纖維料PPH-Y35X開發(fā)中的難點及對策

許文雷 , 張清波 , 李希迪 , 郭新營

(中國石化 洛陽分公司 , 河南 洛陽 471012)

0 前言

聚丙烯纖維料是以丙烯為原料制得的一種均聚聚丙烯。具有質輕、柔軟、撥水、透氣、無毒、可循環(huán)利用等優(yōu)點,廣泛應用于醫(yī)療衛(wèi)生、家庭服飾、汽車工業(yè)、農業(yè)等各個行業(yè)。洛陽石化自主開發(fā)的纖維料PPH-Y35X,作為無紡布專用料,不含塑化劑、有機錫等物質,綠色環(huán)保,具有高取向、低灰分、高強度、可紡性佳等特點。

1 生產工藝選擇

聚丙烯纖維料生產工業(yè)上主要有氫調法和降解法兩種生產工藝。氫調法是在聚合過程中加入氫氣,以調節(jié)聚丙烯的相對分子質量及其分布,從而生產較高熔融指數的聚丙烯產品。降解法是在較低熔融指數聚丙烯粉料的基礎上,通過加入液體或固體過氧化物,隨擠壓造粒機擠壓、熔融、混煉進行聚丙烯降解,得到高熔融指數、窄相對分子質量分布的產品。

降解法生產的纖維料比氫調法具有相對分子質量分布窄、可紡性好、加工穩(wěn)定性好、耐熱穩(wěn)定型好等優(yōu)點,且具有穩(wěn)定的市場需求和較好的差別化效益[1]。對生產裝置來說降解法生產纖維料,產品轉換時間短,過渡料少。鑒于以上優(yōu)點,洛陽石化2#聚丙烯裝置決定采用降解法生產纖維料。

2 開發(fā)過程

2.1 生產工藝簡介

洛陽石化2#聚丙烯裝置采用HR催化劑,在兩環(huán)管反應器進行對稱加氫,生產熔融指數為3.0 g/(10 min)的聚丙烯粉料,粉料經汽蒸干燥后與復配抗氧劑按照一定比例加入到造粒機混合器M802中混合。混合后加入到雙螺桿造粒機,在造粒機筒體中連續(xù)注入液體過氧化物,經混合、熔融、剪切、加壓,在造粒機筒體中熔融降解熔融指數為35 g/(10 min)的聚丙烯樹脂,由旋轉的24把切刀于水下切粒后,形成聚丙烯粒料。

2.2 開發(fā)過程

2#聚丙烯裝置造粒機組為國產第一臺不帶齒輪泵的造粒機組,有高速檔及低速檔兩檔可進行停機調整。2014 年首次進行纖維料生產,使用沈陽金峰切刀、模板。造粒機各項參數調整如表1所示。

表1 首次生產纖維料造粒機參數

此次試生產纖維料50 t,連續(xù)3次采樣化驗分析熔融指數均在(35±2)g/(10 min),且各項指標均達到要求,下游客戶試用反饋良好。隨后又進行了多次放大生產,但由于降解法生產纖維料的特性和使用國產不帶齒輪泵造粒機組生產尚屬首次,無經驗可參考,試生產期間多次出現纏刀、墊刀、斷刀等異常現象,導致切粒水室多次“灌腸”,干燥器頻繁堵塞。切粒成型效果差,蛇皮粒、拖尾粒及細粉大量增多,后續(xù)造成料倉輸送,淘洗系統(tǒng)頻繁堵塞,給裝置連續(xù)化生產帶來極大的挑戰(zhàn)。

3 纖維料生產難點

氫調法產品在造粒過程中只是簡單的物理熔融再造粒。降解法生產纖維料時,造粒機同時發(fā)生快速降解反應,可能會出現過氧化物與熔融的聚丙烯混合不均勻現象,降解程度不同,造粒機筒體內的聚丙烯熔體熔融指數相差較大。因此筒體后段通過模板的熔融態(tài)聚丙烯的流動性會不一致,導致造粒機切粒不穩(wěn)定,頻繁出現切粒機纏刀,造粒機停機。并且降解法生產的纖維料較加氫法生產的高融值產品熔體剪切黏度更低,更難進行水下造粒。

