乙交酯干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

紀佳偉 竇 巖 令永功 海 剛 米 超

（天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司)

隨著碳中和與碳達峰概念的提出，我國對普通塑料的使用限制越來越高，禁塑令的下達讓傳統(tǒng)塑料的應(yīng)用條件越來越嚴格。 目前，大多數(shù)可降解塑料，無論是生物降解還是光降解，其每噸價格動輒2萬～3萬元，非常不利于全民推廣，因此急需找到一種價格低廉、性能優(yōu)良的可降解塑料進行替代。

聚乙醇酸（Polyglycolic Acid，PGA）也稱聚乙交酯，具有良好的生物降解性和較高的機械強度，是一種極具應(yīng)用潛力的合成高分子材料。 在乙二醇聯(lián)產(chǎn)工藝中， 由草酸二甲酯與氫氣反應(yīng)生成乙醇酸甲酯， 再由乙醇酸甲酯脫醇生成乙醇酸甲酯低聚物，解聚反應(yīng)后生成乙交酯，乙交酯再經(jīng)過開環(huán)聚合后便可得到高分子量的PGA。 在此生產(chǎn)過程中， 乙交酯的純度對PGA的分子量具有非常重要的影響，為此筆者設(shè)計了一種乙交酯干燥設(shè)備，通過對乙交酯進行干燥提純， 為后續(xù)乙交酯的開環(huán)聚合創(chuàng)造條件，達到提高PGA產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

筆者設(shè)計的乙交酯干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 其上部為兩級料倉，料倉Ⅰ具有攪拌功能，可以防止?jié)窳铣练e粘結(jié)，料倉Ⅱ中保持合適的料位以保證真空系統(tǒng)的真空度；料倉Ⅱ下布置有螺旋進料器（保證物料均勻進料）和球閥（具有及時停止進料的作用）， 用于將料倉和臥式雙軸干燥機進料端相連。 物料進入干燥機中依次經(jīng)過耙齒區(qū)和槳葉區(qū)進行逐步干燥， 經(jīng)U形結(jié)構(gòu)保證足夠的停留時間后逐漸由排料板排出設(shè)備進入緩沖罐； 干燥機上部布置4組布袋除塵器以達到清洗尾氣和回收溶劑的作用；緩沖罐通過行星卸料閥連接到出料倉，出料倉上端連接布袋過濾器用于過濾干燥后的物料粉塵。

圖1 乙交酯干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 臥式雙軸干燥機

臥式雙軸干燥機（圖2）主要由殼體、端蓋、夾套、傳動鏈輪、攪拌軸和葉片組成。 干燥機的第一攪拌系統(tǒng)設(shè)于殼體內(nèi)的一側(cè)，包括進料軸、進料刮刀、槳葉和耙齒；進料軸與殼體連接，槳葉和耙齒設(shè)于進料軸上，進料軸、槳葉和耙齒的內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，并填充有加熱介質(zhì)；進料刮刀設(shè)于進料軸的一端。 第二攪拌系統(tǒng)設(shè)于殼體內(nèi)的另一側(cè)，包括出料軸、出料刮刀、槳葉和耙齒；出料軸與殼體連接，槳葉和耙齒設(shè)于出料軸上，出料軸、槳葉和耙齒的內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，并填充有加熱介質(zhì)；出料刮刀設(shè)于出料軸的一端。

圖2 臥式雙軸干燥機結(jié)構(gòu)示意圖

在實際工作中，首先需要對臥式雙軸干燥機進行抽真空操作。 進料軸和出料軸開始攪拌后，物料從進料口進入，進料刮刀可防止物料停留在殼體一端的端蓋上，同時在進料軸前端耙齒的攪拌作用下，物料逐漸進入槳葉區(qū)，槳葉上分布有方向性的非金屬刮板從而推動物料前進，物料在槳葉區(qū)進行充分預(yù)熱，當物料隨耙齒轉(zhuǎn)動到進料軸后端的耙齒時，在出料刮刀的作用下進入出料軸側(cè)進行二次干燥，并繼續(xù)隨著出料軸的轉(zhuǎn)動到達出料口，以此形成物料的U形行程。

1.2 料倉

料倉（圖3）主要由筒體、端蓋、攪拌槳、密封氣室和傳動系統(tǒng)組成。 筒體底部為倒錐形，可防止?jié)窳隙逊e； 低速攪拌的槳葉可使排料速度穩(wěn)定，保證均勻出料。 底部密封氣室將動密封轉(zhuǎn)換成靜密封，可極大地提高密封效果。 在實際工作中，濕料由上游設(shè)備進入料倉內(nèi)并堆積到一定的料位，形成料封，以保證下游真空系統(tǒng)的真空度。

圖3 料倉結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 螺旋進料器

螺旋進料器（圖4）主要由傳動系統(tǒng)、端蓋、螺旋軸和筒體組成。 合理地均布螺旋葉片可以在保證物料出料速度穩(wěn)定的同時不會卡阻。 一對相向旋轉(zhuǎn)的螺旋軸可以充分地對物料進行推動。 非傳動端壓蓋可將軸間動密封轉(zhuǎn)變?yōu)殪o密封，提高密封效果。

