大型聚烯烃装置挤压造粒机组的选择

动设备石油化工设备技术,2008,29(1)●39.Petro Chemical Equipment Technology大型聚烯烃装置挤压造粒机组的选择赵晶(中国石化工程建设公司,北京100101)攮要:结合茂名分公司 350 kt/a高密度聚乙烯装置挤压造粒机组的选择工作,通过对挤压造粒机组技术方案、主机结构、综合能耗、操作稳定性、物料停留时间等关键问题的讨论,将国际上几个主要的挤压造粒机组进行了对比,并得出了结论. .近年我国引进的挤压造粒机组的生产能力日益向大型化、超大型化发展,系统地总结了巳经完成的项目中挤压造粒机组选择时的经验,有利于从科学定量分析的角度出发,更加理性地引进设备。关键词:挤压造粒机组;综合能耗;操作稳定性中團分类号:TE969文献标识码:B 文章缟 号:1006-8805(2008)01-0039-04挤压造粒机组是聚烯烃树脂原料生产中的重较少,现场噪音较小,车间卫生条件好。要机械设备，投资大、安装复杂、设计及供货周期(4)主要受力部件、易损件的寿命长，备件比长,而且对聚烯烃装置的最终产品一树 脂颗粒较容易采购。的质量有着直接而重要的影响。随着聚烯烃树脂(5)控制水平较高,联锁报警系统合理有效，原料生产规模的扩大对挤压造粒机组的技术要求恶性事故发生的可能性小。也越来越高。本文以茂名分公司350 kt/a 高密(6)齿轮箱、熔融齿轮泵、水下切粒机等常见度聚乙烯装置为例,总结了现有聚烯烃树脂原料检修部件位置合理,拆装方便.生产装置中,挤压造粒机组在选择及引进中的经(7)对树脂新品开发、专用料试产切换的适验，以期在今后的工作中有所借鉴。应能力较强、过渡时间较短过渡料少,对树脂熔1挤压造粒机组融指数(MI)的适应范围广。在聚烯烃生产装置中使用挤压造粒机组的目(8)操作稳定度较高,不会因为加料流量的的,是要将聚合反应器聚合出来的聚烯烃粉末状变化而出现故障。的聚合物,变成几何形状相对规则的颗粒，以便运(9)螺杆输送能力和熔融齿轮泵增压能力较输和进-一步加工。同时要使工艺要求的各种功能强,树脂滤网通过能力较大。添加剂,如抗氧化剂、防紫外线剂和薄膜开口剂等各聚烯烃生产厂根据国内市场对树脂粒料的均匀分散。还要负责将聚合物中的低分子挥发物要求,会开发出一些特殊牌号的聚烯烃树脂,如电脱除。经过螺杆或齿轮泵加压后由水下切粒机加线、电缆料、家庭用品料等,这些牌号的产品对纯净度要求比较高,希望有尽可能少的杂质(如铁屑工为最后的树脂颗粒成品。大型装置中所使用的挤压造粒机组的生产能等)进入产品,这样就要求挤压造粒机组的树脂滤力一般为37.5~44 t/h,最大在50~60 t/h。目网的目数要加大,能过滤掉更多熔融树脂中的杂前世界上某些操作比较稳定的工厂,可以达到质。在过滤网的目数加大后,为达到同等的生产能力，就要求挤压造粒机组的螺杆输送能力和70 t/h. .(或)熔融齿轮泵增压能力都要增强。而过滤网则2装置对机组的要求一般来说,挤压造粒机组应当满足下列要求:中国煤化工(1)可调节手段多且有效,易操作。:HYHCNMHG.1997年毕业于(2)各部位漏粉、漏胶少,物耗较低。北京工业大学机械设计及制造专业。现在中国石化工程建(3)水、油、汽等公用工程的“跑、冒、滴、漏”设公司动设备室,机械工程师。●40●石油化工设备技术2008年不能因过滤能力增强后通过能力变差,相应的解另外还有一种用于高压聚乙烯(LDPE)生产决方法就是增大过滤网面积等。的单螺杆型挤出机,由于高压聚乙烯(LDPE)进(10)树脂混炼度调节方便,装置运行可靠。.