彭遂平

（中石化巴陵石油化工有限公司， 湖南 岳陽 414014）

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）是以苯乙烯、丁二烯為單體原料、環(huán)己烷為溶劑，通過陰離子溶液聚合而成的嵌段共聚物， 是一種熱塑性彈性體橡膠[1-2]。 SBS 橡膠工業(yè)生產(chǎn)過程一般包括單體精制、聚合、凝聚及后處理4 個主要工序[3-9]。巴陵石油化工有限公司SBS 裝置后處理工序由擠壓脫水、膨脹干燥及后干燥3 個單元依次構(gòu)成。 其中，后干燥設(shè)備為2 臺或3 臺串聯(lián)的雙軸槳葉干燥機， 這些槳葉干燥機已經(jīng)使用多年， 現(xiàn)狀是故障多、能耗大、排放量大且沒有粉塵回收設(shè)計，已遠不能滿足當(dāng)前生產(chǎn)的長周期運行、 高效節(jié)能及環(huán)保無污染要求。為此，基于國內(nèi)的干燥技術(shù)研究理論與干燥設(shè)備改造經(jīng)驗［10-17］，結(jié)合SBS 生產(chǎn)裝置實際運行情況，對SBS 后干燥技術(shù)進行了比選，研發(fā)了流化槳葉干燥技術(shù)。

1 SBS 裝置在用槳葉干燥機概況

1.1 結(jié)構(gòu)與原理

在用槳葉干燥機是一種臥式低速干燥設(shè)備，由帶夾套的槽型殼體、上蓋、2 根帶槳葉的空心軸組成。工作時，帶變頻電機的減速器通過鏈傳動帶動主動軸，經(jīng)同步齒輪帶動從動軸做逆向旋轉(zhuǎn)，熱風(fēng)從殼體出料側(cè)上部空間進入， 從殼體進料側(cè)上部空間排出，經(jīng)旋風(fēng)分離器除塵。膠料進入到槳葉干燥機后，在雙軸槳葉的攪動下向出料端推進，同時被有熱介質(zhì)的夾套和空心軸及槳葉加熱， 膠料中的水分受熱蒸發(fā)，由上部熱風(fēng)帶出，達到干燥的目的，干燥后的膠料從出料口排出。

1.2 使用現(xiàn)狀

1.2.1 效率低

槳葉干燥機采用夾套加熱。 加熱介質(zhì)為蒸汽時，內(nèi)殼體變形嚴重，而且膠料易粘于殼體表面導(dǎo)致黃變。 改為熱水加熱后，內(nèi)殼體仍有變形。 棄用夾套改用熱風(fēng)直接加熱后， 熱風(fēng)從殼體上部氣相空間通過，只是帶走蒸發(fā)的水分，并未與膠料表面進行充分接觸換熱，導(dǎo)致熱效率低，產(chǎn)能3 萬t/a的SBS 生產(chǎn)線需配備2～3 臺槳葉干燥機才能滿足使用要求。

1.2.2 故障多

槳葉干燥機使用過程中出現(xiàn)了多種故障，主要包括，①殼體變形大。 W 型殼體厚度較薄，帶有夾套，通入熱介質(zhì)后，內(nèi)殼體受熱變形較嚴重，與攪拌槳葉刮擦。②主軸彎曲變形，時間長后出現(xiàn)疲勞斷裂。 2 根主軸長且重，再加上槳葉的質(zhì)量，軸的設(shè)計剛度相對不足，運行時主軸出現(xiàn)明顯彎曲，而且彎曲量逐步加大， 嚴重時導(dǎo)致了槳葉與殼體刮擦，有多個主軸發(fā)生過疲勞斷裂。③主軸與殼體密封處泄漏，粉塵進入軸承造成故障。④開放式鏈傳動和同步齒輪設(shè)計，工況差，故障多。

1.2.3 環(huán)保壓力大

①槳葉干燥機采用微正壓設(shè)計，且蓋板未完全密封。粉塵在微正壓下從蓋板處和軸封處逸出，現(xiàn)場環(huán)境較差。②熱風(fēng)從干燥機排出后，經(jīng)旋風(fēng)分離器分離出大部分粉塵， 但旋風(fēng)分離器出來的風(fēng)仍有較高的粉塵濃度，不符合目前環(huán)保要求，需要治理。 ③設(shè)計的熱風(fēng)風(fēng)量大，無法直接排入大氣，需接入揮發(fā)性有機化合物（VOC）系統(tǒng)治理，過大風(fēng)量對VOC 環(huán)保裝置的運行壓力大。

