VOC的釋放也成為亟待解決的問題之一。 為打贏疫情防控阻擊戰，國內聚丙烯生產企業擔負起生產熔噴專用料的責任，爭分奪秒建設熔噴專用料生產線，天華院也設計制造了一種以雙錐回轉汽蒸反應器作為關鍵設備的脫VOC 技術。

1 雙錐回轉汽蒸法脫VOC 工作原理

雙錐回轉法脫VOC 工藝技術以低壓飽和蒸汽作為加熱和脫氣介質。 其工作原理為：通過蒸汽與聚丙烯顆粒料直接接觸加熱，加熱過程聚丙烯顆粒中的揮發分（VOCs）不斷向熱蒸汽中擴散；而且加熱條件下，聚丙烯鏈加速熱運動，發生退火結晶現象，也促進揮發分向外擴散，同時熱蒸汽還可以穿透聚丙烯顆粒料氣孔，將附著在聚丙烯顆粒料內部的揮發分（VOCs）攜帶出來進入汽相，然后通過蒸汽定排來達到脫除聚丙烯顆粒料中揮發分（VOCs）的目的。

2 雙錐回轉汽蒸法脫VOC 工藝技術

2.1 工藝流程

以雙錐回轉汽蒸反應器為核心設備的聚丙烯熔噴專用料脫VOC 工藝主要由雙錐回轉汽蒸反應器、凝液罐、洗滌塔、真空泵和產品上料系統組成，工藝流程框圖如圖1 所示。

圖1 雙錐回轉汽蒸法聚丙烯熔噴專用料脫VOC 工藝流程框圖

來自擠壓造粒工序的熔噴專用聚丙烯顆粒料在系統內真空泵的抽吸作用下，被吸入至雙錐回轉汽蒸反應器的內膽中，采用氮氣置換反應器內膽中的空氣， 汽蒸反應器內膽內通入溫度約100～115℃的飽和蒸汽進行汽蒸反應， 此時干燥機不轉動，蒸汽通入時間約為1.0～2.5h。飽和蒸汽進入內膽后與物料直接接觸，加熱物料的同時物料內的VOC 不斷向表面遷移并向蒸汽相擴散，脫出的VOC 進入蒸汽和凝液中， 并隨少量定排蒸汽和凝液由反應器進入凝液罐中，凝液由疏水閥排出系統， 凝液罐頂部定排的含VOC 蒸汽進入洗滌塔中進行洗滌冷卻降溫，不凝汽由塔頂排至大氣，塔底定排水與凝液罐排出的凝液一起排至含油污水管網。

當汽蒸反應結束后，關閉內膽蒸汽。 在真空泵的作用下，將內膽中殘留的蒸汽凝液抽濾至凝液罐中，斷開凝液罐與汽蒸反應器之間的連接管道。 開啟反應器主電機，轉動汽蒸反應器，在夾套蒸汽作用下，內膽繼續向外蒸發水分，此時再次開啟真空系統， 進一步將物料中的微量VOC 排出系統，達到深度脫除VOC 和除味的目的，同時在真空泵的作用下，物料進行降溫干燥，保持出料產品含水量合格。 產品出料前需采用氮氣置換內膽中空氣2～3 次。

脫VOC 和干燥處理后的熔噴料， 經出料緩沖斗緩沖后，在真空上料系統的抽吸作用下排至產品倉中儲存，并進行后續包裝處理。

2.2 關鍵設備

本技術所采用的關鍵設備為雙錐回轉汽蒸反應器，其結構示意圖如圖2 所示，設計參數如下：

設計壓力 夾套0.3MPa/全真空

內膽－0.10～0.15MPa

設計溫度 夾套135℃

內膽135℃

設備容積 不大于10m3，裝料容積不大于5m3

加熱面積 不大于30m2

轉速 0～4r/min 變頻調速

材料 304

雙錐回轉汽蒸反應器是在現有雙錐干燥機的基礎上進行優化改進設計得到的，該設備是集汽蒸反應功能和干燥功能于一體的新型反應器。蒸汽通入內膽后，由上至下穿透料層，與物料充分接觸，蒸汽和凝液攜帶VOC 由底部蒸汽、凝液出口排出設備，出口設計有過濾網，防止物料在反應過程中排出，其內部結構簡單，物料無殘留。抽吸口采用金屬燒結濾網，防止細粉抽出影響真空系統。

