趙金豹，蘇成武

(遼寧鼎際得石化股份有限公司，遼寧營口 115005)

0 前言

中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司乙烯廠聚丙烯車間采用的生產(chǎn)工藝是Spheripol工藝,以液相本體聚合和氣相共聚組合方式生產(chǎn)聚丙烯粒料。在聚丙烯的生產(chǎn)過程中，干燥系統(tǒng)作為造粒前的最后的一道工序，干燥的好壞直接影響到后序工段的平穩(wěn)運行和產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。流化床干燥器在聚丙烯粉料生產(chǎn)中的作用是除去聚合物上的水分，保證聚丙烯粉料中的水含量符合要求,以保證后序工段的平穩(wěn)運行。

1 干燥系統(tǒng)工藝簡述

在汽蒸器中，水蒸氣吸附在聚合物中，粉料在自身重力和壓差的作用下從汽蒸器流到流化床干燥器。干燥的目的是從聚合物表面脫附水，以滿足后續(xù)工段的工藝要求。粉料干燥系統(tǒng)工藝流程見圖1。被干燥的物料由流化床干燥器的頂部加入，與從底部通過多孔分布板加入的熱氮氣逆流接觸。熱氮氣自干燥器的底部向上，使聚合物產(chǎn)生流化，并從聚合物中除去水分。物料與熱氮氣進行傳熱和傳質(zhì)過程達到干燥目的。干燥后的物料由流化床干燥器底部中間的排料口排出，氣流夾帶少量粉末自頂部排出，通過旋風分離器分離。汽化冷凝水所需熱量由聚合物本身降溫(100～110 ℃下降到75～80 ℃)和熱氮氣供給。在料位控制下，干燥的聚合物從干燥器流至氣流輸送料斗，帶有細粉的氮氣通過旋風分離器后，粉料收集至粉末收集器送至粉料輸送系統(tǒng)中。幾乎含有聚合物全部水分的氮氣在水洗塔中洗去水和聚合物細粉。氮氣從洗滌塔頂部經(jīng)除霧器到鼓風機，氮氣通過鼓風機吸入段的壓力控制閥進行補充。氮氣通過一臺翅片式換熱器加熱，將氮氣加熱到110 ℃。加熱后的氮氣流到干燥器除去聚合物的水分。在所有的容器和工藝管線上，氮氣都作為一種惰性氣體來防止形成爆炸性氣體(粉塵等)和聚合物分解，要保持氮氣壓力為正壓以防止形成真空。流化床干燥器中設(shè)計了一個螺旋輸送器，目的是延長粉料在流化床干燥器中的停留時間，增加干燥效果。

D502—干燥器;S502—旋風分離器;D507—粉末收集器;LS—蒸汽;E503—翅片式換熱器;T502—洗滌塔;C502A/B—鼓風機;P502A/B—洗滌塔水循環(huán)泵;E502—板式換熱器;CWS—循環(huán)水入口;CWR—循環(huán)水出口

圖1 粉料干燥系統(tǒng)流程示意圖

干燥器底部的多孔分布板也經(jīng)過專門設(shè)計，孔的開向呈一定角度，這樣可以使進入干燥器的氮氣有一定的流向，強化了流化的程度，提高了干燥效率。干燥器底部分布板示意圖見圖2。流化床干燥有許多優(yōu)點：物料在流化床干燥器內(nèi)停留時間長，物料與干燥介質(zhì)長時間接觸后含水量低，操作時干燥介質(zhì)氣速低。

圖2 干燥器底部分布板示意圖

2 工藝指標要求

粉料聚合物中水分質(zhì)量分數(shù)從3%減少到小于0.02%。

3 影響流化床干燥效果的主要因素

筆者對流化床干燥器進行熱量衡算、物料衡算，可對其換熱的過程有一個了解，同時可以分析出影響粉料干燥效果的因素。

3.1 流化床干燥器熱量衡算

流化床干燥器熱量衡算簡圖見圖3。

圖3 干燥系統(tǒng)熱量平衡簡圖

粉料中的水帶走的熱量為：

Q水=W水·ΔH汽

(1)

物料提供的熱量為：

Q粉料=W粉料·c2·ΔT2

(2)

熱氮氣提供的熱量為：

Q氮氣=W氮氣·c1·ΔT1

(3)

式中：W水為熱氮氣能夠帶走的水的質(zhì)量(與汽化壓力有關(guān))，kg；Q水為氮氣帶走W水所需的熱量,kJ；ΔH汽為水的汽化潛熱，kJ/(kg·K),75 ℃時為554 kJ/(kg·K)；W粉料為熱氮氣帶走的粉料質(zhì)量,kg;c1為氮氣的質(zhì)量熱容，kJ/(kg·K)；ΔT1為氮氣經(jīng)過干燥器進口與出口的溫差，K，ΔT1=35 K；W氮氣為熱氮氣質(zhì)量,kg;c2為聚丙烯粉料的質(zhì)量熱容，kJ/(kg·K)；ΔT2為聚丙烯粉料經(jīng)過干燥器進口與出口的溫差，K，ΔT2=35 K。

