聚乙烯醇螺杆挤压机物料阻塞的原因及解决方法

2022-04-12郑伟

安徽化工 2022年2期

郑伟

（安徽皖维高新材料股份有限公司，安徽巢湖 238002）

聚乙烯醇是重要的化工原料，因其良好的环保性能而被广泛应用于合成纤维、纺织浆料、乳化剂、纸张涂层、粘合剂、涂料等领域。近年来，随着PVA 产品的用途不断扩大，特别是部分特殊的低醇解度的PVA 的市场认可度越来越高，我们必须根据市场需求来调整日常的生产计划。目前皖维公司PVA 产品品种较多，其物料性质也有所差异，特别是一些低醇解度的PVA产品，其拉伸强度可能不如高醇解度PVA，但其韧性则明显优于高醇解度的PVA 产品，这就导致在生产一些低醇解度的特殊品种时，物料在经过螺杆挤压机进行固液分离时，由于物料粘性大，弹性大，通过性差，严重影响该条生产线的连续性和稳定性，虽然可以通过降低投料量、提高挤压机转速，能够降低电流，一定程度保证生产连续性，但牺牲产量必定导致装置能耗高，运行不经济。因此解决PVA 螺杆挤压机的物料通过性难的问题，是达到高效稳产的首要条件。本文针对此情况，从设备结构及工作原理加以改造，以满足生产需要。

1 PVA醇解车间生产简述

聚醋酸乙烯树脂和NaOH 溶液在静态混合器中充分混合后，流到醇解机皮带上，混合液在皮带的传送过程中，由于反应生成PVA 固体胶块。PVA 固体胶块在第一粉碎机里粉碎变成条状料后，再进入第二粉碎机粉碎，最终粉碎为直径＜7 mm 的颗粒。此时的PVA 颗粒呈现为内含大量母液的湿润状态，需经过螺杆挤压机压榨脱水后，送入后端设备干燥成成品（生产流程见图1）。

图1 聚乙烯醇生产流程

由此可见，螺杆挤压机为公司醇解工序的重点设备，该设备运行效果的好坏直接影响到后序干燥设备的运行稳定及产品质量。在生产一些低醇解度的特殊品种时，经常由于物料粘性大，韧性好，使其在螺杆挤压机中通过性较差，附着在螺杆上，时常出现挤压机中物料阻塞，导致设备超电流跳停的现象。为此，我们对现场设备结构设计进行认真研究，找出问题根源，并对其进行有针对性的改造，解决螺杆挤压机超负荷跳停的现象。

2 螺杆挤压机结构原理及运行情况

2.1 螺杆挤压机的基本结构

螺杆挤压机主要由壳体、滤网、变径变距螺杆、减速机电机传动装置等部分组成。

2.2 工作原理

螺杆挤压机的工作原理是采用一根外径不变，内径及螺距变化的螺旋组件经过旋转，将从设备上方输送来的PVA、混合液不断地卷入，由于机体内部设置有滤网，其内径始终不变。随着螺旋组件容积的不断变小，混合液及PVA 内部液体与PVA 颗粒进行分离，从而达到挤压的目的。大多数混合液通过滤网进入收集装置，脱水的PVA则经过螺旋尾部重力掉落至干燥机而进入干燥工序。

2.3 螺杆挤压机运行情况

皖维公司有机厂醇解装置设备为上世纪70年代由日本引进，虽历经多年使用，但不可否认的是，螺杆挤压机作为醇解装置核心设备，其设备结构和设计理念符合当时PVA 产品的生产需求，特别是生产高醇解度的PVA 品种时，其运行稳定、脱水率强的优点，被国内各PVA生产厂家选择使用。

目前国内一些设备制造厂家通过对该型螺杆挤压机螺杆的螺距、螺杆大小径、螺旋叶片的倾角等参数进行优化后，设计出各类不同压榨比的机型，提高了螺杆挤压机在PVA 行业的适用范围，但是对于部分低醇解度的PVA 品种，螺杆挤压机在生产中出现的难以满足工艺要求的问题依然较为明显。

目前皖维公司共有13 条同类型的醇解生产装置（厂家不同，生产时间不同）。通过对各生产装置产品品种、产量进行对比，明显发现各条生产装置的生产状况存在差异。

（1）同样生产一些特殊品种PVA，有的生产线能生产，有的无法生产，主要的症结就在于螺杆挤压机滤网堵塞严重，挤压机超负荷跳停的现象时有发生。

（2）出现上述情况的螺杆挤压机（经常超负荷跳停），螺旋叶片及间隔环材质为碳钢材质，其中叶片为20#钢，间隔环为45#钢，长期在醇解母液中运行，无法避免在螺旋叶片上出现坑洼点蚀，腐蚀的金属会影响产品的外观品控。

（3）通过对各条生产装置成品PVA进行对比，明显发现上述螺杆挤压机的产品外观成型较差，堆积密度小，出现同样的包装袋包不下等现象。

3 螺杆挤压机物料堵塞跳停的原因分析

针对螺杆挤压机物料阻塞的现象，现场检查发现，在生产低醇解度PVA 品种时，物料韧性大，弹性大，通过性差，螺杆挤压机虽然脱水效果较好，但滤网堵塞严重，导致主机电流过高，造成跳停。

