段世銘，曾新芳，陳 慶

(吉林化工學院 機電工程學院，吉林 吉林 132022)

顆粒離心干燥機又稱離心式顆粒干燥機，離心脫水機(centrifugal pellet dryer)，可以干燥顆粒狀的聚乙烯、聚丙烯、聚酯、廢舊塑料，橡膠和口香糖等，是石油、化工和食品加工等行業(yè)生產(chǎn)中的一項關(guān)鍵后處理設(shè)備，其功能是將含水顆粒進行脫水干燥，典型例子如水下造粒系統(tǒng)中由擠出切粒后的顆粒進行脫水干燥.與其它離心脫水干燥設(shè)備相比，顆粒離心干燥機具有設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、連續(xù)干燥、生產(chǎn)量大、干燥時間短、能耗低及操作簡單等特點[1].在其碩士論文《顆粒離心干燥機的工作原理及結(jié)構(gòu)研究》[2]中相關(guān)研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，并結(jié)合近十年的相關(guān)文獻，介紹了顆粒離心干燥機的結(jié)構(gòu)演化過程、脫水干燥原理，及國內(nèi)外的研究進展.

1 水下造粒機組工藝流程

圖1所示為水下造粒機組的工藝流程，其包括擠出加工、水下造粒和顆粒干燥三部分.擠出加工包括擠出機、轉(zhuǎn)換閥和口模；水下切粒包括切刀、切粒室和循環(huán)水設(shè)備；顆粒干燥包括顆粒離心干燥機和鼓風機.

原料從擠出機的加料口進入擠出機，在螺桿/機筒形成的螺槽中受到剪切、加熱而從固體熔融成高黏度熔體，并向口模方向推動形成相當?shù)膲毫?該壓力促進熔體從機頭多孔口模擠出，擠出條在與機頭連結(jié)的切粒室內(nèi)馬上開始冷卻固化，并被切粒機的多把切刀切成粒子.然后循環(huán)水把顆粒從切粒室通過循環(huán)水管路帶到干燥機，在這里進行脫水干燥后進行收集[3].

由此可見，顆粒離心干燥機是水下造粒機組后處理設(shè)備中的一個重要組成部分.

實際上，國內(nèi)外對其的理論研究比較少，國內(nèi)對其基本原理和設(shè)計準則方面的研究并不充分，在顆粒特性(例如材質(zhì)，形狀，表面結(jié)構(gòu))對干燥效果，產(chǎn)量和噪聲的影響并沒有進行定量研究，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)研究還局限于實驗室級的小型設(shè)備，近幾年國內(nèi)雖然有相關(guān)方面的專利授權(quán)和標準出臺，但國內(nèi)年產(chǎn)30萬噸以上的大型造粒機組所用顆粒離心干燥機基本還是以國外產(chǎn)品為主，因此，開展顆粒離心干燥機工作原理的研究對我國的顆粒離心干燥機的設(shè)計和研制尤其重要.

圖1 水下造粒機組簡圖[4]

2 工作原理和特點

2.1 工作過程

這里以圖1和圖2所示美國Gala公司的顆粒離心干燥機說明其操作過程.擠出切粒后的顆粒和循環(huán)水通過輸送管道首先進入干燥機一側(cè)的預脫水通道，大塊料被去除機除去(直接落下收集).隨后分散顆粒體隨水沿著預脫水通道向下面的傾斜網(wǎng)板流動，在沖擊和重力的作用下，約95%的水從傾斜的篩網(wǎng)直接脫出.顆粒及其表面附著水落入離心干燥機底部，進入離心干燥系統(tǒng).當離心機底部粒料堆積到轉(zhuǎn)子下沿以上時，高出下沿的物料被高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子葉片邊緣刮起，并在其帶動下沿葉片的螺旋線向上提升，同時在離心力作用下撞擊篩網(wǎng).在這種撞擊過程中顆粒表面失去一部分水分并被彈回到高一級的螺旋葉片，隨后不斷重復該過程，顆粒表面的水分逐步減少[1]，同時在鼓風機產(chǎn)生的氣流和顆粒內(nèi)部溫度的輔助下，達到干燥的要求.當顆粒被提升到干燥機上部的出料管后被排出.

