聚氯乙烯专用树脂干燥工序中喷雾干燥技术的应用研究

刘思琦

(唐山三友氯碱有限责任公司,河北 唐山 063305)

随着树脂在工业领域与日常生活中的广泛使用,越来越多的化工单位开始加大对此种材料的研发。通常情况下,树脂可使用悬浮法、乳清制法得到。在对此材料的深入研究中发现,其具有较细的粒度,整体质地与滑石粉较为接近,同时,树脂不具备流动性,在使用中,会将其与增稠类试剂进行搅拌与混合,从而形成悬浮溶液用作糊料与溶胶[1]。在制作树脂过程中,可结合用途,添加对应的稳定剂、稀释剂等辅助材料,以改善其性能。目前,树脂已被广泛应用到皮革生产、地垫制作、塑胶玩具加工等领域中。为发挥聚氯乙烯(PVC)专用树脂在工程领域的经济效益与价值,相关单位提出了多种针对专用树脂的生产制造工艺。在工艺过程中,干燥处理是不可忽视的重要环节,也是树脂粒子二次形态形成的重要工序。干燥过程中,装置进出口温度、进料状态等多项工序参数都会对其产出效果造成影响[2]。因此,专用树脂生产中加工环节的干燥处理问题,是目前化工领域与相关企业的关注重点。为实现对生产中干燥工序的优化,本研究以某PVC专用树脂生产单位为例,对其干燥生产工序中的喷雾干燥技术应用展开研究,旨在降低生产中原材料的损失,提升产品质量。

1 喷雾干燥技术装置选择

为确保PVC专用树脂的干燥处理工序达到预期效果,在开展相关研究前,应设计喷雾干燥技术的应用参数。喷雾干燥处理装置大多采用负压运行方式,干燥中需要配备一台吸风装置,使喷雾干燥处理中的压力维持在1 950～1 970 Pa范围内[3]。处理过程中,微粒与热风处于平行流动状态,因此需要根据PVC专用树脂的干燥处理需求,主动调节处理装置的热风进出口温度、进料速度与干燥处理风压等。

空气压力是衡量阻力和空气流量稳定性的一个重要指标,装置在干燥处理时要具有阻力小、风量大、稳定性好等特点[4]。在此基础上,雾化器喷嘴直径对微粒的分布和最终生成形态具有一定的影响,因此还需要在调节上述参数的基础上,做好雾化器孔径的调节。国内现有的喷雾机主要有离心式和加压式两种。根据PVC专用树脂的干燥处理需求,目前压力喷嘴型雾化器的使用频率越来越小。同时,离心式圆盘喷雾机在作业中的所需功率较低,对固含量和黏度的要求不高,且进给速率变化对微粒尺寸的影响较小。而离心式喷雾机的喷嘴可以将液体均匀地雾化,生成雾粒尺寸分布较为均匀,适合制备颗粒细小、大小均一的微粒[5]。其生产能力较高,处理液体量较大,还可以调节雾化物的颗粒大小和分布,满足不同的应用需求。因此选择离心式喷雾机作为干燥处理中的主要装置。

2 树脂离心雾化

喷嘴的结构设计对PVC专用树脂干燥性能和干燥处理技术经济性能具有较大的影响。喷雾分散程度越高,烘干效率越高;喷雾愈均匀,则PVC专用树脂干燥成品含水量波动越小。在生产过程中,经常会出现大颗粒未完全干燥、小颗粒已经干透的情况。因此,喷嘴的设计既要保证液体分散需求,又要使颗粒尺寸变化符合最小的工艺要求[6]。在对PVC专用树脂进行离心雾化处理过程中,需要将树脂液体注射到圆盘中,此时液体受到离心力和重力的作用,产生一定的加速度,从而分裂雾化。转速越高,分离力越大,可以得到更细小的喷雾颗粒;反之,转速越低,则所得到的小颗粒越少,粒径会变得较大。液体通过喷嘴进入喷雾室,由于喷嘴的高速旋转,液体从喷嘴中喷出后,受到离心力作用逐渐变成小液滴,从而雾化[7]。离心雾化过程如图1所示。

图1 PVC专用树脂离心雾化处理Fig. 1 Centrifugal atomization treatment of PVC special resin

雾化轮的转速和轮径对于液滴形状具有较大的影响,为了提高液滴雾化效果,可以通过增加轮径的方法来促进转速的提升。液滴雾化效果可通过液滴平均粒径来衡量,液滴平均粒径越小,证明雾化效果越好。

按照上述方式,完成PVC专用树脂离心雾化处理。

3 基于变频控制的黑色塑化块处理

在上述内容的基础上,使用仪器装置对PVC专用树脂进行干燥处理,处理过程中,发现喷嘴上有黑色的塑化块,工厂里有烧焦的气味,随后的巡视又发现了深棕色的塑化块[8]。此种现象是PVC专用树脂干燥处理中较为常见的现象,可以采用变频控制干燥装置的方式,进行黑色塑化块的处理。处理过程中,可通过喷嘴进料泵变频调节喷嘴电流;调节蒸汽调节阀的开度,以控制换热器的温度;调节变频器进料泵的频率,以控制装置的进气量[9]。除上述操作外,还可以通过调节喷嘴进口温度、停留时间(喷雾干燥室的压力),控制出口温度;通过调节风机频率、雾化干煤室内的气压,调节空气的流量等。