由Q水=Q氮氣+Q粉料可推導出W水=(W氮氣·c1·ΔT1+W粉料·c2·ΔT2)/ΔH汽，在75 ℃時，ΔH汽不變，c1、c2不變，因此，在生產(chǎn)負荷一定,即W粉料一定的情況下，影響粉料水含量的因素有：W氮氣、ΔT1、ΔT2。如果要降低粉料中的水含量，則應(yīng)增加W氮氣或提高ΔT1、ΔT2。如要提高ΔT1，就要提高上游系統(tǒng)的溫度或降低干燥后氮氣的溫度；如要提高ΔT2，就要提高循環(huán)氮氣進入流化床干燥器的溫度。

3.2 流化床干燥器物料衡算

流化床干燥器物料衡算簡圖見圖4。

物料衡算式為：

AW氮氣=BW氮氣+W水

(4)

式中：A為75 ℃時飽和氮氣的濕度，%；B為40 ℃時飽和氮氣的濕度，%。

由式(4)可得:

W水=(A-B)W氮氣

(5)

圖4 干燥系統(tǒng)物料平衡簡圖

從以上分析可知，影響流化床干燥器干燥效果的主要因素有：(1)循環(huán)氮氣的流量;(2)流化床干燥器的干燥溫度。

4 影響干燥效果的其他因素

4.1 循環(huán)氮氣經(jīng)洗滌塔洗滌后的溫度

由以上的物料平衡和熱量平衡分析可知，經(jīng)水洗塔洗滌后的氮氣溫度越低，則飽和氮氣的濕度越小(B越小)，在相同的干燥溫度下，帶走粉料中的水就越多。筆者就氮氣洗滌塔進行傳熱和傳質(zhì)分析，分析熱氮氣自洗滌塔塔底進入，冷水由塔頂進入，氣液呈逆流接觸，在塔內(nèi)進行傳熱和傳質(zhì)。在洗滌塔內(nèi)既發(fā)生氣相向液相的熱量傳遞，又發(fā)生水的汽化或冷凝。熱氮氣的水冷過程見圖5，圖5(b)、(c)分別表示沿洗滌塔塔高的溫度變化和水蒸氣分壓的變化。

(a) 氮氣洗滌塔流程 (b) 溫度變化 (c) 水氣分壓變化

由圖5可見,氣相和液相的溫度自塔底向塔頂單調(diào)下降。液相的水氣平衡分壓與液相溫度有關(guān)，因而也單調(diào)下降；可是，氣相中的水蒸氣分壓則可能出現(xiàn)非單調(diào)的變化。氣、液兩相的分壓曲線在塔中某處相交，其交點將塔分成上、下兩段，各段中的過程分析如下：(1)塔下部的氣相溫度高于液相溫度，氣體傳熱給液體;同時，氣相中的水氣分壓低于液相的水氣平衡分壓，水由液相向氣相蒸發(fā)。在該區(qū)域內(nèi)，熱、質(zhì)傳遞的方向相反，液相自氣相獲得的顯熱又以潛熱的形式隨汽化的水分返回氣相。(2)塔上部的氣相溫度仍高于液相溫度，傳熱方向仍然從氣相到液相，但氣相的水氣分壓與水的平衡分壓的相對大小發(fā)生了變化。由于水溫較低，相應(yīng)的液相平衡分壓也低，氣相水氣分壓轉(zhuǎn)而高于液相平衡分壓，水氣將由氣相轉(zhuǎn)向液相，發(fā)生水氣的冷凝。在該區(qū)域內(nèi)，液相既獲得來自氣相的顯熱，又獲得水氣冷凝所放出的潛熱。

由以上分析可知，要降低氮氣水洗后的溫度，一定要控制好進洗滌塔的溫度和流量。在實際的操作中要求洗滌塔水循環(huán)泵的質(zhì)量流量不低于40 t/h,水溫不能超過40 ℃，以確保氮氣經(jīng)水洗后的溫度不會太高，保證粉料的干燥效果。如工藝條件不能滿足，就要清理循環(huán)泵入口過濾器或板式換熱器。

4.2 干燥器中粉料的停留時間

控制流化床干燥器的料位，就控制了顆粒在床層的平均停留時間，即平均干燥時間。平均干燥時間τ=床內(nèi)固體量下料速率。實際操作中，在保證工藝平穩(wěn)的前提下，料位控制不能太低，以確保干燥效果。在裝置的流化床干燥器中設(shè)置螺旋輸送器目的也是增加粉料在流化床干燥器中的停留時間，強制粉料沿著輸送器的方向運行至下料口。

5 流化床粉料干燥效果分析

流化床聚丙烯粉料中水分質(zhì)量分數(shù)見表1。由表1可以看出聚丙烯粉料中水分質(zhì)量分數(shù)都在工藝指標控制之內(nèi)，即小于0.02%。

表1 聚丙烯粉料中水分質(zhì)量分數(shù)

6 結(jié)語

通過以上分析可知，影響流化床干燥效果的因素有循環(huán)氮氣的流量、流化床的干燥溫度、進流化床干燥器的循環(huán)氮氣溫度、經(jīng)洗滌塔洗滌后的氮氣溫度、干燥器中粉料的停留時間等。在實際操作中可針對以上情況進行分析，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，以保證聚丙烯粉料的干燥效果。