干燥過程中，顆粒表面的大部分水分沿著篩網(wǎng)表面落入干燥機底部，并從干燥機底部排出，小部分變?yōu)樾∫旱危晒娘L機吹進的空氣或熱空氣反向帶出干燥機，并產(chǎn)生一個有限真空，阻止外界的濕空氣進入機器、還可冷卻機器下部的設(shè)備.最終的產(chǎn)品濕度可控制在0.05%(LDPE)或0.85%(PA)以下.顆粒離開干燥機后，通過振動篩將過大過細顆粒分離，合格品由氣力輸送進入料倉.圖2所示的干燥機中各組分的運動過程，帶黑點的白色是顆粒的運動過程，無黑點深色是水分的運動過程，有黑點深色是空氣的運動過程[1].

圖2 Gala公司的顆粒離心干燥機的工作過程[4]

2.2 干燥原理

一般的離心機都是應(yīng)用離心力，使重度不同的固相和液相分離，以達到固相脫水的目的[5].顆粒離心干燥機也是應(yīng)用離心力的作用，但與一般離心機不同，它主要應(yīng)用顆粒在離心力場作用下甩到篩網(wǎng)上，在篩網(wǎng)和轉(zhuǎn)子間撞擊脫水，有的顆粒離心干燥機還加入了氣流干燥以增強干燥效果.干燥機中的顆粒和水的分離過程如圖3所示.顆粒在轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力場，沿著葉片作螺旋上升運動，并在轉(zhuǎn)子及篩網(wǎng)間作彈跳運動，這里的彈跳運動過程是主要脫水干燥過程.顆粒在離心力、摩擦力和支持力的作用下，沿葉片做螺旋上升運動.當顆粒遇到篩網(wǎng)后被彈回到葉片上，而顆粒上的水遇到篩網(wǎng)后不能被彈回，而是從篩網(wǎng)孔甩出，在筒體和篩網(wǎng)的環(huán)形通道里，由于重力作用，落入機器底部并被排出.

(a)pricinple

(b)experiment圖3 顆粒離心干燥機中的顆粒和水分離過程

3 發(fā)展歷程

國外顆粒離心干燥機經(jīng)過幾十年的發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟，生產(chǎn)廠家也很多，有美國的Gala公司、Cater Day公司和The Conair Group公司，日本制鋼所等廠家，其中Gala公司的顆粒離心干燥機開發(fā)得較早，所以下面以Gala公司的干燥機為主介紹顆粒離心干燥機的研究及發(fā)展狀況.

3.1 早期顆粒離心干燥機

在20世紀60年代，出現(xiàn)了顆粒離心干燥機最早的文獻，即美國專利US3458045[6].它發(fā)表于1969年，發(fā)明人為Gala公司的Vernon E等.當時的顆粒離心干燥機和現(xiàn)在的主要差異是當時的干燥機還沒有加入氣流干燥，而且體積小，產(chǎn)量小.所以60年代前的顆粒離心干燥機的干燥效果和生產(chǎn)能力都不是很高.之后，Gala公司相繼申請了專利US4218323[7]和US4447325[8].它們是對US3458045的補充，分別給出了動力輪輻的改進結(jié)構(gòu)和篩網(wǎng)的構(gòu)造結(jié)構(gòu)，以增加干燥機的產(chǎn)量.

圖4 美國Gala公司1969年制造的第一臺顆粒離心干燥機(依據(jù)專利US3458045，50年司慶回購并重新修補)[4]

20世紀80年代，Gala公司相繼申請了專利US 4565015[9]，它提出了一種新型顆粒離心干燥機.這一時期干燥機的特點是開始加進了氣流干燥，但這時的氣流出口是在干燥機的上部，后來的氣流干燥基本是從干燥機中部出氣(如圖1和圖2所示).在專利US 4565015中，顆粒和水混合液從入口進入，經(jīng)過撞擊脫水后進入干燥機轉(zhuǎn)子，并在轉(zhuǎn)子的離心作用下提升和“彈跳”脫水，最后在干燥機上部經(jīng)過氣流干燥后到達出口.干燥機的工作原理和結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示.鼓風機的葉輪裝在轉(zhuǎn)子的上部，這樣就使電機帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的同時帶動鼓風機的葉輪以節(jié)省能量.

