聚烯烃粒料重力掺混系统均化原理、掺混试验与工业设计

综述石油化工设备技术,2005,26(4)·50Petro-Chemical Equipment Technology聚烯烃粒料重力掺混系统均化原理、摻混试验与工业设计苗月忠(中国石化工程建设公司,北京100101)摘要:重力掺混均化技术是在理论指导下,基于实验及试验的工业技术。其原理是:通过控制料仓内各掺混管的工作状态,实现自动均匀取料并相互掺混,达到出料组分均化的目的。解释了聚烯烃装置重力掺混系统常用的两种设计思路的异同,提出了系统设计的原则。关键词:聚烯烃粒料;重力摻混系统;均化原理;掺混试验;工业设计中图分类号:TE966文献标识码:B文章编号:1006-8805(2005)04-0050-04重力摻混技术概述随着重力掺混技术的日趋成熟,在工业实践在聚烯烃的生产过程中,为了得到物性稳定中已逐渐取代了外掺混。重力掺混克服了外掺混的最终产品,需在包装前对一个时期内的产品掺的全部缺点,带来了显著的社会效益和经济效益混使其均化,这就是聚烯烃类产品的掺混过程。虽然早在1995年就实现了第一套聚丙烯重外掺混技术由于对产品的不良影响,以及安力掺混料仓的国产化,但目前聚烯烃装置仍保留全、环保和成本的原因,自20世纪90年代以后已着相当规模的外掺混系统;重力掺混的均化效果不再采用单纯的外掺混。专家们开始研究在聚烯仍不能量化评估;实验、试验手段落后;料仓放大烃料仓中设置各种掺混装置,在重力作用下料粒设计缺乏试验数据的支持;后加工对原料均匀度流动出料的同时,实现不同粒层的粒料自动混合提出了更高的要求。可见,加强重力掺混机理的均化,即重力掺混。多管式重力掺混料仓结构示探讨和试验研究,实现技术全面国产化仍显得十意见图1分迫切和必要料仓顶部2重力掺混均化原理2.1定义重力掺混系统的均化要求是:产品顺序装人掺混管料仓后,在料仓内形成物性不尽相同的多个料层,通过多个掺混管的多点均匀取料,在出料口得到组成均匀的物流。料仓本体其数学描述为:在操作过程的任一时刻,假定料仓内存在着n个物性不同的料层,可看作是n个不同的组分,在出料口测得第i组分(i=1,2…n)的浓度(体积分数)为c,当:(1)倒锥底锥中国煤化工中心孔掺混室THCNMH(京人.1985年毕业于天津大学,获硕土学位。现在中国石化工程建设公司,从事石图1多管式重力掺混料仓结构示意油化工设计和釆购工作,高级工程师第26卷第4期苗月忠.聚烯烃粒料重力摻混系统均化原理、掺混试验与工业设计则称此时的卸料组成是均匀的。处开有取料口的直管。式中:v—料仓内i组分的体积3.1粒料在取料口处的行为料仓内物料总体积。取料口外侧的粒料,在向下移动过程中,由于2.2重力掺混均化原理管壁外内侧的水平压差的推动而同时向取料口移为方便分析,做如下假设:动,形成一个锥形空间区域称为收缩区,如图2所(1)掺混管在料仓的任一横截面上均匀分布示。收缩区的形态与取样孔、粒料流动性等因素着取料孔;相关。实验表明,不同标高处尺寸、形式相同的取(2)不同位置的取料孔,取料速度相同;料口,其收缩区内的流场是相似的,具有几乎相等(3)粒料流动性良好,无架桥、粘连、内聚的取料速率2,3析等现象。料仓筒体沿轴向截面积相等,各组分的体积比等于其料层高度比,即任一时刻第i组分的取料速率应与该料层的高度成正比,也就是说,掺混装置应沿料仓轴向均匀取料,即为重力掺混均化原理当不同高度的取料孔取料速率相等时,取料孔在料仓各个横截面上均匀分布,则均化条件是任一时刻处于工作状态的取料孔应沿轴向等间距分布,这就是重力掺混料仓的设计准则。这一准主体流动则在工业实验装置分析中得到了验证。2.3前提条件的讨论条件(1):掺混装置能否在任一截面上各处均图2全柱塞式工作状态示意匀分布,取决于掺混管的数量、空间分布与取料孔3.2瀑布式工作状态的位置与开口方向。这一点可通过对掺混管数瀑布式工作状态是指进入掺合管内的料粒下量、布置和开孔的合理设计将其控制在允许的偏落至掺合管的底部掺混室后相混合,每一进料孔差范围内的粒料像瀑布一样通畅下落的工作状态条件(2):不同高度处料粒的主体流动速度不粒料进人掺混管的某取料口K。