圖4 螺旋進料器結(jié)構(gòu)示意圖

2 工作原理

整套乙交酯干燥設(shè)備的工作原理為：來自上游的乙交酯通過上游設(shè)備進入料倉，料倉設(shè)置刮料軸將物料均勻送入干燥機的給料裝置，物料經(jīng)過給料裝置后進入真空連續(xù)干燥機內(nèi)，乙交酯在干燥機內(nèi)與通有熱水的葉片充分接觸干燥，使物料中的濕分被不斷被蒸發(fā)，完成干燥后的乙交酯從干燥機入口向出口方向運動，當物料到達干燥機出口時成為溶劑含量小于2 000ppm （1ppm=0.001‰）的產(chǎn)品；產(chǎn)品從干燥機下料口進入一級出料倉并通過一級旋轉(zhuǎn)閥進入二級出料倉，再經(jīng)二級出料倉的旋轉(zhuǎn)閥后進入下游氣力輸送入口。干燥尾氣經(jīng)布袋除塵器凈化后通過一級真空泵組和文丘里洗滌器進入尾氣處理系統(tǒng)，尾氣經(jīng)過文丘里和洗滌塔的二級洗滌后利用兩級換熱器對尾氣進行二次冷卻，冷卻后的尾氣和少量溶劑通過真空泵排出，最后進入后續(xù)處理系統(tǒng)。

3 單元設(shè)備

3.1 給料裝置

給料裝置主要由含刮板的料倉、料倉出口球閥、 含刮板的螺旋輸送機及其出口球閥等組成，其主要作用是控制調(diào)節(jié)干燥機入口乙交酯的給料量。

3.2 出料倉單元

出料倉單元由兩級料倉、行星卸料閥和球閥組成，其主要作用是存放干燥后的乙交酯。 每套干燥設(shè)備的物料出口設(shè)置兩個出料倉，控制料位形成料封后保證設(shè)備的連續(xù)使用。 為保證干燥機的負壓狀態(tài)，在料倉Ⅱ頂部進行抽真空，使真空度為2 kPa。出料倉單元的兩臺料倉出口均設(shè)置一臺球閥，可切換使用保證料倉間斷進出料。

3.3 尾氣處理單元

尾氣處理單元主要由布袋除塵器、真空泵組等組成， 其作用是回收干燥尾氣帶出的粉塵、凈化尾氣，同時回收溶劑。 從干燥機尾部排出的載氣、溶劑蒸氣和乙交酯粉塵被真空泵組抽吸到布袋除塵器內(nèi)進行氣固分離。 凈化后的載氣、溶劑蒸氣經(jīng)真空泵組后被冷凝器冷凝，使溶劑蒸氣變?yōu)橐合啵Ｓ辔矚膺M入系統(tǒng)回收單元。

3.4 干燥設(shè)備

干燥設(shè)備的主要作用是干燥乙交酯中的溶劑。 來自熱水供應(yīng)單元的40 ℃熱水由兩根熱軸和殼體夾套進入干燥設(shè)備，通過間接換熱的方式加熱物料，從而使物料中的溶劑揮發(fā)。 經(jīng)過換熱后的熱水回到熱水罐中循環(huán)使用。

來自給料裝置的濕物料連續(xù)加入真空干燥機內(nèi)，熱源通過干燥機空心熱軸和夾套將熱量傳遞給物料，物料溫度升高，物料內(nèi)的溶劑受熱蒸發(fā)，使乙交酯干燥，在熱軸的帶動下，濕物料與加熱面不斷更新，物料得到最大限度地混合、干燥，最終固體從干燥機側(cè)部排出，進入出料倉單元。

3.5 熱水單元

熱水單元主要由熱水罐、水泵等組成，其作用是為干燥機供應(yīng)熱源。 來自公用工程的蒸汽通過調(diào)節(jié)閥門進入熱水罐，加熱后變成熱水，熱水經(jīng)過水泵參與到干燥機的干燥過程中，換熱后回到熱水罐。 該單元根據(jù)熱水溫度調(diào)節(jié)閥門開度，使熱水溫度始終保持在40 ℃。

3.6 安全保護單元

在干燥過程中，控制干燥機在-500 Pa（入口壓力的負壓條件下運行， 既可防止粉塵外漏，又可提高裝置運行的安全性，適用于干燥危險性或爆炸性的介質(zhì)。

在干燥過程中， 控制干燥機溫度保持在40 ℃，防止乙交酯超溫。 在干燥裝置正常運行時，嚴禁對運行設(shè)備尤其是布袋除塵器等設(shè)備進行在線檢修，設(shè)備的人孔、觀察孔及設(shè)備可拆蓋等均不允許打開， 防止空氣進入裝置從而引發(fā)閃爆事故。

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一套乙交酯干燥設(shè)備，介紹了設(shè)備的工作原理，該設(shè)備具有處理量大、進出料穩(wěn)定和干燥效果好的優(yōu)點。 經(jīng)實踐驗證，該設(shè)備運行穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量好，可為后續(xù)乙交酯的開環(huán)聚合創(chuàng)造條件。此外，該設(shè)備可應(yīng)用于PLA等多種可降解塑料的聚合前處理，應(yīng)用范圍廣泛，具有一定的市場推廣應(yīng)用價值。