通过对热风分配装置的下部圆锥风叶角度的调整,逐渐减小喷嘴下出现锥形料的状况,解决气流分布不均匀的问题,避免造成喷嘴下部锥形烧焦黏合[10]。按照上述方式,实现基于变频控制的黑色塑化块处理,完成PVC专用树脂干燥工序中喷雾干燥技术的应用研究。

4 实例应用分析

以某地区PVC专用树脂生产单位为试点,展开如下实例应用实验。

实验前,对试点PVC专用树脂生产单位进行调研,发现此单位在2018年正式将购进的PVC专用树脂生产仪器投入使用,并在当年12月实现了一次性开车。但根据生产单位的反馈,装置开车使用后面临冬季低温作业,并且受到生产环境的限制,导致在PVC专用树脂生产过程中,干燥装置因多种因素的影响,容易发生波动,从而在干燥处理过程中引起大量成品物质挥发。根据该企业生产过程中的不完全统计,去年PVC专用树脂生产中,由于干燥处理中成品挥发导致的PVC专用树脂材料损失已经严重影响了企业的正常生产与运营。部分已经产出并投入市场使用的PVC专用树脂由于挥发后存在杂质,导致部分批次的产品在质量验收中出现了不合格现象。为提高企业PVC专用树脂生产质量,优化PVC专用树脂在加工处理中的干燥工序,在与负责人进行综合交涉后,决定尝试之前设计的方法,进行PVC专用树脂的干燥处理。

为确保相关工作达到预期效果,干燥处理前,确定PVC专用树脂干燥处理装置的技术参数,相关内容如表1所示。

表1 PVC专用树脂干燥处理装置技术参数Tab. 1 Technical parameters of PVC specialized resin drying treatment device

根据PVC专用树脂干燥处理需要,设计喷雾干燥技术参数。在此基础上,使用三菱化PVC专用树脂干燥处理装置,进行树脂的离心雾化。最后,通过对装置的变频控制,解决干燥处理过程中材料出现的黑色塑化块问题。实验过程中,以作者提出的干燥处理步骤作为参照,设计进口温度为实验过程中的变量。通常情况下,生产单位为满足PVC专用树脂的干燥处理需求,将装置的进口温度设置为175～180 ℃,本次实验设定装置的进口温度为160～170 ℃,分析在不同条件下,PVC专用树脂干燥处理后产品挥发的质量分数。在此过程中应注意,PVC专用树脂的B式黏糊度须保持4.0～5.0 mPa·s,以符合标准。

按照上述方式,随机选择某一批次中5个PVC专用树脂产品为测试对象,标记编号为a、b、c、d、e,对比5个PVC专用树脂产品在应用本研究所述方法进行干燥处理过程后挥发物质量分数的变化。其结果如表2所示。

表2 PVC专用树脂干燥处理过程中挥发物质量分数统计Tab. 2 Statistics of volatile matter mass fraction during the drying process of PVC special resin

从表2所示的实验结果中可以看出,本研究方法应用前,装置进口温度为175～179 ℃,PVC专用树脂干燥处理过程中挥发物质量分数在0.56%～0.95%之间;应用本研究方法后,装置进口温度调整为162 ℃～170 ℃,PVC专用树脂干燥处理过程中挥发物质量分数在0.10%～0.20%之间。

综合上述结果与实验过程中的条件与变量可知,在排除外界因素影响与干扰的条件下,作者设计的PVC专用树脂喷雾干燥技术在实际应用中具有可行性,即PVC专用树脂的B式黏糊度满足4.0～5.0 mPa·s需求,此项技术可以实现对PVC专用树脂的干燥处理。与此同时,由于本研究方法将装置进口温度从175～179 ℃下调到162～170 ℃,在温度下调后,PVC专用树脂干燥处理过程中挥发物质量分数显示出明显的下降趋势,下降最高的是产品d,挥发物质量分数下降了0.75%,说明PVC专用树脂干燥处理过程中挥发物质量分数与装置进口温度呈正相关关系,装置进口温度越低,PVC专用树脂干燥处理过程中挥发物质量分数越低。因此,在完成上述实验后,得到如下结论:此次设计的喷雾干燥技术应用效果良好,此项技术可以实现对PVC专用树脂的干燥处理,同时,当干燥处理装置进口温度在160～170 ℃时,挥发物质量分数可以达到一个相对较低的水平。此种方式可以降低干燥处理中成品的挥发,提高处理后成品的质量,为PVC专用树脂的生产提供全面的技术支撑。

5 结语

PVC专用树脂在常态下呈糊状,在日常生活中,人们常使用此种材料作为增稠试剂,故可以将其作为PVC塑料加工生产过程中末加工工序产出的一种特殊材料。为提高PVC专用树脂的成品质量,可从生产中的干燥工序入手,对其加工、制造过程加以控制。本研究以某PVC专用树脂生产单位为例,通过喷雾干燥技术参数设计、树脂离心雾化、基于变频控制的黑色塑化块处理,对其干燥生产工序中的喷雾干燥技术应用展开设计。设计成果经过实例检验证明,可实现对PVC专用树脂的干燥处理。当干燥处理装置进口温度在160～170 ℃时,挥发物质量分数可以达到一个相对较低的水平。在后续工作中,可以根据生产单位的实际需求与作业条件,尝试将本研究设计的成果投入生产,为产出高品质PVC专用树脂成品材料提供帮助。