纤维料PPH-Y35X开发中的难点及对策

许文雷 , 张清波 , 李希迪 , 郭新营

(中国石化 洛阳分公司 , 河南 洛阳 471012)

0 前言

聚丙烯纤维料是以丙烯为原料制得的一种均聚聚丙烯。具有质轻、柔软、拨水、透气、无毒、可循环利用等优点,广泛应用于医疗卫生、家庭服饰、汽车工业、农业等各个行业。洛阳石化自主开发的纤维料PPH-Y35X,作为无纺布专用料,不含塑化剂、有机锡等物质,绿色环保,具有高取向、低灰分、高强度、可纺性佳等特点。

1 生产工艺选择

聚丙烯纤维料生产工业上主要有氢调法和降解法两种生产工艺。氢调法是在聚合过程中加入氢气,以调节聚丙烯的相对分子质量及其分布,从而生产较高熔融指数的聚丙烯产品。降解法是在较低熔融指数聚丙烯粉料的基础上,通过加入液体或固体过氧化物,随挤压造粒机挤压、熔融、混炼进行聚丙烯降解,得到高熔融指数、窄相对分子质量分布的产品。

降解法生产的纤维料比氢调法具有相对分子质量分布窄、可纺性好、加工稳定性好、耐热稳定型好等优点,且具有稳定的市场需求和较好的差别化效益[1]。对生产装置来说降解法生产纤维料,产品转换时间短,过渡料少。鉴于以上优点,洛阳石化2#聚丙烯装置决定采用降解法生产纤维料。

2 开发过程

2.1 生产工艺简介

洛阳石化2#聚丙烯装置采用HR催化剂,在两环管反应器进行对称加氢,生产熔融指数为3.0 g/(10 min)的聚丙烯粉料,粉料经汽蒸干燥后与复配抗氧剂按照一定比例加入到造粒机混合器M802中混合。混合后加入到双螺杆造粒机,在造粒机筒体中连续注入液体过氧化物,经混合、熔融、剪切、加压,在造粒机筒体中熔融降解熔融指数为35 g/(10 min)的聚丙烯树脂,由旋转的24把切刀于水下切粒后,形成聚丙烯粒料。

2.2 开发过程

2#聚丙烯装置造粒机组为国产第一台不带齿轮泵的造粒机组,有高速档及低速档两档可进行停机调整。2014 年首次进行纤维料生产,使用沈阳金峰切刀、模板。造粒机各项参数调整如表1所示。

表1 首次生产纤维料造粒机参数

此次试生产纤维料50 t,连续3次采样化验分析熔融指数均在(35±2)g/(10 min),且各项指标均达到要求,下游客户试用反馈良好。随后又进行了多次放大生产,但由于降解法生产纤维料的特性和使用国产不带齿轮泵造粒机组生产尚属首次,无经验可参考,试生产期间多次出现缠刀、垫刀、断刀等异常现象,导致切粒水室多次“灌肠”,干燥器频繁堵塞。切粒成型效果差,蛇皮粒、拖尾粒及细粉大量增多,后续造成料仓输送,淘洗系统频繁堵塞,给装置连续化生产带来极大的挑战。

3 纤维料生产难点

氢调法产品在造粒过程中只是简单的物理熔融再造粒。降解法生产纤维料时,造粒机同时发生快速降解反应,可能会出现过氧化物与熔融的聚丙烯混合不均匀现象,降解程度不同,造粒机筒体内的聚丙烯熔体熔融指数相差较大。因此筒体后段通过模板的熔融态聚丙烯的流动性会不一致,导致造粒机切粒不稳定,频繁出现切粒机缠刀,造粒机停机。并且降解法生产的纤维料较加氢法生产的高融值产品熔体剪切黏度更低,更难进行水下造粒。

3.1 过氧化物加入系统不稳定

3.1.1助剂阀运行不稳定

助剂阀为过氧化物加入造粒机筒体的最后一道阀门,原设计具有自动启闭功能,在通入过氧化物后,液体压力给予阀杆向上的作用力,使得阀门打开,停止过氧化物加入后,在顶部弹簧的作用下,阀门自动关闭。

在实际使用过程中发现:①助剂阀前端易堵塞。多次在转产纤维料过程中,助剂阀堵塞,拆解后发现阀门前端Φ3 mm×10 mm的介质流道堵塞有熔融态聚丙烯树脂。②阀门开启压力不恒定,易出现开启瞬间压力突降,过氧化物流量过大,造成粉料熔融指数迅速上升,切粒系统缠刀垫刀,机组停机。

3.1.2抽吸系统的影响

由于液体过氧化物具有易挥发的特性,在生产纤维料期间,抽吸系统的风量会直接影响过氧化物的实际用量,使得过氧化物流量上下波动较大,增加了降解反应在造粒机筒体中的不确定性,不均匀不确定的反应会严重降低造粒机组运行平稳性,容易造成机组垫刀、缠刀停机。

3.2 熔体压力降低,切粒成型差,易垫刀

将聚丙烯树脂在均化段的运动当作黏性流体运动,按照流体力学分析方法求得流量方程式如下:

Q=K×p1/μ

(1)

式中:Q,造粒机流量;K,常数,与机头的几何结构有关;p1,造粒机模前压力;μ,物料黏度[2]。

从式(1)可知,在造粒机流量不变的情况下,当聚丙烯树脂熔融指数升高,即黏度下降后,模前压力p1会下降。根据流体力学伯努利方程,得出:

