聚氯乙烯專用樹脂干燥工序中噴霧干燥技術的應用研究

劉思琦

(唐山三友氯堿有限責任公司,河北 唐山 063305)

隨著樹脂在工業領域與日常生活中的廣泛使用,越來越多的化工單位開始加大對此種材料的研發。通常情況下,樹脂可使用懸浮法、乳清制法得到。在對此材料的深入研究中發現,其具有較細的粒度,整體質地與滑石粉較為接近,同時,樹脂不具備流動性,在使用中,會將其與增稠類試劑進行攪拌與混合,從而形成懸浮溶液用作糊料與溶膠[1]。在制作樹脂過程中,可結合用途,添加對應的穩定劑、稀釋劑等輔助材料,以改善其性能。目前,樹脂已被廣泛應用到皮革生產、地墊制作、塑膠玩具加工等領域中。為發揮聚氯乙烯(PVC)專用樹脂在工程領域的經濟效益與價值,相關單位提出了多種針對專用樹脂的生產制造工藝。在工藝過程中,干燥處理是不可忽視的重要環節,也是樹脂粒子二次形態形成的重要工序。干燥過程中,裝置進出口溫度、進料狀態等多項工序參數都會對其產出效果造成影響[2]。因此,專用樹脂生產中加工環節的干燥處理問題,是目前化工領域與相關企業的關注重點。為實現對生產中干燥工序的優化,本研究以某PVC專用樹脂生產單位為例,對其干燥生產工序中的噴霧干燥技術應用展開研究,旨在降低生產中原材料的損失,提升產品質量。

1 噴霧干燥技術裝置選擇

為確保PVC專用樹脂的干燥處理工序達到預期效果,在開展相關研究前,應設計噴霧干燥技術的應用參數。噴霧干燥處理裝置大多采用負壓運行方式,干燥中需要配備一臺吸風裝置,使噴霧干燥處理中的壓力維持在1 950～1 970 Pa范圍內[3]。處理過程中,微粒與熱風處于平行流動狀態,因此需要根據PVC專用樹脂的干燥處理需求,主動調節處理裝置的熱風進出口溫度、進料速度與干燥處理風壓等。

空氣壓力是衡量阻力和空氣流量穩定性的一個重要指標,裝置在干燥處理時要具有阻力小、風量大、穩定性好等特點[4]。在此基礎上,霧化器噴嘴直徑對微粒的分布和最終生成形態具有一定的影響,因此還需要在調節上述參數的基礎上,做好霧化器孔徑的調節。國內現有的噴霧機主要有離心式和加壓式兩種。根據PVC專用樹脂的干燥處理需求,目前壓力噴嘴型霧化器的使用頻率越來越小。同時,離心式圓盤噴霧機在作業中的所需功率較低,對固含量和黏度的要求不高,且進給速率變化對微粒尺寸的影響較小。而離心式噴霧機的噴嘴可以將液體均勻地霧化,生成霧粒尺寸分布較為均勻,適合制備顆粒細小、大小均一的微粒[5]。其生產能力較高,處理液體量較大,還可以調節霧化物的顆粒大小和分布,滿足不同的應用需求。因此選擇離心式噴霧機作為干燥處理中的主要裝置。

2 樹脂離心霧化

噴嘴的結構設計對PVC專用樹脂干燥性能和干燥處理技術經濟性能具有較大的影響。噴霧分散程度越高,烘干效率越高;噴霧愈均勻,則PVC專用樹脂干燥成品含水量波動越小。在生產過程中,經常會出現大顆粒未完全干燥、小顆粒已經干透的情況。因此,噴嘴的設計既要保證液體分散需求,又要使顆粒尺寸變化符合最小的工藝要求[6]。在對PVC專用樹脂進行離心霧化處理過程中,需要將樹脂液體注射到圓盤中,此時液體受到離心力和重力的作用,產生一定的加速度,從而分裂霧化。轉速越高,分離力越大,可以得到更細小的噴霧顆粒;反之,轉速越低,則所得到的小顆粒越少,粒徑會變得較大。液體通過噴嘴進入噴霧室,由于噴嘴的高速旋轉,液體從噴嘴中噴出后,受到離心力作用逐漸變成小液滴,從而霧化[7]。離心霧化過程如圖1所示。

圖1 PVC專用樹脂離心霧化處理Fig. 1 Centrifugal atomization treatment of PVC special resin

霧化輪的轉速和輪徑對于液滴形狀具有較大的影響,為了提高液滴霧化效果,可以通過增加輪徑的方法來促進轉速的提升。液滴霧化效果可通過液滴平均粒徑來衡量,液滴平均粒徑越小,證明霧化效果越好。

按照上述方式,完成PVC專用樹脂離心霧化處理。

3 基于變頻控制的黑色塑化塊處理

在上述內容的基礎上,使用儀器裝置對PVC專用樹脂進行干燥處理,處理過程中,發現噴嘴上有黑色的塑化塊,工廠里有燒焦的氣味,隨后的巡視又發現了深棕色的塑化塊[8]。此種現象是PVC專用樹脂干燥處理中較為常見的現象,可以采用變頻控制干燥裝置的方式,進行黑色塑化塊的處理。處理過程中,可通過噴嘴進料泵變頻調節噴嘴電流;調節蒸汽調節閥的開度,以控制換熱器的溫度;調節變頻器進料泵的頻率,以控制裝置的進氣量[9]。除上述操作外,還可以通過調節噴嘴進口溫度、停留時間(噴霧干燥室的壓力),控制出口溫度;通過調節風機頻率、霧化干煤室內的氣壓,調節空氣的流量等。