2 流化槳葉干燥技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)

2.1 后干燥技術(shù)比選

目前國內(nèi)外合成橡膠行業(yè)后干燥主要采用的是以流化床、 長網(wǎng)干燥廂和槳葉干燥機等工藝設(shè)備為特征的干燥工藝技術(shù)， 這3 種后干燥工藝技術(shù)對比見表1。

表1 合成橡膠行業(yè)常用的3 種主要后干燥工藝技術(shù)對比

從表1 可以看出，流化床干燥工藝主要適用于粒料和粉料，就SBS 的物性來說沒有太大優(yōu)勢，目前以長網(wǎng)干燥廂和槳葉干燥為主。 長網(wǎng)干燥廂干燥工藝對于較高含水率的工況有較為明顯的處理優(yōu)勢，對于較低含水率的工況，尤其是粉料較多時并不很合適。 槳葉干燥更適合處理經(jīng)過擠壓脫水和膨脹干燥之后含水率較低、粉料較多的工況，如果槳葉干燥能夠做到提高傳熱效率， 解決運行問題，減少外排量等，將會使后干燥技術(shù)水平上一個臺階。 最終確定了在槳葉干燥工藝的基礎(chǔ)上進行SBS 流化槳葉干燥技術(shù)的研發(fā)。

2.2 研發(fā)思路

根據(jù)實驗室流化床干燥器和槳葉干燥機中試設(shè)備確定最佳參數(shù)，并對參數(shù)分析研究，然后通過理論計算和模擬分析， 確定適合本工藝參數(shù)的操作條件。

針對小試和模擬計算確定的工藝參數(shù)和設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)開發(fā)工業(yè)工藝及設(shè)備技術(shù)， 并完成工藝方案、工藝流程及設(shè)備設(shè)計，針對生產(chǎn)實際中出現(xiàn)的能效、運行和環(huán)保等問題設(shè)計時進行統(tǒng)一考慮，逐項改進。

3 干燥機工藝試驗研究

3.1 總體試驗方案

分別采用槳葉干燥機 （傳導(dǎo)換熱） 和流化床（對流換熱） 進行SBS 濕物料的干燥工藝小試試驗， 考察傳導(dǎo)和對流方式對SBS 濕物料干燥的效果、 傳導(dǎo)和對流方式對SBS 物料干燥的傳熱系數(shù)等相關(guān)條件。

3.2 槳葉干燥機試驗

試驗用槳葉干燥機換熱面積為3 m2。 基于導(dǎo)熱油溫、進料量、進口濕含量這3 個變量，進行保持其中2 個變量不變和調(diào)節(jié)第3 個變量的干燥操作，記錄12 組試驗出料濕含量，見表2。

表2 槳葉干燥機干燥試驗數(shù)據(jù)

結(jié)合試驗現(xiàn)象分析表2 的槳葉干燥機試驗數(shù)據(jù)可知，①隨著加料量的增加，出料濕含量逐漸增大。 當(dāng)加料量超過試驗設(shè)備設(shè)計處理量 （5 t/h）時，物料容易從設(shè)備葉片上面溢流過來，造成物料停留時間較短， 干燥效果急劇惡化。 ②處理量小時，熱源溫度變化對產(chǎn)品濕含量影響不大。處理量變大后， 熱源溫度為95 ℃條件下的干燥效果優(yōu)于熱源溫度為90 ℃條件下的。 ③槳葉干燥機側(cè)壁、軸端及底部存在一定的干燥死區(qū)。

3.3 流化床試驗

試驗用流化床的床層換熱面積為0.09 m2，床層容積為0.15 m3。 在熱風(fēng)量固定為450 m3/h 的條件下， 基于調(diào)節(jié)溢流板高度、 進料量、 進風(fēng)溫度、進料濕含量這4 個變量，進行保持其中3 個變量不變和調(diào)節(jié)第4 個變量的干燥操作， 記錄出料濕含量，共得到5 組試驗結(jié)果，見表3。

