聚碳酸酯屋脊式干燥塔结构设计

2015-01-13王磊杨巍高烨张岩

化工机械 2015年4期

王磊杨巍高烨张岩

(1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司；2.长春化工(江苏)有限公司)

聚碳酸酯(简称PC)是一种分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，是一种应用广泛的通用工程塑料。其中芳香族聚碳酸酯因其结构特点和良好的机械性能获得了工业化生产[1]，且以高透明性、优良的冲击强度、耐热性、耐寒性、尺寸稳定性及电绝缘性等优点广泛应用于建材、汽车、医疗器械、光盘制造、航空航天、包装、电气电器及光学透镜等领域[1，2]。国内外常见的PC生产工艺主要有溶液光气法、界面缩聚光气法、酯交换熔融缩聚法和非光气酯交换熔融缩聚法，目前世界上约有90%的PC 生产采用界面缩聚光气法，该方法具有全封闭、无副产物及基本无污染等特点，已逐渐成为PC工艺的发展方向，将在未来的PC生产中占据主导地位[3]。

无论使用哪种PC生产工艺，干燥工序都是一个重要的操作单元，生产工艺中一般要求干燥后含水量小于0.02%[2]，因此干燥系统能否有效使用直接影响到产品的质量。PC含水量大(一般15%～20%)、流动性较差、易静电挂壁、粘度较大及包含残留溶剂等特点决定了其干燥系统具有一定的特殊性[4]。笔者在对比了现有PC干燥设备的结构、性能和特点的基础上，介绍了一种适于干燥片状物料，且干燥深度极高的新型屋脊干燥塔。

1 PC干燥设备设计概念分析

1.1现有干燥设备性能对比

现有干燥设备主要有喷雾干燥器、桨叶干燥器、转鼓干燥器、滚筒干燥器、流化床、气流干燥器、双锥回转真空干燥器及蒸汽管回转干燥器等，两种或两种以上组合干燥方式也屡见不鲜。其中喷雾干燥器、桨叶干燥器和转鼓干燥器用于干燥聚碳酸酯溶液，而聚碳酸酯粉料干燥可选用流化床、气流干燥器、桨叶干燥器、滚筒干燥器及双锥回转真空干燥器等。各类干燥设备性能的优劣，可以以传热方式、是否适用于热敏性物料、物料粒径要求、处理量、热效率、干燥时间是否可调节、干燥后含水量及成本等参数或指标来衡量，并以此为设计最终目标定量参数。

文献[5]对各类干燥器性能进行了对比，流化床与气流干燥器对物料粒径要求十分严格；气流干燥器与滚筒干燥器物料干燥后含水量高；双锥回转真空干燥器的性能虽优于其他干燥设备，但其处理量较小。综合所有参数和指标，桨叶干燥器是目前用于PC干燥的最佳设备。但在实际生产中，桨叶干燥器亦经常发生振动，轴承磨损、抱轴、轴和桨叶结疤(粘料影响传热)、物料堵塞，电机过载及旋转接头蒸汽泄漏等故障。可见，上述设备均有其优缺点。

1.2设计概念分析

对比现有干燥设备性能优缺点可知，能最大程度发挥每个设备的优点并加以综合，是设计全新干燥设备的根本理念。传热效率高、干燥效率高；热损耗低、节能环保；物料顺畅避免沉积或碎化；密封性能好；干燥温度自动可控、操作简单便捷是PC干燥设备设计的最终目标。

从节能和避免物料碎化方面考虑，利用物料在重力作用下的进料方式，摒弃螺旋进料和桨叶干燥结构，干燥器宜采用立式结构；从干燥效率(时间)和传热效率方面考虑，采取物料流化传热方式；从温度分级控制方面考虑，可采用多个独立的串联式干燥单元；从物料粘结沉积方面考虑，设计特殊的干燥管形式。