人挤压机时是熔融状态,挤压机主要起添加剂的过去我国各小型装置中原有的挤压造粒机组分散、挥发物的脱除以及向模板增压输送聚合物的混炼度调节方式均为固定插板式,即通过更换的功能。机简上插板的方式以调节插板与螺杆之间的间参与茂名分公司350 kt/a高密度聚乙烯装隙,由此达到调节混炼度的作用。每次调节混炼置挤压造粒机组竞标的有德国CWP公司度时机组需要停车更换插板,这种调节混炼度的(ZSK350型挤压机)、日本制钢所(CIM460型混方法不仅落后、浪费大、成本高、混炼度调节不连炼机+熔融齿轮泵)和日本神户制钢(LCM450H续,而且不利于生产厂根据生产情况实时调节混型混炼机+熔融齿轮泵)三家。表1中列出了这炼度以保证产品质量。对于新牌号产品开发、试三种机型的技术特性及综合布置的对比。产更是非常不利的。因此,新增挤压造粒机组的4关键问题的讨论的混炼度调节必须是连续的、平滑的、能够自动/4.1综合能耗比较手动进行调节的。过去在对挤压造粒机组的能耗进行评估时，(11)综合布置应合理,占地面积小,利于操只对整个机组的电机装机容量进行了简单的统作。计,根据结果判断整套机组的能耗。按照一般规很多大型装置中挤压造粒厂房的面积是非常律,能耗越大的设备其电机装机功率也越大。这有限的,如本文所谈茂名分公司350 kt/a高密度样的方法,在一定程度上是准确的,但是也有其固.聚乙烯装置中挤压造粒厂房占地只有36 mX .有缺陷。实际上,对一个特定的机型生产不同的12m,对于机组的布置提出了相当高的要求。物料其能耗是不同的。影响的因素有:聚合物的3机组配置方案的比较种类、合成工艺、添加剂的种类、聚合物粉末的物目前可用于聚烯烃装置的挤压造粒机组主要理特性和聚合物熔体的粘度(常用聚合物的熔融有以下几种配置类型:指数MI来表达聚合物熔体的粘度)等。对于一(1)挤压机+熔融齿轮泵型个聚合物原料生产装置来说,生产不同的聚合物该机型主要由一台同向旋转啮合双螺杆/异只是聚合物的MI值不同而已。不同的机型,如向旋转非啮合双螺杆挤压机完成聚合物的熔融和ZSK型和CIM型及LCM型对应不同的MI值添加剂的分散以及挥发物的脱除。向模板增压输时,其能耗是不同的.送熔融聚合物的是- -台齿轮泵。下面以茂名分公司350 kt/a 高密度聚乙烯(2)混炼机+熔融齿轮泵型装置为例,进行阐述。严格地说该机型已经不是挤压机由图1可以看出,LCM型机组的能耗是最高(EXTRUDER)类,而是混炼机(MIXER)类,在该的,ZSK型机组的能耗最低。CIM型机组的能耗机型中用以完成聚合物的熔融和添加剂的分散的居中。差距比较明显,ZSK型机组在各个熔融指是一台双转子、双支承、侧向排料的连续混炼机数下的能耗都比较低,该种机型更适合于生产牌(MIXER)。向模板增压输送熔融聚合物的也是.号多,且各种牌号产量比较接近的生产工况,尤其一台齿轮泵.是对于准备生产低熔融指数的“高档料”(如电线(3)单挤压机型电缆料) ,该机型优势更大。该机型主要由一台同向旋转啮合双螺杆挤压由于生产什么牌号的物料是由聚合物生产装机完成聚合物的熔融和添加剂的分散,挥发物的置所在地区的市场决定,所以在选撣机型时,如果脱除以及向模板增压输送聚合物的功能。该机型.能根据一段时间内的生产计划、机型能耗曲线等中对挤压机螺杆,以及传动系统的设计要求很高，中国煤化工出最节能的机问世的最晚。.型,并CN M H C支置生产来说，上述第(1)和第(3)种机型一般被称为单支撑选择能耗较做的机组,能够在今后的若千年中为机型,而第(2)种机型被称为双支撑机型。业主节约- -笔非常可观的费用。第29卷第1期赵晶.