結(jié)合試驗過程中觀察到的現(xiàn)象分析表3 的流化床干燥試驗數(shù)據(jù)可知，①溢流板的高度值越大，物料堆積高度值越大，物料越易于粘連團聚。溢流板的高度降低后，物料流化效果較好。②物料粘連團聚作用隨著熱源溫度的提高而變強， 容易造成涌流。 ③干燥后的物料含濕量隨著進料量的增加而變大。

3.4 試驗小結(jié)

①槳葉干燥機和流化床均可以完成SBS 干燥過程。 ②槳葉干燥機處理量大，物料松散，需要采取措施對超設(shè)計量運行和設(shè)備死角問題進行預(yù)防，反算出的槳葉傳熱系數(shù)約35 W/（m2·K），本牌號產(chǎn)品 （熱塑性丁苯橡膠） 熱介質(zhì)溫度建議定為95 ℃。 ③流化床干燥處理量小，高溫高容易粘連團聚，建議產(chǎn)品熱風(fēng)溫度不超過90 ℃。

4 SBS 流化槳葉干燥技術(shù)總體系統(tǒng)設(shè)計

4.1 總體功能設(shè)計

現(xiàn)有雙螺桿槳葉干燥機干燥能力差主要原因是傳熱面積小甚至棄用夾套加熱， 而熱風(fēng)僅起帶走濕氣作用，對流傳熱不足，熱效率不高。 流化床干燥是流態(tài)化技術(shù)和傳質(zhì)技術(shù)的結(jié)合， 在流化干燥中，物料與熱空氣充分接觸，邊界層薄，氣膜阻力小，傳熱、傳質(zhì)系數(shù)高。 SBS 橡膠流化槳葉干燥技術(shù)結(jié)合了雙螺桿槳葉干燥機和流化床技術(shù)優(yōu)點，其設(shè)備系統(tǒng)（圖1）設(shè)計主要包括2 個部分，一是連接在一起的置于機架上的傳動系統(tǒng)， 二是設(shè)有物料進口、物料出口、熱水進口、熱水出口的帶夾套干燥筒體。 其中，干燥筒體的特征在于，①干燥筒體的兩端分別設(shè)有密封結(jié)構(gòu), 其內(nèi)設(shè)有帶槳葉的攪拌軸。 ②干燥筒體的側(cè)面設(shè)有數(shù)個圓形干燥氣體進口, 每個干燥氣體進口處設(shè)有分布板組件，分布板組件上設(shè)有數(shù)個蛇形孔。 SBS 橡膠流化槳葉干燥機工作時，將熱水通入夾套、空心軸及空心槳葉，設(shè)置熱風(fēng)從筒體側(cè)面下部吹入，穿過物料層，可以使物料處于一個相對流化蓬松的狀態(tài)，實現(xiàn)增大接觸換熱面積、 膠料表面蒸發(fā)更新速率快，進而提高干燥效率的目的。

圖1 SBS 橡膠流化槳葉干燥機設(shè)備系統(tǒng)示圖

4.2 主要功能設(shè)計

4.2.1 傳導(dǎo)干燥

為了降低蒸汽加熱SBS 膠料的風(fēng)險， 確定采用熱水加熱。熱水加熱可有效降低膠料熱變形量。在結(jié)構(gòu)方面，除設(shè)置殼體夾套加熱外，還將主軸設(shè)計為空心軸， 其上槳葉采用空心楔形槳葉并通入熱水，相應(yīng)的傳熱面積可以增加2 倍以上，干燥能力顯著增強。 熱水還可以設(shè)計利用SBS 裝置多余的凝結(jié)水進行循環(huán)使用，蒸汽總耗量很少。

4.2.2 流化干燥

流化干燥功能的結(jié)構(gòu)形式主要是蛇形孔氣流分布板。干燥系統(tǒng)機運轉(zhuǎn)時，熱風(fēng)從槳葉干燥機側(cè)面下部多個設(shè)有蛇形孔氣流分布板的進口進入，穿過膠層，從槳葉干燥機上部出口排出，這樣有利于熱風(fēng)與膠料充分接觸換熱， 并迅速帶走膠料中蒸發(fā)出的水分，加快膠料表面更新速度，提高干燥效率。

4.2.3 載氣系統(tǒng)

