影响聚丙烯粉料干燥效果的因素

赵金豹，苏成武

(辽宁鼎际得石化股份有限公司，辽宁营口 115005)

0 前言

中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司乙烯厂聚丙烯车间采用的生产工艺是Spheripol工艺,以液相本体聚合和气相共聚组合方式生产聚丙烯粒料。在聚丙烯的生产过程中，干燥系统作为造粒前的最后的一道工序，干燥的好坏直接影响到后序工段的平稳运行和产品的质量[1]。流化床干燥器在聚丙烯粉料生产中的作用是除去聚合物上的水分，保证聚丙烯粉料中的水含量符合要求,以保证后序工段的平稳运行。

1 干燥系统工艺简述

在汽蒸器中，水蒸气吸附在聚合物中，粉料在自身重力和压差的作用下从汽蒸器流到流化床干燥器。干燥的目的是从聚合物表面脱附水，以满足后续工段的工艺要求。粉料干燥系统工艺流程见图1。被干燥的物料由流化床干燥器的顶部加入，与从底部通过多孔分布板加入的热氮气逆流接触。热氮气自干燥器的底部向上，使聚合物产生流化，并从聚合物中除去水分。物料与热氮气进行传热和传质过程达到干燥目的。干燥后的物料由流化床干燥器底部中间的排料口排出，气流夹带少量粉末自顶部排出，通过旋风分离器分离。汽化冷凝水所需热量由聚合物本身降温(100～110 ℃下降到75～80 ℃)和热氮气供给。在料位控制下，干燥的聚合物从干燥器流至气流输送料斗，带有细粉的氮气通过旋风分离器后，粉料收集至粉末收集器送至粉料输送系统中。几乎含有聚合物全部水分的氮气在水洗塔中洗去水和聚合物细粉。氮气从洗涤塔顶部经除雾器到鼓风机，氮气通过鼓风机吸入段的压力控制阀进行补充。氮气通过一台翅片式换热器加热，将氮气加热到110 ℃。加热后的氮气流到干燥器除去聚合物的水分。在所有的容器和工艺管线上，氮气都作为一种惰性气体来防止形成爆炸性气体(粉尘等)和聚合物分解，要保持氮气压力为正压以防止形成真空。流化床干燥器中设计了一个螺旋输送器，目的是延长粉料在流化床干燥器中的停留时间，增加干燥效果。

D502—干燥器;S502—旋风分离器;D507—粉末收集器;LS—蒸汽;E503—翅片式换热器;T502—洗涤塔;C502A/B—鼓风机;P502A/B—洗涤塔水循环泵;E502—板式换热器;CWS—循环水入口;CWR—循环水出口

图1 粉料干燥系统流程示意图

干燥器底部的多孔分布板也经过专门设计，孔的开向呈一定角度，这样可以使进入干燥器的氮气有一定的流向，强化了流化的程度，提高了干燥效率。干燥器底部分布板示意图见图2。流化床干燥有许多优点：物料在流化床干燥器内停留时间长，物料与干燥介质长时间接触后含水量低，操作时干燥介质气速低。

图2 干燥器底部分布板示意图

2 工艺指标要求

粉料聚合物中水分质量分数从3%减少到小于0.02%。

3 影响流化床干燥效果的主要因素

笔者对流化床干燥器进行热量衡算、物料衡算，可对其换热的过程有一个了解，同时可以分析出影响粉料干燥效果的因素。

3.1 流化床干燥器热量衡算

流化床干燥器热量衡算简图见图3。

图3 干燥系统热量平衡简图

粉料中的水带走的热量为：

Q水=W水·ΔH汽

(1)

物料提供的热量为：

Q粉料=W粉料·c2·ΔT2

(2)

热氮气提供的热量为：

Q氮气=W氮气·c1·ΔT1

(3)

式中：W水为热氮气能够带走的水的质量(与汽化压力有关)，kg；Q水为氮气带走W水所需的热量,kJ；ΔH汽为水的汽化潜热，kJ/(kg·K),75 ℃时为554 kJ/(kg·K)；W粉料为热氮气带走的粉料质量,kg;c1为氮气的质量热容，kJ/(kg·K)；ΔT1为氮气经过干燥器进口与出口的温差，K，ΔT1=35 K；W氮气为热氮气质量,kg;c2为聚丙烯粉料的质量热容，kJ/(kg·K)；ΔT2为聚丙烯粉料经过干燥器进口与出口的温差，K，ΔT2=35 K。