后,开始平同,各进料孔处静压力也不相同,但实验结果表抛运动,下落到其下临的孔K。处,与进入K。孔明,这两项对侧开的进料孔的进料速率影响可忽的物料相汇,发生动量传递并进行掺混。依此类推,不同标高处料层进入掺合管的物流在下落过条件(3):聚烯烃粒料尺寸适中,外形规整圆程中已发生了掺混,而后进入掺混室。滑,内摩擦力较小,无粘连、内聚、搭桥等现象,也掺混管保持在瀑布式状态工作的条件是:当不会出现颗粒间的分层、分级和离析。掺混管上所有取料口全部进料时,掺混管的出料可见,依据实验数据,通过优化设计取料口,通量和旋转排料阀的能力足够大,不至于在掺混基本上实现在料层内均匀分布和等速取料,则整管内形成堵塞,即料柱个料仓出料均匀度是可调控的,可以控制在允许3.3全柱塞式工作状态的偏差范围内。全柱塞式工作状态是指同一时刻一支掺混管3掺混管的工作原理只有一个孔进料。其机理是:一个掺混管尽管位掺混管是重力掺混料仓的核心部件,它的作于料仓n用是拾取不同高度处料层的粒料,在自重作用下掺混下落落入底部摻混室与其他摻混管流入的粒料取料孔THS中国煤化工取料孔,但由于CNMHG面间仅剩一个近件叫一工作状态,即每相混合,从而实现均化。多个掺混管共同构成了个掺混管只有一个离主体料位最近的进料孔工作料仓的内掺混装置。通常掺混管是一个不同标高的状态,如图2所示。·52石油化工设备技术2005年由于K。口高于料柱的自由面I-I,K化,模拟工业装置的实际工作状态正常进料,料粒下落在Ⅰ—Ⅰ面上,粒柱内的物料(7)不同大小和高径比的筒形料仓。以探讨又匀速下流,I一Ⅰ为其平衡面,基本是稳定的。深仓和浅仓的分界点,测量料层静压分布规律、筒此时的Kb口不进料,相当于关闭。当然,位于仓边界对粒料移动的影响;Kb以下的口也处于全闭状态。一定时间后,当料(8)不同结构形状和布置的掺混管及其支撑仓内的物料料位下降到K。口以下时,K。口停止研究。如圆管、半圆管、三分管等,其布置有中心进料,料柱自由面I—I随之下滑至Kb口以下,圆式、均匀爬壁式、树式等此时的Kb口开始进料,相当于Kb口自动打开。5多管式重力掺混料仓这个过程中,Kb口相当于有一个受料仓主体以最具代表性的掺混管呈同心圆分布的料位控制的阀门。当料仓料位下降到K,口以下( PHILLIPS式)多管式重力掺混料仓(见图1)为后,方自动打开并开始进料,相当于取料口从a例,讨论掺混管工作状态与料仓掺混方式之间的处,自动移到了b处,这就是 Robert r. Goins所关系,探讨料仓掺混系统的设计原则。称的“移动孔原理”。这一原理的发现,为我们提5.1瀑布式工作状态供了控制掺混管取料有效而可靠的方法。(1)实验基础保持全柱塞式工作状态的条件如下:取料孔Richard.J. Bennett采用了在掺混管上均匀开口要足够大,而掺混管的流通面积较小,同时要开孔的实验装置进行粒料的掺混实验,取得了满求控制旋转排料阀的速率,以保证形成稳定的全意的均化效果,并得出如下结论:料柱。掺混管上取料孔的数量和大小,应保证掺混重力摻混系统的实验基础管在操作期间不被粒料充满,同时,应与出料阀尺重力掺混技术是一门在理论指导下以实验和寸相匹配,使得落入掺混室的粒料能迅速排出③,试验为基础的工业技术。其工业设计广泛依赖于即掺混管应在瀑布式状态下工作。实验和试验数据和结论,需要大量的精细的长期在瀑布式工作状态下,料仓料位以下的全部的实验和试验。重力掺混实验和试验的主取料孔均处于工作状态,根据均化原理可得:取料要内容有孔应沿料仓轴向均布(即孔间距相等)。(1)对不同材质、品种、规格、物性的粒料进(2)工业应用实例行试验研究,以确定影响粒料流动性的相关因素;以盘锦石化分公司引进聚丙烯重力掺混料仓(2)足够大的掺混料仓。如由透明材料制成为代表,分析其料仓掺混管的开孔规律,发现沿料的直径达2m以上的半剖料仓,可直观地观察和仓轴线分布是相当均匀的。同样,北京燕山分公纪录主体流动情况和料层的变化;司聚丙烯重力掺混料仓的掺混管具有相同的开孔(3)透明掺混管。