通過開發(fā)載氣除塵及部分循環(huán)新工藝， 使外排尾氣粉塵含量達標且排氣量極大減少，減少了后續(xù)VOC 治理量，節(jié)能環(huán)保。 流化槳葉干燥機出料端增加冷風(fēng)段，降低出口處物料溫度，有利于改善產(chǎn)品包裝條件。

5 SBS 流化槳葉干燥系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計

殼體帶有夾套，換熱面積約26 m2，考慮通入熱水帶來的熱脹冷縮影響，采用蜂窩結(jié)構(gòu)形式。為了使蜂窩夾套受熱后的變形可控， 按照GB/T 150.3—2011《壓力容器第3 部分：設(shè)計》中5.12條款進行夾套的拉撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，見圖2。

圖2 流化槳葉干燥機殼體蜂窩夾套拉撐結(jié)構(gòu)示圖

5.2 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.2.1 設(shè)計考慮要素

按工藝設(shè)計的要求， 主軸的設(shè)計不僅需要考慮強度，還需要考慮換熱結(jié)構(gòu)設(shè)計。 此外，考慮到主軸長度較長，剛性也是設(shè)計的要素之一。主軸結(jié)構(gòu)選空心軸加空心槳葉形式， 可在保證強度的情況下盡量減少軸的自重， 空心軸和空心槳葉內(nèi)設(shè)計通入熱水，增加換熱面積約59 m2，顯著提高了干燥機換熱能力。

5.2.2 空心軸結(jié)構(gòu)

作為干燥機的核心部件， 空心軸結(jié)構(gòu)設(shè)計合理與否影響著干燥機干燥能力。 空心熱軸熱水進量小、排水不暢都會降低干燥機處理量。設(shè)計的套管式熱軸結(jié)構(gòu)， 熱水上水通過外管進入干燥機葉片內(nèi)部， 換熱后的熱水依靠轉(zhuǎn)動的熱軸進入內(nèi)套管中經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭排出。 該結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點是排水通暢，熱軸內(nèi)部積水少，熱水換熱效果好。 空心軸作為重要受力元件， 其結(jié)構(gòu)可靠性對于槳葉干燥機能否正常運轉(zhuǎn)至關(guān)重要， 因此對空心軸自身結(jié)構(gòu)受力狀況的影響進行了研究， 防止軸變形后與殼體發(fā)生剮蹭。 采用有限元建模分析方法進行空心軸受力研究，研究分2 個步驟，①選用大直徑空心軸，適當(dāng)縮減軸的長度，保證強度的同時，減少自重， 增大抗彎截面模量， 有效提高空心軸剛性，增強運行的可靠性。 ②進行參數(shù)化建模，研究槳葉干燥機槳葉軸在壓力載荷、重力載荷、扭矩載荷作用下的應(yīng)力分布， 總結(jié)在各載荷作用下軸身結(jié)構(gòu)改變對應(yīng)力值的影響規(guī)律。 在重力載荷及扭矩作用下，軸徑及軸厚不宜過大也不宜過小，存在范圍最佳值。 軸的長度越長，應(yīng)力值越大。 研究過程中建立的空心軸網(wǎng)格模型見圖3。

圖3 流化槳葉干燥機空心軸有限元網(wǎng)格模型

5.2.3 空心槳葉結(jié)構(gòu)

主軸攪拌葉片是干燥器的主要傳熱壁面，采用楔形中空結(jié)構(gòu)，由5 塊薄板制成，分別是2 塊扇形斜面?zhèn)劝濉? 塊三角圓弧蓋板、1 塊三角形底的矩形后蓋板以及1 塊與矩形后蓋板相連的輔助葉。楔形空心葉片的2 塊扇形斜板的傾斜度相同，方向相反對稱于軸法線，見圖4。

圖4 流化槳葉干燥機主軸楔形空心葉片示圖

5.2.4 軸端密封結(jié)構(gòu)

針對填料密封易磨損漏粉情況， 采用了新的專利密封形式［18］，在常規(guī)的填料與密封氣反吹結(jié)合的組合密封基礎(chǔ)上，增加了迷宮密封盒緩沖倉，保證物料與填料不接觸，防止填料污染物料。采用陶瓷噴鍍軸套技術(shù)，減少了填料和軸承磨損，延長使用壽命，確保無粉塵泄漏，軸承無污染，延長運行周期。