通過對熱風分配裝置的下部圓錐風葉角度的調整,逐漸減小噴嘴下出現錐形料的狀況,解決氣流分布不均勻的問題,避免造成噴嘴下部錐形燒焦黏合[10]。按照上述方式,實現基于變頻控制的黑色塑化塊處理,完成PVC專用樹脂干燥工序中噴霧干燥技術的應用研究。

4 實例應用分析

以某地區PVC專用樹脂生產單位為試點,展開如下實例應用實驗。

實驗前,對試點PVC專用樹脂生產單位進行調研,發現此單位在2018年正式將購進的PVC專用樹脂生產儀器投入使用,并在當年12月實現了一次性開車。但根據生產單位的反饋,裝置開車使用后面臨冬季低溫作業,并且受到生產環境的限制,導致在PVC專用樹脂生產過程中,干燥裝置因多種因素的影響,容易發生波動,從而在干燥處理過程中引起大量成品物質揮發。根據該企業生產過程中的不完全統計,去年PVC專用樹脂生產中,由于干燥處理中成品揮發導致的PVC專用樹脂材料損失已經嚴重影響了企業的正常生產與運營。部分已經產出并投入市場使用的PVC專用樹脂由于揮發后存在雜質,導致部分批次的產品在質量驗收中出現了不合格現象。為提高企業PVC專用樹脂生產質量,優化PVC專用樹脂在加工處理中的干燥工序,在與負責人進行綜合交涉后,決定嘗試之前設計的方法,進行PVC專用樹脂的干燥處理。

為確保相關工作達到預期效果,干燥處理前,確定PVC專用樹脂干燥處理裝置的技術參數,相關內容如表1所示。

表1 PVC專用樹脂干燥處理裝置技術參數Tab. 1 Technical parameters of PVC specialized resin drying treatment device

根據PVC專用樹脂干燥處理需要,設計噴霧干燥技術參數。在此基礎上,使用三菱化PVC專用樹脂干燥處理裝置,進行樹脂的離心霧化。最后,通過對裝置的變頻控制,解決干燥處理過程中材料出現的黑色塑化塊問題。實驗過程中,以作者提出的干燥處理步驟作為參照,設計進口溫度為實驗過程中的變量。通常情況下,生產單位為滿足PVC專用樹脂的干燥處理需求,將裝置的進口溫度設置為175～180 ℃,本次實驗設定裝置的進口溫度為160～170 ℃,分析在不同條件下,PVC專用樹脂干燥處理后產品揮發的質量分數。在此過程中應注意,PVC專用樹脂的B式黏糊度須保持4.0～5.0 mPa·s,以符合標準。

按照上述方式,隨機選擇某一批次中5個PVC專用樹脂產品為測試對象,標記編號為a、b、c、d、e,對比5個PVC專用樹脂產品在應用本研究所述方法進行干燥處理過程后揮發物質量分數的變化。其結果如表2所示。

表2 PVC專用樹脂干燥處理過程中揮發物質量分數統計Tab. 2 Statistics of volatile matter mass fraction during the drying process of PVC special resin

從表2所示的實驗結果中可以看出,本研究方法應用前,裝置進口溫度為175～179 ℃,PVC專用樹脂干燥處理過程中揮發物質量分數在0.56%～0.95%之間;應用本研究方法后,裝置進口溫度調整為162 ℃～170 ℃,PVC專用樹脂干燥處理過程中揮發物質量分數在0.10%～0.20%之間。

綜合上述結果與實驗過程中的條件與變量可知,在排除外界因素影響與干擾的條件下,作者設計的PVC專用樹脂噴霧干燥技術在實際應用中具有可行性,即PVC專用樹脂的B式黏糊度滿足4.0～5.0 mPa·s需求,此項技術可以實現對PVC專用樹脂的干燥處理。與此同時,由于本研究方法將裝置進口溫度從175～179 ℃下調到162～170 ℃,在溫度下調后,PVC專用樹脂干燥處理過程中揮發物質量分數顯示出明顯的下降趨勢,下降最高的是產品d,揮發物質量分數下降了0.75%,說明PVC專用樹脂干燥處理過程中揮發物質量分數與裝置進口溫度呈正相關關系,裝置進口溫度越低,PVC專用樹脂干燥處理過程中揮發物質量分數越低。因此,在完成上述實驗后,得到如下結論:此次設計的噴霧干燥技術應用效果良好,此項技術可以實現對PVC專用樹脂的干燥處理,同時,當干燥處理裝置進口溫度在160～170 ℃時,揮發物質量分數可以達到一個相對較低的水平。此種方式可以降低干燥處理中成品的揮發,提高處理后成品的質量,為PVC專用樹脂的生產提供全面的技術支撐。

5 結語

PVC專用樹脂在常態下呈糊狀,在日常生活中,人們常使用此種材料作為增稠試劑,故可以將其作為PVC塑料加工生產過程中末加工工序產出的一種特殊材料。為提高PVC專用樹脂的成品質量,可從生產中的干燥工序入手,對其加工、制造過程加以控制。本研究以某PVC專用樹脂生產單位為例,通過噴霧干燥技術參數設計、樹脂離心霧化、基于變頻控制的黑色塑化塊處理,對其干燥生產工序中的噴霧干燥技術應用展開設計。設計成果經過實例檢驗證明,可實現對PVC專用樹脂的干燥處理。當干燥處理裝置進口溫度在160～170 ℃時,揮發物質量分數可以達到一個相對較低的水平。在后續工作中,可以根據生產單位的實際需求與作業條件,嘗試將本研究設計的成果投入生產,為產出高品質PVC專用樹脂成品材料提供幫助。