聚烯烴粒料重力摻混系統均化原理、摻混試驗與工業(yè)設計

綜述石油化工設備技術(shù),2005,26(4)·50Petro-Chemical Equipment Technology聚烯烴粒料重力摻混系統均化原理、摻混試驗與工業(yè)設計苗月忠(中國石化工程建設公司,北京100101)摘要:重力摻混均化技術(shù)是在理論指導下,基于實(shí)驗及試驗的工業(yè)技術(shù)。其原理是:通過(guò)控制料倉內各摻混管的工作狀態(tài),實(shí)現自動(dòng)均勻取料并相互摻混,達到出料組分均化的目的。解釋了聚烯烴裝置重力摻混系統常用的兩種設計思路的異同,提出了系統設計的原則。關(guān)鍵詞:聚烯烴粒料;重力摻混系統;均化原理;摻混試驗;工業(yè)設計中圖分類(lèi)號:TE966文獻標識碼:B文章編號:1006-8805(2005)04-0050-04重力摻混技術(shù)概述隨著(zhù)重力摻混技術(shù)的日趨成熟,在工業(yè)實(shí)踐在聚烯烴的生產(chǎn)過(guò)程中,為了得到物性穩定中已逐漸取代了外摻混。重力摻混克服了外摻混的最終產(chǎn)品,需在包裝前對一個(gè)時(shí)期內的產(chǎn)品摻的全部缺點(diǎn),帶來(lái)了顯著(zhù)的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益混使其均化,這就是聚烯烴類(lèi)產(chǎn)品的摻混過(guò)程。雖然早在1995年就實(shí)現了第一套聚丙烯重外摻混技術(shù)由于對產(chǎn)品的不良影響,以及安力摻混料倉的國產(chǎn)化,但目前聚烯烴裝置仍保留全、環(huán)保和成本的原因,自20世紀90年代以后已著(zhù)相當規模的外摻混系統;重力摻混的均化效果不再采用單純的外摻混。專(zhuān)家們開(kāi)始研究在聚烯仍不能量化評估;實(shí)驗、試驗手段落后;料倉放大烴料倉中設置各種摻混裝置,在重力作用下料粒設計缺乏試驗數據的支持;后加工對原料均勻度流動(dòng)出料的同時(shí),實(shí)現不同粒層的粒料自動(dòng)混合提出了更高的要求?？梢?jiàn),加強重力摻混機理的均化,即重力摻混。多管式重力摻混料倉結構示探討和試驗研究,實(shí)現技術(shù)全面國產(chǎn)化仍顯得十意見(jiàn)圖1分迫切和必要料倉頂部2重力摻混均化原理2.1定義重力摻混系統的均化要求是:產(chǎn)品順序裝人摻混管料倉后,在料倉內形成物性不盡相同的多個(gè)料層,通過(guò)多個(gè)摻混管的多點(diǎn)均勻取料,在出料口得到組成均勻的物流。料倉本體其數學(xué)描述為:在操作過(guò)程的任一時(shí)刻,假定料倉內存在著(zhù)n個(gè)物性不同的料層,可看作是n個(gè)不同的組分,在出料口測得第i組分(i=1,2…n)的濃度(體積分數)為c,當:(1)倒錐底錐中國煤化工中心孔摻混室THCNMH(京人.1985年畢業(yè)于天津大學(xué),獲碩土學(xué)位?，F在中國石化工程建設公司,從事石圖1多管式重力摻混料倉結構示意油化工設計和釆購工作,高級工程師第26卷第4期苗月忠.聚烯烴粒料重力摻混系統均化原理、摻混試驗與工業(yè)設計則稱(chēng)此時(shí)的卸料組成是均勻的。處開(kāi)有取料口的直管。式中:v—料倉內i組分的體積3.1粒料在取料口處的行為料倉內物料總體積。取料口外側的粒料,在向下移動(dòng)過(guò)程中,由于2.2重力摻混均化原理管壁外內側的水平壓差的推動(dòng)而同時(shí)向取料口移為方便分析,做如下假設:動(dòng),形成一個(gè)錐形空間區域稱(chēng)為收縮區,如圖2所(1)摻混管在料倉的任一橫截面上均勻分布示。收縮區的形態(tài)與取樣孔、粒料流動(dòng)性等因素著(zhù)取料孔;相關(guān)。