3000t／a CO2降解塑料项目干燥系统设备选型及结构剖析

崔正堂

（中海石油化学股份有限公司，海南 东方572600）

3000t／a CO2降解塑料项目干燥系统设备选型及结构剖析

崔正堂

（中海石油化学股份有限公司，海南 东方572600）

概略介绍了PPC干燥系统工艺，从物料衡算、热量衡算的角度详细介绍了本系统内关键设备的选型，同时从设备组成、原理、材质等方面重点解析了本系统核心设备的结构特点，为相似物料特征的干燥系统设备选型提供了有益参考。

干燥机、设备选型、设备结构、工艺

二氧化碳可降解塑料项目是一工业试验性项目，整个装置的设计在一定程度上没有成功经验可循，为此，给装置内设备的选型、选材带来一定的难度。本项目的产品化学名为聚碳酸亚丙脂（简称PPC），俗称可降解塑料。现结合目前我国首套年产3000t降解塑料项目情况就装置PPC产品干燥系统的设备选型、选材及关键设备结构原理做一重点剖析。

1 PPC产品干燥系统工艺概述

来自上游工段的湿物料PPC经过进出料锁气、干燥、过滤及再生、真空和冷凝回收等5个单元后产出合格物料送后续工序。整个PPC产品干燥系统由真空桨式干燥机、二级真空盘式干燥机、甲醇蒸气过滤器、锁气器、液环真空泵、放空冷凝器、气液分离器、回收甲醇储罐和回收甲醇泵等组成。工艺流程简图如图1所示。

图1 PPC产品干燥系统工艺流程简图

1．1 真空浆叶干燥单元

来自上游工段的湿物料先后通过锁气器（X-261、X-262）连续加入到一级真空桨式干燥机（DH-261）中，热源通过真空桨式干燥机空心的热轴、叶片和夹套将热量传递给物料。在热轴的带动下，设置在圆形加热盘上的抄板将物料抄起，抄板具有一定的倾角，可将物料在翻炒的同时向出料口输送。挥发分受热挥发形成蒸气，在真空系统的抽吸下蒸气经甲醇蒸气过滤器（F-261A／B）过滤后，气相部分被液环真空泵（VP-265）抽出干燥系统进入分离、冷凝单元。

1．2 真空盘式干燥单元

经一级真空桨式干燥机（DH-261）干燥后，物料中大多数挥发分受热蒸发，然后物料进入二级真空盘式干燥机（DR-265）除去残存的挥发分。物料先落在最上面的通有热源的中空的加热盘上，大盘外缘凸起，中间设有落料口，通过转轴的带动，耙臂上固定着的耙齿将物料耙开、耙散，物料沿反螺旋线形成轴心运动，通过落料口耙离盘面落入下一加热盘内缘。小盘内缘凸起，耙叶与大盘耙叶耙动方向相反，在耙叶的作用下盘上形成一层料膜，随着上层大盘落料的增加盘上均匀耙开的料膜面积越大，盘面边缘的物料最终被边缘的耙叶耙离盘面，依靠重力作用落入第二加热盘外缘。如此反复，最后干燥完的产品落入底盘，通过汇料耙将物料汇聚到出料口处，通过锁气器（X－263）、锁气器（X－264）离开干燥系统。

1．3 减压冷凝单元

一级与二级干燥蒸发的湿分尾气混合、过滤后被真空泵（VP-265）抽出，再经气水分离器（D-265）分离后气体进入后续放空冷凝器（E-262），冷凝后经气液分离器（S-262）分离后进入后续处理工段。气水分离器（D-265）分离的液体经冷却器（E-265）冷却后作为真空泵（VP-265）工作液体循环使用。

2 设备选型

本干燥系统内共有设备16台，传动设备9台、静设备7台，其中关键设备真空桨式干燥机（DH-261）、真空盘式干燥机（DR-265）和液环真空泵的工艺选型计算过程解析如下。

2．1 计算基础数据

（1）PPC参数：堆积密度 ρt：640kg·m－3，真空密度 ρs：1200 kg·m－3，比热（cs）：1．26kJ·（kg·℃）－1。

（2）环氧丙烷参数：比热（cs）：2．1 kJ·（kg·℃）－1，蒸发潜热（H2evp）：465．34kJ·kg－1。

（3）操作条件：真空度：－0．06MPa，热介质：水，比热（cs）：4．19 kJ·（kg·℃）－1，密度 ρ：1000 kg·m－3，入口温度T1：60℃，出口温度T2：59℃。