(2)

式中,p2,切粒水室压力(物料出模孔后压力);ρ,物料密度;v1,造粒机模前物料流速;v2,物料出模孔后流速;K,常数,物料在内部流动产生的阻力,与造粒机内部构造有关。

从式(2)可知,p2、ρ、v1、K恒定时,当压力p1下降,则v2减小,表明物料出模孔后速度降低,过低时物料出模孔后向下流动,导致切刀与模板配合切粒过程中切粒困难,极易垫刀。

3.3 切粒系统稳定性差

降解法生产纤维料时,造粒机内同时也会发生快速降解反应,物料出模孔后,不可避免仍会进行部分反应,柱状聚丙烯树脂在切粒水室快速膨胀,产生更大且不均匀的力作用于切刀上,通过切刀依次将力传递给切刀轴、联轴器、切粒机电机。最终表现为切粒机电机水平、垂直、轴向发生较大的振动,严重影响电机平稳运行,观察转产过程中及之后的一星期内切粒机电机振幅情况,远超过标准值0.1 mm。

4 生产难点应对措施

4.1 过氧化物加入系统优化

4.1.1助剂阀改造及运行优化

助剂阀堵塞原因主要有:安装助剂阀部位的机筒2区温度设计为170 ℃,由于此温度高于聚丙烯树脂的熔化温度,熔融态的树脂进入阀体很难被顶出,因此通过调整机筒2区温度由原设定值170 ℃降低至130 ℃,从而避免熔融态聚丙烯在助剂阀处堆积。

助剂阀前端有一个Φ3 mm×10 mm流道,聚丙烯粉料极易在此处堆积,造成堵塞。通过改造将中间阀杆前端增加Φ2.8 mm×10 mm的锥段,确保阀门关闭状态下前端为平面,防止粉料进入。同时将顶部弹簧去掉,改为手动操作,既减少了弹簧工作的不确定性,同时在阀门堵塞时能够上下手动开关,进行阀门的疏通。

4.1.2抽吸系统优化

针对过氧化物易挥发的特性,经过不断地摸索调整,实际生产中,通过调小抽吸系统的风量、减小在线混合器轴封氮气进气量,可有效降低过氧化物的挥发。同时,增加尾气过滤器的排料操作,使得尾气过滤器始终处于低料位,避免过滤器滤布堵塞造成系统憋压。

4.2 提高造粒机内物料熔体压力

由式(1)和式(2)可知,随着熔融指数的升高,模板前压力下降,相应的物料出模孔后速度下降,易造成切刀切粒困难,出现垫刀、缠刀等情况。因此生产高熔融数指纤维料期间,提高熔体压力,特别是模板前压力对粒料成型及切粒系统平稳至关重要。根据理论及生产实际,提高模板前压力:①降低造粒机筒体加热温度;②降低模板和换网器热油加热温度;③提高机组运行负荷;④改变造粒模板长径比设置,提高长径比,从模板设计之初提高物料模板前压力。其他调整,如生产纤维料前可提前降低切粒水温度,减少转产后连粒料产生量;提高切刀转速,降低切刀缠刀几率,具体调整如表2所示。

表2 造粒机运行调整参数

4.3 切粒系统运行稳定性优化

洛阳石化2#聚丙烯挤压造粒机切粒机采用骨型齿联轴器,自开发纤维料以来频繁出现切粒机电机振动过大异常工况,为了消除电机振动,避免电机故障,运行中只能在线调整切粒机小车升降螺母,以降低切粒机振动。但屡次的调整,加大了切粒机联轴器对中偏差,增加联轴器异常受力,使得联轴器使用寿命大幅缩短,严重影响机组长周期运行。

针对纤维料生产期间,切粒机振动超标问题,更改联轴器型式为万向节球笼式联轴器,吸收补偿切粒轴的振动,稳定切粒机电机运行工况。同时,使用注胶切刀刀盘,吸收部分模孔出料不均匀产生的不均匀受力,进一步吸收机组产生的各方向受力,稳定切粒系统工况。联轴器型式及切刀刀盘型式改变后,纤维料转产一周内,切粒机电机水平振幅数值,均在0.1 mm以下,运行状态正常,切粒系统运行工况平稳。

4.4 其他

降解法生产的纤维料较加氢法生产的高融值产品熔体剪切黏度更低,更难进行水下造粒。因此降解法生产纤维料时,对切刀和模板的配合要求更高,要求模板更加平整,切刀更加锋利,切刀和模板需充分贴合,方能避免出现“垫刀”“缠刀”现象。根据生产实际,在生产前,首先要严格执行操作规程,保证切刀与模板对中度。其次选用与模板匹配最佳的切刀,保证在使用期间磨损量合适,使切刀始终处于锋利状态。再者在更换完模板之初,需预留足够的磨刀时间,保证刀与模板充分贴合。

5 结束语

纤维料开发生产7年来,为确保装置长周期平稳运行,2#聚丙烯技术人员积极开展各项攻关,解决了影响纤维料生产的一个又一个难题。创造了国产模板纤维料生产单次连续使用202天,国产造粒机不停机连续运行82天,纤维料单月产量1.23万t,纤维料年度产量9.2万t等多项历史记录。解决了高熔融指数纤维料生产期间造粒机组难以连续长周期的问题,装置新产品专用料比例提高至85%左右,下游客户反响良好。