2 屋脊式干燥塔结构设计

2.1主要组成部分

新型屋脊式干燥塔主要由屋脊式干燥管、立式箱体、热介质进/出口连接管箱、入料均布器和密封旋转卸料阀5部分组成(图1)。

图1 屋脊式干燥塔结构简图

因Ferralium 255(F255，国内牌号0Cr25Ni6Mo3CuN)材料有较好的焊接性能，热裂纹倾向低，具有很好的韧性和塑性，钢中含铜元素，能改善冷、热加工深冲性能，且在热介质的耐局部腐蚀性能方面明显优于316L钢和其他双相不锈钢，是很好的冷换设备或干燥设备材料，故该屋脊式干燥塔的大部分部位(屋脊式干燥管、立式箱体、热介质进出的连接管箱、入料均布器及密封旋转卸料阀等与物料接触的部位)材料选用F255,其他部位材料采用Q235- A。

屋脊式干燥管由F255的圆管经过工艺模具热扩而成，具有强度高、不易变形及使用寿命长等特点，干燥管上的小孔采用激光穿孔或其他先进的工艺制造，保证孔径和孔间距的均匀性。

立式箱体为长方形结构，外部设置加强槽钢，保证箱体的结构强度，立式箱体材料选用F255，加强槽钢材料为Q235- A。立式箱体与屋脊式干燥管连接的部位采用冲压和高压水刀切割而成，具有光洁度高及箱体不易变形等特点。

热介质进出的连接管箱材料选用F255，加强筋材料为Q235- A，管箱为方变圆结构，一端与热介质管道连接，一端与立式箱体连接，且能够拆卸，便于屋脊式干燥管检修。

入料均布器材料选用F255，主要保证进入干燥塔内部的物料分布均匀，防止偏流和局部堆积。密封旋转卸料阀壳体与转子材料选用F255，其他材料采用304，在密封阀上设置变频以便实时调节转子转速，也便于调节干燥物料的停留时间和干燥水分。旋转阀结构采用传动与阀体一体化整体结构。

2.2结构功能分析

干燥塔内屋脊式形状的管子与箱体一端采用焊接结构，另一端采用翻边密封结构，以利于管束的自由膨胀和伸缩。干燥塔由若干个独立单元组成，其中每个单元由2～4层屋脊式形状的管子组成，相邻单元之间设有料封段，防止每个单元之间的热介质互窜。每个单元在立式箱体外部设有变径管箱，通过螺栓连接，便于拆装维护，每个单元内相邻的屋脊式管子中，一根为热介质入口，通过屋脊式管子上布满的小孔和热介质的压力进入立式箱体内对聚碳酸酯进行干燥，一根同样通过屋脊式管子上布满的小孔和排气的压力抽出到立式箱体外进行过滤再加热后进入屋脊式干燥塔下一个单元内循环使用，相邻的屋脊式管子，一根进气端敞开、出气端封闭，另一根进气端封闭、出气端打开，在同一个管箱中实现了热介质进入和排出的功能。管箱与外部管道连接，且设置调节阀门，便于调节热介质的流量，通过塔内分级设置的测温元件精确控制被干燥物料的水分。加热介质与聚碳酸酯为逆流接触换热，即加热介质由塔底部进入，然后逐级被过滤加热后进入下一级，直至走完整个流程后从塔顶部排出，进入后续处理系统。

3 工作原理和工作过程

将含有水分的聚碳酸酯从屋脊式干燥塔塔入口(塔顶)通过入料均布器均匀地分布到塔内部，直至充满整个干燥塔，达到干燥要求后通过塔底部的密封旋转卸料阀排出后即为产品，形成一个连续的干燥过程，即进出塔物料达到平衡状态，实现连续生产功能。

加热介质通过换热器加热后由塔底部进入屋脊式干燥管，然后在热介质的压力下从管子上的若干个小孔进入到被干燥物料内，与物料直接接触换热，降温后的热介质从相邻的屋脊式干燥管上的若干个小孔在下一级单元抽风机的作用下排出，然后经过过滤、加热后再循环至下一级，以此类推逐级完成干燥后从塔顶排出。相邻每个单元之间设有料封段，防止热介质互窜造成热介质偏流。

屋脊式干燥塔底部设有密封旋转卸料阀，旋转阀具有变频调节功能，能够调整物料干燥停留时间和干燥后的水分含量，直至满足要求；屋脊式干燥塔每个单元的料封段设置测温元件，便于调节热介质的流量，以达到逐级控制物料水分进行干燥的要求。