實(shí)驗表明,不同標高處尺寸、形式相同的取(2)不同位置的取料孔,取料速度相同;料口,其收縮區內的流場(chǎng)是相似的,具有幾乎相等(3)粒料流動(dòng)性良好,無(wú)架橋、粘連、內聚的取料速率2,3析等現象。料倉筒體沿軸向截面積相等,各組分的體積比等于其料層高度比,即任一時(shí)刻第i組分的取料速率應與該料層的高度成正比,也就是說(shuō),摻混裝置應沿料倉軸向均勻取料,即為重力摻混均化原理當不同高度的取料孔取料速率相等時(shí),取料孔在料倉各個(gè)橫截面上均勻分布,則均化條件是任一時(shí)刻處于工作狀態(tài)的取料孔應沿軸向等間距分布,這就是重力摻混料倉的設計準則。這一準主體流動(dòng)則在工業(yè)實(shí)驗裝置分析中得到了驗證。2.3前提條件的討論條件(1):摻混裝置能否在任一截面上各處均圖2全柱塞式工作狀態(tài)示意勻分布,取決于摻混管的數量、空間分布與取料孔3.2瀑布式工作狀態(tài)的位置與開(kāi)口方向。這一點(diǎn)可通過(guò)對摻混管數瀑布式工作狀態(tài)是指進(jìn)入摻合管內的料粒下量、布置和開(kāi)孔的合理設計將其控制在允許的偏落至摻合管的底部摻混室后相混合,每一進(jìn)料孔差范圍內的粒料像瀑布一樣通暢下落的工作狀態(tài)條件(2):不同高度處料粒的主體流動(dòng)速度不粒料進(jìn)人摻混管的某取料口K。后,開(kāi)始平同,各進(jìn)料孔處靜壓力也不相同,但實(shí)驗結果表拋運動(dòng),下落到其下臨的孔K。處,與進(jìn)入K?？酌?這兩項對側開(kāi)的進(jìn)料孔的進(jìn)料速率影響可忽的物料相匯,發(fā)生動(dòng)量傳遞并進(jìn)行摻混。依此類(lèi)推,不同標高處料層進(jìn)入摻合管的物流在下落過(guò)條件(3):聚烯烴粒料尺寸適中,外形規整圓程中已發(fā)生了摻混,而后進(jìn)入摻混室?；?內摩擦力較小,無(wú)粘連、內聚、搭橋等現象,也摻混管保持在瀑布式狀態(tài)工作的條件是:當不會(huì )出現顆粒間的分層、分級和離析。摻混管上所有取料口全部進(jìn)料時(shí),摻混管的出料可見(jiàn),依據實(shí)驗數據,通過(guò)優(yōu)化設計取料口,通量和旋轉排料閥的能力足夠大,不至于在摻混基本上實(shí)現在料層內均勻分布和等速取料,則整管內形成堵塞,即料柱個(gè)料倉出料均勻度是可調控的,可以控制在允許3.3全柱塞式工作狀態(tài)的偏差范圍內。全柱塞式工作狀態(tài)是指同一時(shí)刻一支摻混管3摻混管的工作原理只有一個(gè)孔進(jìn)料。其機理是:一個(gè)摻混管盡管位摻混管是重力摻混料倉的核心部件,它的作于料倉n用是拾取不同高度處料層的粒料,在自重作用下?lián)交煜侣渎淙氲撞繐交焓遗c其他摻混管流入的粒料取料孔THS中國煤化工取料孔,但由于CNMHG面間僅剩一個(gè)近件叫一工作狀態(tài),即每相混合,從而實(shí)現均化。多個(gè)摻混管共同構成了個(gè)摻混管只有一個(gè)離主體料位最近的進(jìn)料孔工作料倉的內摻混裝置。通常摻混管是一個(gè)不同標高的狀態(tài),如圖2所示?！?2石油化工設備技術(shù)2005年由于K?？诟哂诹现淖杂擅鍵-I,K化,模擬工業(yè)裝置的實(shí)際工作狀態(tài)正常進(jìn)料,料粒下落在Ⅰ—Ⅰ面上,粒柱內的物料(7)不同大小和高徑比的筒形料倉。以探討又勻速下流,I一Ⅰ為其平衡面,基本是穩定的。深倉和淺倉的分界點(diǎn),測量料層靜壓分布規律、筒此時(shí)的Kb口不進(jìn)料,相當于關(guān)閉。當然,位于倉邊界對粒料移動(dòng)的影響;Kb以下的口也處于全閉狀態(tài)。一定時(shí)間后,當料(8)不同結構形狀和布置的摻混管及其支撐倉內的物料料位下降到K?？谝韵聲r(shí),K?？