3.1 過氧化物加入系統(tǒng)不穩(wěn)定

3.1.1助劑閥運行不穩(wěn)定

助劑閥為過氧化物加入造粒機筒體的最后一道閥門,原設計具有自動啟閉功能,在通入過氧化物后,液體壓力給予閥桿向上的作用力,使得閥門打開,停止過氧化物加入后,在頂部彈簧的作用下,閥門自動關閉。

在實際使用過程中發(fā)現:①助劑閥前端易堵塞。多次在轉產纖維料過程中,助劑閥堵塞,拆解后發(fā)現閥門前端Φ3 mm×10 mm的介質流道堵塞有熔融態(tài)聚丙烯樹脂。②閥門開啟壓力不恒定,易出現開啟瞬間壓力突降,過氧化物流量過大,造成粉料熔融指數迅速上升,切粒系統(tǒng)纏刀墊刀,機組停機。

3.1.2抽吸系統(tǒng)的影響

由于液體過氧化物具有易揮發(fā)的特性,在生產纖維料期間,抽吸系統(tǒng)的風量會直接影響過氧化物的實際用量,使得過氧化物流量上下波動較大,增加了降解反應在造粒機筒體中的不確定性,不均勻不確定的反應會嚴重降低造粒機組運行平穩(wěn)性,容易造成機組墊刀、纏刀停機。

3.2 熔體壓力降低,切粒成型差,易墊刀

將聚丙烯樹脂在均化段的運動當作黏性流體運動,按照流體力學分析方法求得流量方程式如下:

Q=K×p1/μ

(1)

式中:Q,造粒機流量;K,常數,與機頭的幾何結構有關;p1,造粒機模前壓力;μ,物料黏度[2]。

從式(1)可知,在造粒機流量不變的情況下,當聚丙烯樹脂熔融指數升高,即黏度下降后,模前壓力p1會下降。根據流體力學伯努利方程,得出:

(2)

式中,p2,切粒水室壓力(物料出模孔后壓力);ρ,物料密度;v1,造粒機模前物料流速;v2,物料出模孔后流速;K,常數,物料在內部流動產生的阻力,與造粒機內部構造有關。

從式(2)可知,p2、ρ、v1、K恒定時,當壓力p1下降,則v2減小,表明物料出模孔后速度降低,過低時物料出模孔后向下流動,導致切刀與模板配合切粒過程中切粒困難,極易墊刀。

3.3 切粒系統(tǒng)穩(wěn)定性差

降解法生產纖維料時,造粒機內同時也會發(fā)生快速降解反應,物料出模孔后,不可避免仍會進行部分反應,柱狀聚丙烯樹脂在切粒水室快速膨脹,產生更大且不均勻的力作用于切刀上,通過切刀依次將力傳遞給切刀軸、聯軸器、切粒機電機。最終表現為切粒機電機水平、垂直、軸向發(fā)生較大的振動,嚴重影響電機平穩(wěn)運行,觀察轉產過程中及之后的一星期內切粒機電機振幅情況,遠超過標準值0.1 mm。

4 生產難點應對措施

4.1 過氧化物加入系統(tǒng)優(yōu)化

4.1.1助劑閥改造及運行優(yōu)化

助劑閥堵塞原因主要有:安裝助劑閥部位的機筒2區(qū)溫度設計為170 ℃,由于此溫度高于聚丙烯樹脂的熔化溫度,熔融態(tài)的樹脂進入閥體很難被頂出,因此通過調整機筒2區(qū)溫度由原設定值170 ℃降低至130 ℃,從而避免熔融態(tài)聚丙烯在助劑閥處堆積。

助劑閥前端有一個Φ3 mm×10 mm流道,聚丙烯粉料極易在此處堆積,造成堵塞。通過改造將中間閥桿前端增加Φ2.8 mm×10 mm的錐段,確保閥門關閉狀態(tài)下前端為平面,防止粉料進入。同時將頂部彈簧去掉,改為手動操作,既減少了彈簧工作的不確定性,同時在閥門堵塞時能夠上下手動開關,進行閥門的疏通。