可以直观地观察和纪录掺规律。混管内粒料的流动行为,以弄清摻混管开口形状这种料仓的特点:开孔沿料仓轴线是均匀分大小与取料速率间的关系;掺混管数量、分布、取布的,料层下的全部卸料孔同时处于工作状态,不料孔数量、位置、方向与取料均匀性间的关系等;论仓内料位高低,均能达到相同的均化效果。但(4)染以不同颜色的粒料。以模拟工业生产出料流量变化大,在初始卸料时和接近排空时的过程中不同批次的产品。在料仓内形成各种颜色流量比达10:1以上,对于后续的气流输送是不的料层,用于直观显示流动状态的均化效果。在利的。出口处取样进行数理统计,测量均化率;5.2全柱塞式工作状态(5)与气流输送一体化。可以控制料仓的排(1)实验基础料速率,进而控制掺混管工作状态。用于研究掺中国煤化工验中不仅验证了移混管工作状态与其结构设计、与系统配套动管,以在有限的空间的关系;CNMHG,实现对取料量的6)带有外掺混系统。可以实现粒料的循控制{21。环,用以观测粒料经每个掺混周期后均匀度的变(2)工业应用实例第26卷第4期苗月忠.聚烯烃粒料重力掺混系统均化原理、摻混试验与工业设计53对天津分公司聚丙烯重力掺混料仓的取料孔6.2重力摻混料仓设计位置进行分析统计,结果表明,当料位在由最高(1)掺混管设计20m到3m高时,取料孔由18个变为17个,几乎包括掺混管形式(外形、几何尺寸)、开孔设计能从料仓工作容积的10%到100%范围内稳定取(孔数、位置、方向、大小与形状)、掺混管布置(数料;而且每一时刻的工作孔又沿轴向几乎是均匀量空间位置)等,是掺混料仓的设计关键;地分布在6根掺混管上,径向亦均匀分布,故出料(2)中心卸料倒锥设计组成是均匀的。广州分公司聚丙烯的重力掺混料其作用是阻挡缓冲、稳定中心卸料速率和调仓的情形与此相同。整主体流型。现趋向于小尺寸的倒锥,甚至取消这种料仓有如下特点:根据移动孔原理,设计倒锥,而代之以在底锥上的掺混管开孔;了更多的取料孔,而且呈上疏下密的分布。料仓(3)掺混室设计内主体物料不同,但可实现稳定的出料流量,这对掺混室内各部件的尺寸、各流道流通面积的要求稳定供料的应用场合十分重要。所有掺混腔相对大小、与出料阀的匹配关系都与掺混管的工的物料在掺混室相汇并在其后的气送过程中充分作状态密切相关2混合。6.3配套系统的设计(3)三分管的作用(1)旋转排料阀能力的设计要满足最大卸料按照全柱塞式状态保持条件,要求具备大的速率及保持掺混管正常工作状态的速率及最小速取料孔和小截面的掺混管,这样导致了结构设计率,应是无级可调的,并可实现自动和程序控制;的矛盾,而三分管结构则巧妙地解决了这一难题。(2)气流输送系统的能力与操作弹性应满足每个三分管具有三个等同的掺混腔(见图3),这系统卸料的要求,与旋转排料阀相匹配,并可实现就相当于三个独立工作的掺混管,满足了流量控程序自动联控;制和均匀取料的要求,同时,提高了掺混管的强度(3)外循环系统设计应按所要求达到的均化和刚度,简化了支撑结构的设计和解决了掺混管程度与气流输送系统配套设计大开孔的难题结论通过上述分析可得出如下结论(1)依靠自重自动进行均匀比例取料并掺混是重力掺混系统的粒料掺混均化的基本原理;(2)掺混管的工作状态不同,对应不同的掺混机理,从而也解释了聚烯烃项目重力掺混系统常用的两种设计思路的异同和原理;(3)重力掺混均化技术是一门以理论为指导,基于实验、试验数据和结果的工业技术;图3三分管结构示意(4)合理的系统设计,能够达到稳定速率和6重力掺混系统设计原则组成均匀卸料,满足聚烯烃工业对产品粒料均化6.1系统设计的实验、试验基础精度的要求。(1)新物料的掺混必须基于实验数据和工业参考文献:试验成果;顾华孝.筒仓理论与实践[M].北京:中国建筑工业出(2)系统设计和放大要基于试验结果及类似版社,1981工业装置操作数据和设计经验;2 BLlITEnSTATES PATENTS 34569223)保持掺混管工作状态可控,要基于实验3BL中国煤化工D STATES PAT和试验结论。CNMHG