大型聚烯烃装 置挤压造粒机组的选择●41●表1三种机型的技术特性及综合布置对比 .ZSK350型挤压机CIM460型混炼机+熔融齿轮泵LCM450H型混炼机t熔融齿轮泵驱动电机功事/kW10 263+3 782(VVVF)11 30011 500主减速机形式SUPERPOSITION型双电机2级转速单电机驱动减速箱驱动减速箱螺杆直径/mm35046050螺杆转速/(r●min-1)166~240(VFD)280/40040螺杆长径比2118齿轮泵功率/kW2 0001 500机组布置方式螺杆单端支撑，物料不转向，螺杆双端支撑,物料转向,整螺杆双端支撑,物料转向,整机“T"整机直线形布置机“T"形布置形布置无齿轮泵传动损失小;转子与机筒在任何情况下不转子与机简在任何情况下不搂触,操作维护工作量小;接触,开车容易:开车容易;占地面积小,辅助设施少齿轮泵主要起增压作用,主减齿轮泵主要起增压作用,主减速箱物料流程短,流道顺畅混炼均|速箱所承受的轴向推力小,结构所承受的轴向推力小,结构简单简单“T”型布置,物料转向，易积“T"型布置,物料转向,易积料、降解;初次开车时要良好充填;料、降解,支承端易有物料泄漏;支承端易有物料泄讕;缺点螺杆与机简在开车时有接触、螺杆转速高 ,易造成混炼不均螺杆转速高,易 造成混炼不均匀和匀和物料停留时间分布过宽;物料停留时间分布过宽:占地1面积大,较难布置占地面积大,较难布置24 r这两点,挤压造粒机组的主电机和主传动系统都应该在计算平均值的基础上至少留有10% ~0.2215%的余量。这个余量的大小直接反映了整个挤。0.21压造粒机组系统的“坚韧”程度。余量选得太小，0.19机组的稳定性差,抗千忧能力低;但是余量选得太0.18大,又会使主电机和主传动系统效率降低。如何.0.17+ CIM型混炼机+轮泵平衡能耗与可靠性,则反映出挤压造粒机组的设0.16- ★zsK型挤压机*0.15计水平。0.1表2是茂名分公司350 kt/a高密度聚乙烯(4.- 6.5) (75-11) 0.16-0.22 0.23-0.33 0.24-0.40 55~75熔融指数装置三种挤压造粒机组的操作稳定性与可扩散性的比较。图1 ESP曲线注:横坐标带括号的数值为重砝码测量的MI值,不带括号从表2中可以看出:ZSK型在操作稳定性方面,明显优于其他两的数值为标准砝码测量的MI值。套机组,最大余量达到了58%(MI=5. 5~7.5),4.2操作稳定性比较最小余量也能够达到38%(MI=0.2~0.4).该上面阐述了用挤压造粒机组的ESP和排产机型的设计属于偏保守型,主电机和主传动系统计划可以分析出该机组比较接近实际的能耗,然的余量很大,考虑安全稳定甚至于能耗,而从前面而衡量- -套机组是否满足要求,不仅要考虑机组综合能耗的讨论来看,该机型的能耗指标并不落的综合能耗,还要考虑机组的操作可靠性。前面.后,充分说明ZSK机组要比其他两种机型先进很提到过,由于聚乙烯装置本身的特点,进入挤压造多。但是整机成本也因此高出很多。.粒机组的物料流量不稳定,而同时由于每种牌号而CIM型和LCM型的能耗偏高,且主电机的聚乙烯物料的MI值,实际上是该种牌号聚乙和主中国煤化工中也可以看出烯MI的平均值是一个随时间波动的值。如果按来,LCNMH(组裕量仅12%该牌号聚乙烯物料的MI平均值设计驱动和传动虫热以网竹仇型属于双支撑系统,一旦反应器不稳定,就极易发生事故。综合机型,螺杆运转比单支撑机型相对平稳,但是机组石油化工设备技术2008年整体稳定性较差,对于在保证生产能力下长期运转的不利影响还是相当大的。