圖5 美國專利US4565015設(shè)備簡圖

3.2 顆粒離心干燥機類型發(fā)展現(xiàn)狀

目前，顆粒離心干燥機的機型已經(jīng)基本完善，主要分為四類EASY ACCESS型、EASY CLEAN/LOW NOISE(ECLN)型、HIGH CAPACITY型和SELF-CLEANING，具體如下：

(1) EASY ACCESS

到了20世紀90年代，顆粒離心干燥機有了進一步的發(fā)展.Gala又相繼申請了專利US4896435[10]、US5265347[11]、US5638606[12]和US6138375[13].專利US4896435提出了一種新型的可更換部件的顆粒離心干燥機，工作過程如圖1所示.專利US4896435之后又相繼提出了專利US5265347、US5638606和US 6138375，這三個專利都是對專利US4896435的補充.專利US5265347是基于降噪的考慮，給干燥機安上了可以阻擋噪聲的雙層門.專利US5638606提出了一種新型篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以降低堵孔概率.專利US6138375給篩網(wǎng)加了一個支撐結(jié)構(gòu)，從而使篩網(wǎng)不易變形，便于運輸顆粒并增強了干燥效果.專利US4896435結(jié)構(gòu)簡圖參看圖6.這里的可更換部件是在干燥機工作時的易損部件，包括進料斜道、底座支承部件、上部出料管，它們通過螺栓連接或焊接到主體上.其優(yōu)點是：當這些部件發(fā)生破損時，避免了對機架或整機的更換，節(jié)省了修理費用.

圖6 美國專利4896435設(shè)備簡圖

(2) EASY CLEAN/LOW NOISE(ECLN)

21世紀以來，顆粒離心干燥機有了更加迅速的發(fā)展，在鞏固完善氣流干燥、簡單維修和低噪聲等特點下，又開發(fā)了兩個系列的干燥機，實驗室用干燥機和易清洗干燥機.到目前為止，Gala相繼申請了美國專利US6237244B1[14]、US6807748 B2[15]、US7024794B1[16]和7171762B2[17].其中US6237244B1和US6807748B2在(4)SELF-CLEANING中介紹.

專利US7024794B1和US7171762B2提到了一種易清洗的低噪聲顆粒離心干燥機，這種干燥機內(nèi)部構(gòu)造和以往基本一樣，工作過程與專利US4896435的基本相同，主要的不同是在顆粒出口管內(nèi)裝上進風過濾器，使它們成為一體.這樣就可以封閉整個干燥機的上部，并避免污垢堆積.傳統(tǒng)的空氣過濾器安裝在干燥機的上部，并需要安裝通氣管道才能連接到內(nèi)部.現(xiàn)在不需要打開這個部分，例如在條件變化時，可以簡單快速移除剩余顆粒.另外，在顆粒出口管內(nèi)裝上的進風過濾器可以產(chǎn)生最佳的逆向氣流，而且這個氣流比以前更緩和.其工作過程參看圖2.

專利US7024794B1考慮的是機器與人的和諧發(fā)展.它是在金屬構(gòu)架里加上了足夠厚的塑料板，這樣可減小由轉(zhuǎn)子和顆粒撞擊篩網(wǎng)所產(chǎn)生的噪聲(結(jié)構(gòu)簡圖參看圖7).專利US7171762B2則考慮的是干燥機的自清洗，它應(yīng)用高壓氣體和高壓液體完成對干燥機的清洗，這樣就可以減少更換物料粒時所帶來的污染.

圖7 US7024794B1結(jié)構(gòu)簡圖

(3) HIGH CAPACITY

年產(chǎn)80萬噸的顆粒離心干燥機是Gala公司的領(lǐng)先產(chǎn)品，也是大型混煉擠壓造粒機組的配套后處理設(shè)備，圖8是產(chǎn)量為80萬噸/年的顆粒離心干燥機.

圖8 高產(chǎn)量顆粒離心干燥機(80萬噸/年)[4]

(4) SELF-CLEANING

自清洗的大型干燥機，通過控制系統(tǒng)控制內(nèi)部的高壓水槍和氣槍實現(xiàn)自清洗，清洗后滿足變換顆粒顏色的需要，外形參看圖9.