由Q水=Q氮气+Q粉料可推导出W水=(W氮气·c1·ΔT1+W粉料·c2·ΔT2)/ΔH汽，在75 ℃时，ΔH汽不变，c1、c2不变，因此，在生产负荷一定,即W粉料一定的情况下，影响粉料水含量的因素有：W氮气、ΔT1、ΔT2。如果要降低粉料中的水含量，则应增加W氮气或提高ΔT1、ΔT2。如要提高ΔT1，就要提高上游系统的温度或降低干燥后氮气的温度；如要提高ΔT2，就要提高循环氮气进入流化床干燥器的温度。

3.2 流化床干燥器物料衡算

流化床干燥器物料衡算简图见图4。

物料衡算式为：

AW氮气=BW氮气+W水

(4)

式中：A为75 ℃时饱和氮气的湿度，%；B为40 ℃时饱和氮气的湿度，%。

由式(4)可得:

W水=(A-B)W氮气

(5)

图4 干燥系统物料平衡简图

从以上分析可知，影响流化床干燥器干燥效果的主要因素有：(1)循环氮气的流量;(2)流化床干燥器的干燥温度。

4 影响干燥效果的其他因素

4.1 循环氮气经洗涤塔洗涤后的温度

由以上的物料平衡和热量平衡分析可知，经水洗塔洗涤后的氮气温度越低，则饱和氮气的湿度越小(B越小)，在相同的干燥温度下，带走粉料中的水就越多。笔者就氮气洗涤塔进行传热和传质分析，分析热氮气自洗涤塔塔底进入，冷水由塔顶进入，气液呈逆流接触，在塔内进行传热和传质。在洗涤塔内既发生气相向液相的热量传递，又发生水的汽化或冷凝。热氮气的水冷过程见图5，图5(b)、(c)分别表示沿洗涤塔塔高的温度变化和水蒸气分压的变化。

(a) 氮气洗涤塔流程 (b) 温度变化 (c) 水气分压变化

由图5可见,气相和液相的温度自塔底向塔顶单调下降。液相的水气平衡分压与液相温度有关，因而也单调下降；可是，气相中的水蒸气分压则可能出现非单调的变化。气、液两相的分压曲线在塔中某处相交，其交点将塔分成上、下两段，各段中的过程分析如下：(1)塔下部的气相温度高于液相温度，气体传热给液体;同时，气相中的水气分压低于液相的水气平衡分压，水由液相向气相蒸发。在该区域内，热、质传递的方向相反，液相自气相获得的显热又以潜热的形式随汽化的水分返回气相。(2)塔上部的气相温度仍高于液相温度，传热方向仍然从气相到液相，但气相的水气分压与水的平衡分压的相对大小发生了变化。由于水温较低，相应的液相平衡分压也低，气相水气分压转而高于液相平衡分压，水气将由气相转向液相，发生水气的冷凝。在该区域内，液相既获得来自气相的显热，又获得水气冷凝所放出的潜热。

由以上分析可知，要降低氮气水洗后的温度，一定要控制好进洗涤塔的温度和流量。在实际的操作中要求洗涤塔水循环泵的质量流量不低于40 t/h,水温不能超过40 ℃，以确保氮气经水洗后的温度不会太高，保证粉料的干燥效果。如工艺条件不能满足，就要清理循环泵入口过滤器或板式换热器。

4.2 干燥器中粉料的停留时间

控制流化床干燥器的料位，就控制了颗粒在床层的平均停留时间，即平均干燥时间。平均干燥时间τ=床内固体量下料速率。实际操作中，在保证工艺平稳的前提下，料位控制不能太低，以确保干燥效果。在装置的流化床干燥器中设置螺旋输送器目的也是增加粉料在流化床干燥器中的停留时间，强制粉料沿着输送器的方向运行至下料口。

5 流化床粉料干燥效果分析

流化床聚丙烯粉料中水分质量分数见表1。由表1可以看出聚丙烯粉料中水分质量分数都在工艺指标控制之内，即小于0.02%。

表1 聚丙烯粉料中水分质量分数

6 结语

通过以上分析可知，影响流化床干燥效果的因素有循环氮气的流量、流化床的干燥温度、进流化床干燥器的循环氮气温度、经洗涤塔洗涤后的氮气温度、干燥器中粉料的停留时间等。在实际操作中可针对以上情况进行分析，发现问题及时处理，以保证聚丙烯粉料的干燥效果。