表2三种挤压造粒机组的操作稳定性与可扩散性的比较ZSM350 型CIM460型LCM450H型不同物料牌号过谑网保证能力/ 主机比能耗/|| 主电机功 | 主机比能耗/||主电机功 主机比能耗/||主电机功的熔融指敷目数| (kg.h-1) |[(kW.b).| x率裕量》/[(kW.h). | x)率裕量”/ |[(kW.h)●()事裕量”/MIkg~1]kWkg-'](4. 5~6.50)245 00000.2201.42 3705.00, 2051.22| 2075.0| 0.202 1.27| 2 410.0(7. 50~11)2(48 5000. 1971.47| 4 490.51.18 1745.5 0.179 1.20 1945.50.16~0.222052 0000. 1901.42 4165.00.1911.14 1368.0 0.192 1.15| 1516.00.23~0. 3352 5000.185 1.45 4 332.50. 1871.15 1482.5| 0.190 1.15 1 525.00.24~0. 4055 00000. 1851.38 3 870.00.1811.14 1345.0 0.186 1.12| 1270.05. 50~7.5052 00000. 1711.58 5 153.00.180 1.21 1940.0| 0.165 1.34 2 920. 0注:输助系统中的水电蒸汽、液压油、润滑油的能耗未计人,齿轮泵传动损失未计入。1) X=主电机装机功率/(保证比能耗X保证能力)。2)主电机功率裕量-主电机装机功事- (保证比能耗X保证能力)。4.3物料停留时间时间的分布则要宽于ZSK型。聚烯烃粉料在经过加料系统加人到挤压造粒ZSK自洁作用机组时呈固态,经过机组的加热系统和螺杆本身螺杆所用机筒zsK型~剪切热的作用下被熔融成流体状态,在- -定温度、压力下,螺杆对熔融的聚烯烃树脂进行混炼加工，其他机型以使成品颗粒具有所需要的各项物性指标、均匀其他类型螺杆性和外观。理想的状态是同一时间进人挤压造粒所用机筒机组的聚烯烃粉料,能够在同一时间被挤出造粒,即物料在机筒内的停留时间是相同的。但是由于时间漏流、机简阻力、树脂粘性.由于螺杆自洁性不佳图2物料停留时间与挤出物料的关系曲线而在螺槽内的积料，以及双支撑机型由于物料转向造成的积料等因素,单位物料在机筒内的停留5结论时间是不一致的,可以想象,当物料停留时间不一挤压造粒机组作为石油化工聚烯烃装置中的致的时候,造粒的质量是难以保证的,而且长时间大型机组设备,在选型时需要考忠的因素是多方积聚在机简内的物料会降解而影响产品品质.面的,本文中未讨论的机组相关配套设施如:主电聚烯烃粉料在机筒内的停留时间服从正态分机扭矩保护联轴器、主齿轮箱结构、螺杆端部密封布。根据数理统计,正态分布曲线的图形变得越形式、调节混炼度的节流阀形式、换网器结构形尖,物料在机筒内的停留时间的--致性就越高。式、切粒模板结构形式等部分。对于大型装置，在与各挤压造粒机组生产厂讨论物料停留时机组设计合理且较佳的性能/价格比,往往是用户间的问题时,根据各制造商提供的数据,定性地绘选择的决定因素,如ZSK机型,虽然优点很多，制了各机型物料停留时间进行对比的图,从图2整机性能也高,但是过高的价格成为用户不选择中可以看出ZSK型因其先进的系统设计和优秀的理由。而其机组在能耗、成本、可靠性之间较好的螺杆自洁性能,保证了物料停留时间的- -致性，的控制了平衡点,也在不少装置中得到了用户的物料停留时间分布很窄,而其他机型的物料停留选择。中国煤化工MHCNMH.欢迎订阅《石油化工设甾x不》