（4）设计参数：真空度：－0．08MPa，热介质：水，入口温度T1：60℃，出口温度T2：59℃。

2．2 真空桨式干燥机选型

2．2．1 设计条件

（1）进口参数：处理量G：420kg·h－1干基，温度t1：10℃，湿含量：甲醇w136%，环氧丙烷w24%。

（2）出口参数：经设备专利商多次实验后设定真空桨叶干燥机出料口温度（t2）约45℃；设定经过一级干燥后物料中残存的挥发分完全为甲醇。即：温度t2为45℃，湿含量甲醇w3为15%。

2．2．2 物料衡算

入口绝干物料量：Gs＝G×（1－w1－w2）＝420．00 kg·h－1

入口甲醇含量：W1＝G×w1＝252．00 kg·h－1

环氧丙烷：W2＝G×w2＝28．00 kg·h－1

出口甲醇含量：W3＝GS×X3＝74．12 kg·h－1

式中：X3＝w3／（1－w3－w4）＝17．65%

同理：环氧丙烷：W4＝Gs×X4＝0 kg·h－1

则： 出口料量：G2＝GS＋W3＋W4＝494．12 kg·h－1

2．2．3 热量衡算

蒸发甲醇所需热量：q1＝（W1－W3）H1evp＝200918．69 kg·h－1

蒸 发 环 氧 丙 烷 所 需 热 量 ：q2＝（W2－W4）H2evp＝13029．56 kg·h－1

加热物料所需热量：q3＝（GScS＋W1c1＋W2c2）（t2－t1）＝32298．93 kg·h－1

热量损失：q4＝（q1＋q2＋q3）φ＝24624．72 kg·h－1（φ 取0．1）

总热量：q＝q1＋q2＋q3＋q4＝270871．90

循环热水用量：L＝q／［c3（T1－T2）］＝64697 kg·h－1体积流量：LV＝L／ρ＝64．70 m3·h－1

2．2．4 设备选型

取：α＝100W·（m2K）－1， 根据双轴搅拌干燥机换热面积计算公式：

A＝kQ／ΔTlnα

式中：ΔT＝［（T1－t1）－（T2－t2）］／ln［（T1－t1） ／（T2－t2）］＝28．28℃

则：A＝kQ／ΔTlnα＝26．6m2

故选择瑞德ZJG－35型。

2．3 真空盘式干燥机

2．3．1 设计条件

（1）进口参数：处理量G：494．12 kg·h－1湿基，温度t1：40℃（考虑落料空气冷却，取比一级干燥出料温度略低），湿含量：甲醇w115%。

（2）出口参数：根据专利商实验数据，设定出料条件如下：温度t2：52℃（气固相一致），湿含量：甲醇w30．02%。

2．3．2 物料衡算

入口绝干物料量：Gs＝G×（1－w1－w2）＝420．00 kg·h－1

入口甲醇含量：W1＝G×w1＝74．12 kg·h－1

出口甲醇含量：W3＝GS×X3＝0．08 kg·h－1

式中：X3＝w3／（1－w3－w4）＝0．02%

则：出口料量：G2＝GS＋W3＝420．08 kg·h－1

2．3．3 热量衡算

蒸发甲 醇所需 热量：q1＝（W1－W3）H1evp＝83591．16 kg·h－1

加热物料所需热量：q3＝（GScS＋W1c1）（t2－t1）＝7348．34 kg·h－1

热量损失：q3＝（q1＋q2）φ＝9093．95kg·h－1（φ 取0．1）

总热量：q＝q1＋q2＋q3＝100033．45 kg·h－1

循环热水用量：L＝q／［c3（T1－T2）］＝23875 kg·h－1

体积流量：LV＝L／ρ＝23．88 m3·h－1

2．3．4 设备选型

根据实验确定的换热系数计算得：

α＝44．25W·（m2K）-1

根据盘式干燥机换热面积计算公式：

A＝kQ／△Tlnα

式中： △T＝［（T1－t1）－（T2－t2）］／ln［（T1－t1）／（T2－t2）］＝12．38℃

则：A＝kQ／△Tlnα＝50．72m2

故选择ZPG－56型。

2．4 真空泵选型

2．4．1 真空泵抽气量

（1）干燥产生的气量：根据以上干燥机物料衡算过程得：W＝279．92 kg·h－1。 （2）设备结构漏气量：通过实验的设计可以知道，设备结构漏气量有限，该部分漏气量取20 kg·h－1。