5.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計

原槳葉干燥機傳動系統(tǒng)主體設(shè)備為擺線輪減速機，操作時通過開式鏈傳動帶動主動軸，經(jīng)同步齒輪帶動從動軸， 雙軸作逆向旋轉(zhuǎn)推動物料向前輸送。干燥機運行時，槳葉對膠料產(chǎn)生的沖擊經(jīng)主軸傳遞到傳動系統(tǒng)，開式鏈傳動會將沖擊放大，造成鏈條鏈輪損壞較多，同步齒輪磨損加劇、減速機故障增多等， 而且開式鏈的潤滑比較困難， 現(xiàn)場油污多，工況差。 新設(shè)計的傳動系統(tǒng)（圖5）取消了鏈傳動， 改由電機加硬齒面平行軸齒輪減速器與主動軸通過聯(lián)軸器直聯(lián)，再由同步齒輪帶動從動軸的方式，以改善運行工況。

圖5 流化槳葉干燥機傳動系統(tǒng)示圖

5.4 傳動系統(tǒng)設(shè)計

①采用部分載氣循環(huán)，充分利用熱能，部分載氣進入氣流輸送系統(tǒng)充當(dāng)輸送介質(zhì)， 部分載氣排放進入VOC 治理系統(tǒng)。 ②干燥機排氣口通過布袋過濾除塵，然后再利用。流化槳葉干燥機增加除塵裝置，干燥尾氣在干燥機頂部匯集，經(jīng)過布袋除塵器分離出固體顆粒， 通過給料閥進入流化槳葉干燥機， 部分尾氣由循環(huán)風(fēng)機增壓和加熱器升溫后循環(huán)加熱物料，部分尾氣進入輸送風(fēng)機充當(dāng)載氣，在流化槳葉干燥機內(nèi)部形成微負壓， 解決了干燥機頂部蓋板泄漏粉塵、 熱風(fēng)直排大氣產(chǎn)生的粉塵污染問題。

6 應(yīng)用效果

投用流化槳葉干燥機后， 對SBS 橡膠流化槳葉干燥一體化裝置2020-03 運行情況和SBS 橡膠產(chǎn)量進行統(tǒng)計，見表4 和表5。 基于表5 的數(shù)據(jù)進行計算可知，2020-03-12 T 9：00～2020-03-19 T 9：00 累計生產(chǎn)SBS 橡膠702.8 t， 平均生產(chǎn)SBS 橡膠4.18 t/h，按年操作時間8 000 h 計算，預(yù)計年產(chǎn)量為33 440 t， 可以滿足裝置年產(chǎn)3 萬t SBS 橡膠的要求。 實際運行情況和產(chǎn)量統(tǒng)計分布見表4 和表5。

表4 SBS 橡膠流化槳葉干燥一體化裝置2020-03運行情況

表5 SBS 橡膠流化槳葉干燥一體化裝置2020-03 產(chǎn)量統(tǒng)計情況

7 結(jié)束語

SBS 流化槳葉干燥技術(shù)的研發(fā)， 使設(shè)備運行可靠性得到顯著提升，實現(xiàn)了減量、達標排放，改善了環(huán)境與工況。 SBS 流化槳葉干燥技術(shù)采用夾套和空心槳葉軸通熱水、 熱風(fēng)穿過料層等設(shè)計等使單臺干燥機效能大幅提升， 達到了用單臺干燥機取代原2 臺或3 臺串聯(lián)干燥機的效果， 綜合效率倍增。殼體夾套采用蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計，主軸采用大直徑空心軸，強度和剛性增大，使夾套和主軸變形可控，消除了運行隱患，有效減少了設(shè)備故障。 全密閉設(shè)計、微負壓操作、外排氣循環(huán)利用和除塵處理，滿足環(huán)保要求，現(xiàn)場環(huán)境改善明顯。 SBS 流化槳葉干燥技術(shù)可以簡化流程， 降低裝置建設(shè)成本和操作運營成本，解決了生產(chǎn)過程的難題，提高了SBS 工業(yè)化裝置經(jīng)濟技術(shù)水平， 同時尾氣粉塵排放量降低，既環(huán)保又改善了工作環(huán)境，具有明顯的環(huán)保社會效益。 該技術(shù)目前已在新建SBS 裝置上取得了良好的應(yīng)用效果， 可在其它同類裝置的改造上進行推廣應(yīng)用。