谕Ｖ寡芯?。如圓管、半圓管、三分管等,其布置有中心進(jìn)料,料柱自由面I—I隨之下滑至Kb口以下,圓式、均勻爬壁式、樹(shù)式等此時(shí)的Kb口開(kāi)始進(jìn)料,相當于Kb口自動(dòng)打開(kāi)。5多管式重力摻混料倉這個(gè)過(guò)程中,Kb口相當于有一個(gè)受料倉主體以最具代表性的摻混管呈同心圓分布的料位控制的閥門(mén)。當料倉料位下降到K,口以下( PHILLIPS式)多管式重力摻混料倉(見(jiàn)圖1)為后,方自動(dòng)打開(kāi)并開(kāi)始進(jìn)料,相當于取料口從a例,討論摻混管工作狀態(tài)與料倉摻混方式之間的處,自動(dòng)移到了b處,這就是 Robert r. Goins所關(guān)系,探討料倉摻混系統的設計原則。稱(chēng)的“移動(dòng)孔原理”。這一原理的發(fā)現,為我們提5.1瀑布式工作狀態(tài)供了控制摻混管取料有效而可靠的方法。(1)實(shí)驗基礎保持全柱塞式工作狀態(tài)的條件如下:取料孔Richard.J. Bennett采用了在摻混管上均勻開(kāi)口要足夠大,而摻混管的流通面積較小,同時(shí)要開(kāi)孔的實(shí)驗裝置進(jìn)行粒料的摻混實(shí)驗,取得了滿(mǎn)求控制旋轉排料閥的速率,以保證形成穩定的全意的均化效果,并得出如下結論:料柱。摻混管上取料孔的數量和大小,應保證摻混重力摻混系統的實(shí)驗基礎管在操作期間不被粒料充滿(mǎn),同時(shí),應與出料閥尺重力摻混技術(shù)是一門(mén)在理論指導下以實(shí)驗和寸相匹配,使得落入摻混室的粒料能迅速排出③,試驗為基礎的工業(yè)技術(shù)。其工業(yè)設計廣泛依賴(lài)于即摻混管應在瀑布式狀態(tài)下工作。實(shí)驗和試驗數據和結論,需要大量的精細的長(cháng)期在瀑布式工作狀態(tài)下,料倉料位以下的全部的實(shí)驗和試驗。重力摻混實(shí)驗和試驗的主取料孔均處于工作狀態(tài),根據均化原理可得:取料要內容有孔應沿料倉軸向均布(即孔間距相等)。(1)對不同材質(zhì)、品種、規格、物性的粒料進(jìn)(2)工業(yè)應用實(shí)例行試驗研究,以確定影響粒料流動(dòng)性的相關(guān)因素;以盤(pán)錦石化分公司引進(jìn)聚丙烯重力摻混料倉(2)足夠大的摻混料倉。如由透明材料制成為代表,分析其料倉摻混管的開(kāi)孔規律,發(fā)現沿料的直徑達2m以上的半剖料倉,可直觀(guān)地觀(guān)察和倉軸線(xiàn)分布是相當均勻的。同樣,北京燕山分公紀錄主體流動(dòng)情況和料層的變化;司聚丙烯重力摻混料倉的摻混管具有相同的開(kāi)孔(3)透明摻混管?？梢灾庇^(guān)地觀(guān)察和紀錄摻規律?；旃軆攘Ａ系牧鲃?dòng)行為,以弄清摻混管開(kāi)口形狀這種料倉的特點(diǎn):開(kāi)孔沿料倉軸線(xiàn)是均勻分大小與取料速率間的關(guān)系;摻混管數量、分布、取布的,料層下的全部卸料孔同時(shí)處于工作狀態(tài),不料孔數量、位置、方向與取料均勻性間的關(guān)系等;論倉內料位高低,均能達到相同的均化效果。但(4)染以不同顏色的粒料。以模擬工業(yè)生產(chǎn)出料流量變化大,在初始卸料時(shí)和接近排空時(shí)的過(guò)程中不同批次的產(chǎn)品。在料倉內形成各種顏色流量比達10:1以上,對于后續的氣流輸送是不的料層,用于直觀(guān)顯示流動(dòng)狀態(tài)的均化效果。在利的。出口處取樣進(jìn)行數理統計,測量均化率;5.2全柱塞式工作狀態(tài)(5)與氣流輸送一體化?？梢钥刂屏蟼}的排(1)實(shí)驗基礎料速率,進(jìn)而控制摻混管工作狀態(tài)。