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美芝隆平行雙螺桿擠出機在POE國產(chǎn)化聚合脫揮項目中的應用探索

文章來(lái)源:美芝隆 上傳時(shí)間:2023-08-27

脫揮,防爆產(chǎn)品系列擠出機


POE脫揮設備客戶(hù)現場(chǎng)


POE脫揮成品料


平行雙螺桿擠出機是隨著(zhù)高聚物反應后處理發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的專(zhuān)用化工處理設備,具有高混煉性能、自潔性能、模組化組合能力、較高的能量輸出密度等優(yōu)點(diǎn),自從被德國拜爾公司的工程師發(fā)明以來(lái)被普遍應用于反應后處理、各種通用塑料及工程塑料的改性作業(yè)、電纜料行業(yè)、橡膠處理行業(yè)、食品飼料行業(yè)、醫療行業(yè)等,在國民經(jīng)濟生產(chǎn)中處于基礎工業(yè)設備的重要位置,對我國的工業(yè)化發(fā)展和提高人民生活質(zhì)量水平起著(zhù)至關(guān)重要的作用;POE 是乙烯和辛烯的共聚物,其中共聚單體辛烯(C8H16)的含量為 20%-30%。分子結構中辛烯的存在破壞了乙烯的結晶,但是同時(shí)也賦予共聚物優(yōu)良的透明性和良好的彈性。目前由于其聚合過(guò)程的催化劑專(zhuān)利保護,加上國外大型石化公司對中國的技術(shù)封鎖,國內 POE 國產(chǎn)化項目正處于開(kāi)發(fā)中試和工業(yè)化階段;我司聯(lián)合國內國有石化工程公司,從小試、工業(yè)化中試,完成了 POE 聚合國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)的突破,為我國的技術(shù)發(fā)展貢獻應有的力量。


關(guān)鍵詞:平行雙螺擠出機;脫揮反應后處理;高真空脫揮;聚烯烴彈性體;防爆擠出


01、前言

脫揮是物質(zhì)傳遞的操作。揮發(fā)物組分在聚合物熔體基質(zhì)中的分子必定擴散到液-氣界面,然后被排除收集。含有相對大量的揮發(fā)物的聚合物稀釋溶液在普通、相對低廉、單級或多級閃蒸罐中除去揮發(fā)成分。這種閃蒸罐借助于預熱器加熱溶液。通過(guò)蒸汽排除系統,在罐頂部排除汽化-沸騰溶液的蒸汽,借助齒輪泵在底部排除濃縮溶液。當粘度隨著(zhù)揮發(fā)物含量降低而增大時(shí),由于排料而一起的氣泡夾帶和再溶解,使閃蒸罐效率降低。降流脫揮裝置(falling strand  devolatilizer)可以用來(lái)應對這一情況。


隨著(zhù)揮發(fā)物含量進(jìn)一步降低,形成非常濃的聚合物溶液,粘度增加至需要旋轉設備的水平,以便向前泵送溶液,使得表面更新和便于捕捉蒸汽泡,以及改進(jìn)質(zhì)量傳遞和熱傳遞。因此,通常需要利用帶有旋轉元件的設備進(jìn)行脫揮作業(yè),比如同向雙螺桿擠出機,配合高真空生成設備,將熔融態(tài)聚合物暴露在較低一定壓力水平上,使聚合物-揮發(fā)混合物體系過(guò)熱,因此能夠排除揮發(fā)物。Todd[1]等人和 Mehta[2]對各種商業(yè)可獲得的脫揮設備進(jìn)行了比 較詳細的比較。


脫揮過(guò)程示意圖:

圖中, m 表示質(zhì)量流率;ω 為揮發(fā)組分的質(zhì)量分數。根據界面遷移通量可表達出揮發(fā)組分的質(zhì)量流率 ωgmg,即界面法線(xiàn)方向單位面積的揮發(fā)組分流率: 

Km ———質(zhì)量傳遞系數;  

Sm ———總界面面積;  

S1 ———熔體表面的界面積;  

Sbi ———氣泡的界面積。 


由以上分析可知,傳質(zhì)面積的大小直接影響脫揮的效果,能提供更大的傳質(zhì)面積的組合將更有利于脫揮效率的提高。 


POE 是乙烯和辛烯的共聚物,其中共聚單體辛烯(C8H16)的含量為 20%- 30%。分子結構中辛烯的存在破壞了乙烯的結晶,但是同時(shí)也賦予共聚物優(yōu)良的透明性和良好的彈性。在常溫下乙烯的結晶作為物理交聯(lián)點(diǎn),在高溫下乙烯解結晶使共聚物具有塑性。窄的分子量分布使 POE 具有較高的拉伸強度和抗沖擊性等。由于辛烯的支化作用,使得共聚物的熱敏性大大提高,大大增強了聚合物的可加工性。與 EPDM 和 EPR 相比,α-烯烴在共聚單體中的比重較小,大大減少了分子骨架上的叔氫原子,這使得 POE 的耐熱氧老化性能大大提高。