（3）锁气装置漏气量：干燥系统进出料均采用DN250的标准旋转阀，因此可知当真空度为－0．08MPa时，DN250旋转阀漏气量为2．1m3·min－1，则锁气装置漏气量为252m3·h－1。

（4）抽气总量：Q＝W＋∑q1＋q2＝593．25 kg·h－1。

由于挥发分在尾气中的含量约50%，必须进行相关核算。为简化计算，将挥发分中环氧丙烷按甲醇处理，空气中的水分忽略，则根据：

vH＝22．4（1／29＋H／M）×［（273＋t）／273］×（101325／p）

式中：vH—湿气体比容，m3湿空气·（kg干空气）-1；

H—气体湿度，H＝W／Q＝0．89 kg挥发分·（kg干空气）-1；

M—甲醇分子量为32；

t—载气的温度为40℃；

P—操作真空度为40kPa。

则：υH＝8．11 m3湿空气·（kg干空气）-1

Q＝vH（∑q1＋q2）＝2539．65 m3·h－1

2．4．2 真空泵选型

由于装置设计真空泵与干燥机之间距离较短，故忽略管道阻力与温度变化，则：S＝1．3PSeTs／PsT＝1．3Se＝1．3Q＝55．03m3·min-1，真空泵的有效功率PW＝1．634S（1－P／PO）＝71．94kW。根据相关真空泵特性曲线，综合考虑选泵。

3 关键设备结构解析

3．1 真空桨式干燥机

真空桨式干燥机是一种真空式间接热传导型干燥机，适用于黏附性较强的膏状、糊状或团状物料的连续真空干燥。

（1）设备结构：真空桨叶干燥机由热轴、壳体、前后端座、人孔、接管、轴封、支架及传动系统组成。

（2）工作原理：物料通过进料口进入干燥机内，干燥机的蜂窝夹套和两根空心热轴及圆盘形叶片内都通入加热介质，通过夹套器壁、热轴及圆形叶片的热传导，湿物料被间接加热、干燥。干燥机壳体倾斜，从进料到出料整体具有1°~2°倾角，圆盘叶片上设有抄料板，所以湿物料在空心热轴和叶片抄板的搅拌下依靠自重逐渐向出料口移动，最后翻过溢流板从出料口卸出。干燥产生的挥发分蒸气从排气口被负压抽走进入后续处理工序。

（3）壳体和夹套：桨式干燥机壳体由设备内壁和外夹套组成，其中夹套外形为蜂窝状，即在夹套壁面上有规律地冲出许多翻边向里的凹形圆孔。壳体为整体结构，为方便维修和观察在顶部设有人孔及视镜。

（4）叶片结构：空心热轴和空心叶片结构是桨式干燥机的关键部件，桨式干燥机有两根旋转方向相反的空心轴，借助于叶片上辅助抄料板，把物料从中心推向壁面，再从壁面将物料向上提升，越过空心轴挤到设备中心。桨式干燥机的主要传热面是焊接在两根空心轴上的许多对空心圆盘叶片，每对圆盘叶片采用压制成形的一对盘片焊接而成。

（5）部件材质：

①热轴：热轴为本设备的核心部件之一，由主动轴、从动轴和叶片构成，考虑物料性质其中轴套与叶片为304不锈钢，轴头材质为16Mn，热轴热载体采用双端进出，叶片结构采用ICMA设计适用于液体传热的圆盘形叶片，考虑物料特性热轴与叶片接触部分抛光处理达0．4μm以上。

②壳体：壳体亦是本设备的核心部件之一，由夹套、端法兰、溢流装置、进出料口及抽吸口等相关部件构成，其中夹套采用蜂窝式夹套结构，溢流装置采用可调结构，壳体的顶部与端盖法兰呈同心圆，壳体底部与端法兰相切。物料接触部位均为304不锈钢，内部表面抛光达0．4μm以上。