專利US6237244B1和6807748B2提到了一個實驗室用的小型顆粒干燥機.這種小型的顆粒離心干燥機，可以在低轉(zhuǎn)速下操作，而且很易清洗、適合在小型生產(chǎn)和實驗室中使用.專利US6807748B2另外還提到當它按模型比例縮放建造，可以進行系列化生產(chǎn)，同樣的模型可以通過放大和縮小來建造以適應(yīng)不同的商業(yè)需求，其干燥室、篩網(wǎng)和轉(zhuǎn)子參看圖10.

圖9 自清洗型顆粒離心干燥機[4]

圖10 美國專利US6237244B1的小型干燥機[4]

3.3 國內(nèi)發(fā)展情況

我國顆粒離心干燥機研制工作已經(jīng)開展將近20年，研究成果比較顯著，但是和國外產(chǎn)品仍有一定差距，下面主要三家單位顆粒離心干燥機的研究和發(fā)展情況.

(1) 蘭州德瑞干燥技術(shù)有限公司

2003年我國蘭州德瑞干燥技術(shù)有限公司申請了專利CN03262639.8[18]，該裝置應(yīng)用于聚丙烯、聚乙稀等樹脂水下切粒后脫水干燥，填補了我國在這一領(lǐng)域的空白.該單位的控股單位天華化工機械及自動化研究設(shè)計院還在2012年主持編制了標準—《顆粒離心干燥機》(HG/T 4272-2011)[19]，該標準規(guī)定了顆粒離心干燥機的型式與命名、基本參數(shù)、要求、試驗方法、檢驗規(guī)則及標志、包裝、貯運.

雖然該公司有一定的技術(shù)創(chuàng)新，但是并沒有給出詳盡的顆粒離心干燥理論和設(shè)計依據(jù).

(2) 北京化工大學

2007年，北京化工大學開始進行大型聚丙烯混煉造粒機組的一個子課題—大型顆粒離心干燥機的研制工作，期間在南京杰亞擠出裝備有限公司的幫助下，完成了可視化實驗臺的建立，應(yīng)用可視化實驗技術(shù)和定量測試方法，開展了顆粒干燥度、產(chǎn)量、顆粒運動、干燥機理、停留時間、所需功率和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的探索研究[2]，并得到了相關(guān)結(jié)論，同時得到授權(quán)專利《分段式轉(zhuǎn)子顆粒離心干燥機》[20].

雖然北京化工大學做了一些研究，但其對顆粒離心干燥機的基本原理和設(shè)計準則方面的研究并不充分，在顆粒特性(例如材質(zhì)，形狀，表面結(jié)構(gòu))對干燥效果，產(chǎn)量和噪聲的影響并沒有進行定量研究，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)研究還局限于實驗室級的小型設(shè)備.

(3) 南京鉆意機械制造有限公司

南京鉆意機械制造有限公司在2017和2018年先后得到授權(quán)6個專利(4個外觀設(shè)計和2個實用新型)[21-26]，但該公司的設(shè)備還局限于小型設(shè)備.

總體上，在國內(nèi)，顆粒離心干燥機的發(fā)展相對比較緩慢，理論研究還不成熟，設(shè)備還是以小型為主，還沒有發(fā)展出80萬噸/年的高效率大型離心干燥機.在化工大型造粒機組中，基本還是采購國外產(chǎn)品.

4 結(jié) 論

前述顆粒離心干燥機經(jīng)過長期的發(fā)展，在化工大型造粒機組等工程中得到廣泛應(yīng)用，效率很好.目前市場產(chǎn)品為GALA公司為主，國內(nèi)技術(shù)裝備較為落后，急需開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高效率高產(chǎn)量的顆粒離心干燥機.國內(nèi)外在其基本原理和設(shè)計準則方面理論研究還不充分，為此需要繼續(xù)開展相關(guān)基礎(chǔ)研究，如分析顆粒特性(例如材質(zhì)，形狀，表面結(jié)構(gòu))對干燥效果，產(chǎn)量和噪聲的影，分析大型設(shè)備產(chǎn)量和干燥程度這兩個相互制約的指標與各結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的關(guān)系，從而開發(fā)高產(chǎn)量高效率的設(shè)備.