用于研究摻中國煤化工驗中不僅驗證了移混管工作狀態(tài)與其結構設計、與系統配套動(dòng)管,以在有限的空間的關(guān)系;CNMHG,實(shí)現對取料量的6)帶有外摻混系統?？梢詫?shí)現粒料的循控制{21。環(huán),用以觀(guān)測粒料經(jīng)每個(gè)摻混周期后均勻度的變(2)工業(yè)應用實(shí)例第26卷第4期苗月忠.聚烯烴粒料重力摻混系統均化原理、摻混試驗與工業(yè)設計53對天津分公司聚丙烯重力摻混料倉的取料孔6.2重力摻混料倉設計位置進(jìn)行分析統計,結果表明,當料位在由最高(1)摻混管設計20m到3m高時(shí),取料孔由18個(gè)變?yōu)?7個(gè),幾乎包括摻混管形式(外形、幾何尺寸)、開(kāi)孔設計能從料倉工作容積的10%到100%范圍內穩定取(孔數、位置、方向、大小與形狀)、摻混管布置(數料;而且每一時(shí)刻的工作孔又沿軸向幾乎是均勻量空間位置)等,是摻混料倉的設計關(guān)鍵;地分布在6根摻混管上,徑向亦均勻分布,故出料(2)中心卸料倒錐設計組成是均勻的。廣州分公司聚丙烯的重力摻混料其作用是阻擋緩沖、穩定中心卸料速率和調倉的情形與此相同。整主體流型?，F趨向于小尺寸的倒錐,甚至取消這種料倉有如下特點(diǎn):根據移動(dòng)孔原理,設計倒錐,而代之以在底錐上的摻混管開(kāi)孔;了更多的取料孔,而且呈上疏下密的分布。料倉(3)摻混室設計內主體物料不同,但可實(shí)現穩定的出料流量,這對摻混室內各部件的尺寸、各流道流通面積的要求穩定供料的應用場(chǎng)合十分重要。所有摻混腔相對大小、與出料閥的匹配關(guān)系都與摻混管的工的物料在摻混室相匯并在其后的氣送過(guò)程中充分作狀態(tài)密切相關(guān)2混合。6.3配套系統的設計(3)三分管的作用(1)旋轉排料閥能力的設計要滿(mǎn)足最大卸料按照全柱塞式狀態(tài)保持條件,要求具備大的速率及保持摻混管正常工作狀態(tài)的速率及最小速取料孔和小截面的摻混管,這樣導致了結構設計率,應是無(wú)級可調的,并可實(shí)現自動(dòng)和程序控制;的矛盾,而三分管結構則巧妙地解決了這一難題。(2)氣流輸送系統的能力與操作彈性應滿(mǎn)足每個(gè)三分管具有三個(gè)等同的摻混腔(見(jiàn)圖3),這系統卸料的要求,與旋轉排料閥相匹配,并可實(shí)現就相當于三個(gè)獨立工作的摻混管,滿(mǎn)足了流量控程序自動(dòng)聯(lián)控;制和均勻取料的要求,同時(shí),提高了摻混管的強度(3)外循環(huán)系統設計應按所要求達到的均化和剛度,簡(jiǎn)化了支撐結構的設計和解決了摻混管程度與氣流輸送系統配套設計大開(kāi)孔的難題結論通過(guò)上述分析可得出如下結論(1)依靠自重自動(dòng)進(jìn)行均勻比例取料并摻混是重力摻混系統的粒料摻混均化的基本原理;(2)摻混管的工作狀態(tài)不同,對應不同的摻混機理,從而也解釋了聚烯烴項目重力摻混系統常用的兩種設計思路的異同和原理;(3)重力摻混均化技術(shù)是一門(mén)以理論為指導,基于實(shí)驗、試驗數據和結果的工業(yè)技術(shù);圖3三分管結構示意(4)合理的系統設計,能夠達到穩定速率和6重力摻混系統設計原則組成均勻卸料,滿(mǎn)足聚烯烴工業(yè)對產(chǎn)品粒料均化6.1系統設計的實(shí)驗、試驗基礎精度的要求。(1)新物料的摻混必須基于實(shí)驗數據和工業(yè)參考文獻:試驗成果;顧華孝.筒倉理論與實(shí)踐[M].北京:中國建筑工業(yè)出(2)系統設計和放大要基于試驗結果及類(lèi)似版社,1981工業(yè)裝置操作數據和設計經(jīng)驗;2 BLlITEnSTATES PATENTS 34569223)保持摻混管工作狀態(tài)可控,要基于實(shí)驗3BL中國煤化工D STATES PAT和試驗結論。CNMHG