由于螺杆挤压机的脱水效果过好，是可能导致物料阻塞，设备电流过高跳停的主要原因，我们认为降低其挤压效率，能一定程度解决上述问题。由于挤压机的工作原理是采用一根外径不变，内径及螺距变化的螺旋组件经过旋转来输送并挤压物料（见图2），通过螺旋组件容积的不断变小，使混合液及PVA 内部液体与PVA 固体进行分离，从而达到挤压脱液的目的。

图2 挤压机的工作原理

通过现场分析，一般在一定进料量的情况下，可以通过调节螺杆转速来控制PVA 物料的通过量，螺杆转速越快，其物料通过挤压机的速度越快，其单位时间进入第一节螺旋中的物料相应会减少，其通过性也会大大提高；但由于螺杆挤压机的变频已满频运行，无法提高转速，而通过调整减速机速比改变转速，改造费用过高，因此想通过此方案解决物料过度脱液导致的堵塞跳停问题难度较大。因此唯一途径就是在螺旋叶片上进行重新设计，降低其压榨率。

由图2可知，螺杆组件的吸入侧（即图2的右侧），在单位时间内，PVA 及混合液的体积为V进=P*π/4*（D2-d12）*n（其中P为螺距-螺旋盘厚度，D为螺杆大圆外径，d1为进料螺旋小圆直径，n为转速）；

而V出=P*π/4*（D2-d22）*n（其中P为螺距-螺旋盘厚度，D 为螺杆大圆外径，d2为出料螺旋小圆直径，n 为转速）；

V进/V出=i，i 即为本设备脱水比，i 数值越大，则该螺杆挤压机的脱水效果越好，但如上所说，脱水效果越好，则物料通过性越难，产量越低且容易导致过度堵塞跳停。

经反复测量，该类型螺杆挤压机螺杆尺寸数据见表1。

表1 螺杆挤压机螺杆尺寸数据

同时对表1进行图3～图4分析，虽然该类型螺杆挤压机单节螺旋容积变化量差距不大，但其容积变化率却较为明显，特别是III螺旋盘处，其变化率较为突兀。因此怀疑其容积变化过大，导致该处物料及混合液在挤压脱水过程中未及时排出，从而致使设备过载跳停。

图3 单节螺旋容积量

图4 螺旋容积变化率

4 改造方案

为不影响其他相关部件结构有大的变化，改造螺杆压缩比的前提应保证改造完的外形尺寸，包括轴承档位尺寸、主轴长度等都与原有螺杆完全一致；同时需考虑螺杆的螺旋叶片个数以及物料停留时间，尽可能与原有设备一致。

通过对原有挤压机螺旋轴尺寸的复测，我们认真计算了各螺旋节距的容积及其变化规律，认为容积变化率的曲线应相对平滑。根据原有螺旋容积变化情况，考虑在进料段采用逐级1.2 的容积变化率，压榨区采用逐级1.1 的容积变化率，从而降低总的脱水比的方案较为合理。

经与相关设备制造厂家充分沟通，设备厂家同意我方的改造方案，并保证在原有螺旋主轴的基础上，对螺旋盘进行尺寸调整，从而达到我公司改造目的。

因必须利用现有螺杆主轴，为加工方便，同时也要满足我公司脱水率改造的要求，厂家最终确定改造尺寸数据如表2。

根据此方案，厂家将需改造的螺旋组件的I、II、III、IV、V螺旋进行拆除，保留主轴及VI螺旋组件，按照重新设计的尺寸，对需改造的螺旋组件进行重新加工，再通过I、II、III、IV间隔盘进行尺寸调节，同步调节机体上的止滑板的宽度和长度，即可使改造完的螺旋组件完全满足原有设备安装尺寸。

同样对表2进行图5～图6分析：

由表2、图5、图6可以看出，改造后的螺杆容积变化率曲线较为平滑，消除了容易产生堵料的根结所在。

图5 改造后单节螺旋容积量

图6 改造后螺旋容积变化率

表2 最终确定改造尺寸数据

同时此次改造对更换的新螺旋盘均升级为不锈钢06Cr19Ni10材质，在车削得到图纸尺寸后再进行抛光处理，保证接触部份的表面粗糙度ra 达到0.8 μm，减少醇解母液对螺旋盘的腐蚀，以满足多品种PVA 生产的品控要求。

5 改造效果

该螺旋挤压机螺旋主轴改造后，虽然其总的压榨比有所降低，但该设备属于工艺生产的卡脖子关键，其物料的含水率稍有上升，后端干燥设备能力仍有富余，完全满足正常生产需要。

目前该台改造设备已安装在内蒙古蒙维科技有限公司醇解XIII 列上，通过实际生产检验改造效果，其加料量、电机电流以及主机振动等均完全适应生产低醇解度特殊品种PVA 工艺要求，未出现物料过度压榨导致的设备过载跳停现象，改造效果达到预期目标。

同时成品物料外观成型均匀，提高了客户对公司产品的认可度。最重要的是提高了产品通过性，提产效果明显。前期改造后因生产线品种不同未能做出有效对比。自2021年3月开始生产17-99常规品种，生产负荷根据现场设备运行状态开始稳步提产，最终对比生产能力在原有生产基础上增加3.4 t/d。表3为2020年8月份生产17-99产量数据与2021年3月生产数据对比。