4.1.2抽吸系統(tǒng)優(yōu)化

針對過氧化物易揮發(fā)的特性,經過不斷地摸索調整,實際生產中,通過調小抽吸系統(tǒng)的風量、減小在線混合器軸封氮氣進氣量,可有效降低過氧化物的揮發(fā)。同時,增加尾氣過濾器的排料操作,使得尾氣過濾器始終處于低料位,避免過濾器濾布堵塞造成系統(tǒng)憋壓。

4.2 提高造粒機內物料熔體壓力

由式(1)和式(2)可知,隨著熔融指數的升高,模板前壓力下降,相應的物料出模孔后速度下降,易造成切刀切粒困難,出現墊刀、纏刀等情況。因此生產高熔融數指纖維料期間,提高熔體壓力,特別是模板前壓力對粒料成型及切粒系統(tǒng)平穩(wěn)至關重要。根據理論及生產實際,提高模板前壓力:①降低造粒機筒體加熱溫度;②降低模板和換網器熱油加熱溫度;③提高機組運行負荷;④改變造粒模板長徑比設置,提高長徑比,從模板設計之初提高物料模板前壓力。其他調整,如生產纖維料前可提前降低切粒水溫度,減少轉產后連粒料產生量;提高切刀轉速,降低切刀纏刀幾率,具體調整如表2所示。

表2 造粒機運行調整參數

4.3 切粒系統(tǒng)運行穩(wěn)定性優(yōu)化

洛陽石化2#聚丙烯擠壓造粒機切粒機采用骨型齒聯軸器,自開發(fā)纖維料以來頻繁出現切粒機電機振動過大異常工況,為了消除電機振動,避免電機故障,運行中只能在線調整切粒機小車升降螺母,以降低切粒機振動。但屢次的調整,加大了切粒機聯軸器對中偏差,增加聯軸器異常受力,使得聯軸器使用壽命大幅縮短,嚴重影響機組長周期運行。

針對纖維料生產期間,切粒機振動超標問題,更改聯軸器型式為萬向節(jié)球籠式聯軸器,吸收補償切粒軸的振動,穩(wěn)定切粒機電機運行工況。同時,使用注膠切刀刀盤,吸收部分模孔出料不均勻產生的不均勻受力,進一步吸收機組產生的各方向受力,穩(wěn)定切粒系統(tǒng)工況。聯軸器型式及切刀刀盤型式改變后,纖維料轉產一周內,切粒機電機水平振幅數值,均在0.1 mm以下,運行狀態(tài)正常,切粒系統(tǒng)運行工況平穩(wěn)。

4.4 其他

降解法生產的纖維料較加氫法生產的高融值產品熔體剪切黏度更低,更難進行水下造粒。因此降解法生產纖維料時,對切刀和模板的配合要求更高,要求模板更加平整,切刀更加鋒利,切刀和模板需充分貼合,方能避免出現“墊刀”“纏刀”現象。根據生產實際,在生產前,首先要嚴格執(zhí)行操作規(guī)程,保證切刀與模板對中度。其次選用與模板匹配最佳的切刀,保證在使用期間磨損量合適,使切刀始終處于鋒利狀態(tài)。再者在更換完模板之初,需預留足夠的磨刀時間,保證刀與模板充分貼合。

5 結束語

纖維料開發(fā)生產7年來,為確保裝置長周期平穩(wěn)運行,2#聚丙烯技術人員積極開展各項攻關,解決了影響纖維料生產的一個又一個難題。創(chuàng)造了國產模板纖維料生產單次連續(xù)使用202天,國產造粒機不停機連續(xù)運行82天,纖維料單月產量1.23萬t,纖維料年度產量9.2萬t等多項歷史記錄。解決了高熔融指數纖維料生產期間造粒機組難以連續(xù)長周期的問題,裝置新產品專用料比例提高至85%左右,下游客戶反響良好。