2.3 工藝參數確定

2.3.1 操作溫度

測試原料VOC 含量為990ppm，考察了停留時間2h 的試驗條件下，操作溫度對脫VOC 效果的影響（圖3）。

圖2 回轉雙錐汽蒸反應器結構示意圖

由圖3 可以看出：在停留時間2h 條件下，隨著操作溫度的提高，產品中VOC 含量逐漸降低，操作溫度在115℃時，VOC 含量降低至50ppm。試驗過程中發現進一步提高操作溫度會導致產品黃色指數偏高并出現粘結現象，因此優選的操作溫度為115℃。

2.3.2 停留時間

測試原料VOC 含量為990ppm，考察了不同操作溫度下，停留時間對脫VOC 效果的影響（圖4）。

圖4 不同操作溫度下停留時間對脫VOC 效果的影響

由圖4 可以看出：熔噴料聚丙烯經過熱處理后VOC 均有不同程度的降低， 在操作條件105℃， 停留時間3h 不能滿足工藝要求 （小于100ppm）。在110～115℃操作條件下，停留時間2h即可滿足工藝要求，繼續延長停留時間雖然VOC含量會繼續降低， 但所需要的操作時間延長，處理能力降低。 從經濟性方面考慮，最終優選的操作條件為汽蒸停留時間2h，操作溫度115℃。

2.4 技術特點

雙錐回轉汽蒸法脫VOC 技術優點如下：

a. 該技術為間歇操作過程，適用于每批次處理熔噴料不大于2.5t、每天處理熔噴料不大于20t的情況；

b. 該技術脫VOC 速率快、效率高，在115℃操作條件下， 停留時間2h 可將VOC 降低至100ppm 以下，優于進口原料，同時可將熔噴料的氣味評級由5.0～6.0 降低至3.5～4.0；

c. 熔噴專用聚丙烯在加熱過程中會出現少量粘結現象，靜止的情況下，會導致產品出料困難，而雙錐回轉汽蒸反應器為轉動設備，避免了物料的粘結問題；

d. 熔噴料的汽蒸反應和產品干燥在一臺設備中完成，工藝流程簡單、設備占地面積小、投資小、可操作性強；

e. 熔噴料在進行汽蒸反應前和產品出料前，均在真空泵的抽吸作用下采用氮氣置換空氣，避免了物料在高溫下接觸空氣發生反應而造成產品黃色指數升高的情況。

3 產品指標

經雙錐回轉汽蒸法處理后的產品與進口原料各指標對比見表1。

表1 熔噴料處理前后及進口原料指標對比

由表1 可知，經過雙錐回轉汽蒸法處理后的產品VOC 含量遠低于進口原料， 氣味等級較原料有很大改善，接近進口原料，其各項性能指標均滿足熔噴料技術指標要求。

4 結論

4.1 筆者提出了一種高效脫除聚丙烯熔噴專用料中VOC 的技術，運行結果表明，在115℃、2h 停留時間操作條件下， 熔噴料VOC 可降低至50ppm 以下，氣味等級降至3.5～4.0，較原料改善明顯，產品指標接近甚至超過進口原料水平。

4.2 這種以雙錐回轉汽蒸反應器為核心設備的處理技術，可在一臺設備中完成汽蒸反應和產品干燥，設備占地面積小、流程簡單、可操作性強。

4.3 天華院在全國疫情最危急的時刻，以最快的速度設計并建成的深度脫除VOC 裝置， 已成功運用于中石化燕山石化分公司和中石油蘭州化工研究中心，并一次性投產成功，產出優質產品。