3．2 真空盘式干燥机

真空盘式干燥机也是一种间接热传导型干燥机，主要适用于散粒状物料的连续真空干燥。

（1）设备结构：真空桨叶干燥机由壳体、上封头、耙料装置、加热管路、加热盘、转轴、驱动机构、汇料耙及机架等组成。

（2）工作原理：干燥机最上一层是一大加热圆盘，第二层为小加热圆盘，第三层为大加热圆盘，依次交替排列。大加热圆盘外缘有一围堰使物料不能从盘的外缘向下跌落。转轴在驱动机构带动下，连同固定在转轴上的耙料装置一起转动，被干燥物料自干燥机的顶部进料口加入到最上层大加热圆盘外缘处的盘面上，在回转的耙叶作用下，一边翻动搅拌一边从加热圆盘外缘向内缘呈螺旋线状运动。被干燥物料由加热介质经盘面传导的热量加热升温后，由大加热圆盘外缘跌落到下一层小加热圆盘内缘处的盘面上，在耙叶的推动下，物料由盘内缘向外缘呈反螺旋线状移动，最后从外缘跌落到下一层大加热圆盘的盘面上。如此交替，物料逐层自上而下运动，逐渐被加热干燥，最后由汇料装置汇聚后从出料口排出，成为合格干燥产品。气化的湿组分由真空抽气系统从室体顶部的抽气口抽出。

（3）耙叶结构：耙料装置是由耙臂、耙叶和固定器组成，耙叶上设有安装孔，套装在耙臂上，耙臂与转轴呈垂直状安装在一起。在转轴的带动下，耙叶在圆盘上做圆周运动，由于耙叶与耙臂之间设有一夹角，因此耙叶前的物料在做翻滚运动的同时，也做螺旋线状的径向迁移。

（4）加热圆盘结构：加热圆盘采用冲压式加热圆盘，圆盘的上板与冲压成型的具有规律分布凸起的下板钎焊在一起，内部通入加热介质，为被干燥物料提供热源。上下板钎焊在一起的凸起部分可增加上下板刚度、强度和加热介质的扰动，以提高热效率的作用。

（5）主要部件材质及组成：

①壳体：壳体是本设备的核心部件之一，由筒体、上封头、底盘、人孔及视镜构成，所有与物料接触部分材质为304不锈钢，视镜为耐热和强度好的硼硅玻璃，密封垫为硅橡胶。

②大小加热圆盘：大小加热圆盘是本设备的主要部件，是主要的传热元件，由盘面、堰板、夹套及热载体进出管等组成，其中夹套为蜂窝式夹套结构，大加热盘在盘面外沿设置一定高度的堰板，小加热盘在其内部设有一定高度堰板。为保证圆盘内换热介质流量，将所有的圆盘编为3组，每组设有进出汇总管，防止由于圆盘所处高低不同而致使盘内换热介质流量产生变化，同时使每个加热盘面的出水管高于盘面确保盘内充满热源液体。以上各部件材质均为304不锈钢，盘面抛光处理到0．2μm以上。

③耙料装置：耙料装置包括转轴、耙臂、板耳、耙叶、固定器等部件，所有部件均为304不锈钢，填料采用PTFE盘根。

3．3 真空机组

考虑液环的循环使用，因此本系统包括真空泵、冷却器和汽水分离器。

4 结语

充分解析了本干燥系统的基本工艺流程、重点设备选型参数计算以及关键设备结构特点，使读者对本干燥系统能有一个全新的认识；同时为相似物料干燥系统选型提供了有益的参考。

Equipment Selection and Structure Analysis for Drying System of PPC

CUI Zheng-tang
（China Bluechemical Ltd．，Dongfang 572600，China）

TQ 051.8+92

B

1671-9905（2011）10-0075-04

崔正堂（1978-），男，江苏阜宁人，毕业于江苏石油化工学院化工设备与机械专业，现就职于中海石油化学股份有限公司甲醇项目组工程技术部，地址：海南省东方市中海石油化学股份有限公司，邮编：572600，电话：13976837581，089825691745，E－mail：cuizht＠cnooc．com．cn

2011-06-19