均相體系有益于乙烯和α-烯烴的共聚和共聚組成的調控,因此POE需要使用高溫連續溶液聚合,同時(shí)離不開(kāi)耐高溫、高α-烯烴共聚能力的催化劑體系。所使用的聚合方法決定了共聚物組成呈無(wú)規分布,無(wú)法實(shí)現組分分布的有效調控,因此POE的強度隨著(zhù)α-烯烴含量的增加而下降,材料的使用溫度也隨之降低。 


如若在聚合過(guò)程中進(jìn)行POE組成分布的有效調控,則可在保持聚合物任性的同時(shí),實(shí)現材料強度的提成。 


POE的溶液聚合方法包括Dow  Chemical 技術(shù), Exxonmobil 聚合工藝,SABIC 聚合工藝和其他聚合工藝等[3],本文主要探討溶液聚合后的脫揮處理課題,所以對聚合工藝不再做詳細地描述。  


POE 典型的聚合路線(xiàn)和反應后處理脫揮造粒路線(xiàn)參考[4] :


國內在建或預計新投資項目列表:



02、小試及中試設計路線(xiàn)

本著(zhù)謹慎嚴謹的科學(xué)態(tài)度,跟我司合作的國內某化工工程公司,其北京研究所提出的方案是在我司進(jìn)行 模擬實(shí)驗再進(jìn)一步投資購買(mǎi)中試實(shí)驗設備。并購從市場(chǎng)上購買(mǎi)了成品的 POE、異辛烯和正己烷作為溶劑,并購買(mǎi)了防爆失重稱(chēng)作為加注媒體,整體實(shí)驗布置圖如圖所示:

(實(shí)驗布置圖)

北京研究所代表工程師收集了 10 組樣品進(jìn)行測試,最終結果大部分落在 7-100ppm 之間,完全滿(mǎn)足實(shí)驗預期目的。


03、中試項目的實(shí)施

客戶(hù)設計的 POE 聚合路線(xiàn)為:反應 釜聚合+LIST 大容積脫揮機+雙螺 桿擠出機反應后處理脫揮+水下切 粒機造粒;全部電氣按防爆等級為 ExdIICT3 標準進(jìn)行配置。

(POE 后處理脫揮中試項目布置圖)


針對反應后處理的擠出機配置特點(diǎn):  

1.因為聚合反應后會(huì )經(jīng)過(guò)一級LIST大容量脫揮器將溶劑進(jìn)行大部分的抽出,可以將體系的濃度降低到 1%左右,隨后進(jìn)入雙螺桿進(jìn)行第二級脫揮;

2.初步脫揮后的物料體系為高粘物料,需要擠出機配置高扭矩體系,提高整個(gè)物料體系的界 面更新率,有利于脫揮的進(jìn)行; 

3.對真空設備有較高的要求,需要提供持續大抽量、低真空度、 達到防爆要求且穩定可靠的真空機組,在實(shí)際運行時(shí),根據 當地具體天氣情況的不同,真空度在 1000-2000Pa 之間,實(shí)踐證明,可以達到脫揮的要求, 當然,可以采用增加真空機組的方式繼續提高真空度,但這需要考慮整體項目投資的經(jīng)濟性; 

4.針對水下切粒機組,需要根據物料的特性,配置合適的流道、模板、溫控系統,以達到切粒的穩定和粒型的完美; 

5.因為整套系統是放置在大化工廠(chǎng)區,必須要符合我國的安全要求,所以電控系統必須按照我國具體要求來(lái)配置。

6.對真空室及密閉系統必須采用特殊設計,這關(guān)系到最終脫揮的效果;

通過(guò)幾個(gè)月的準備調試,客戶(hù)最終打通了 POE 聚合的整個(gè)流程,成功完成 POE 聚合脫揮造粒中試項目。


04、結論

4.1 雙螺桿擠出機以其獨特的機械性能,普遍適用于各種反應脫揮后處理的作業(yè),具有物料輸送性能強,界面更新率高,組合更新變換多樣等優(yōu)點(diǎn);是高分子聚合加工不可或缺的優(yōu)質(zhì)設備; 

4.2 通過(guò)小試中試設備的經(jīng)驗積累,為大型脫揮造粒設備提供了有益的嘗試和指導; 

4.3 國產(chǎn)擠出脫揮造粒機組在當前國內各新興聚合物國產(chǎn)化和創(chuàng )新化的大背景下必將在設計理念,產(chǎn)品質(zhì)量和客戶(hù)友好程度方面得到更大的發(fā)展,為我國的國民經(jīng)濟發(fā)展做出應有的貢獻。


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