綜述石油化工設(shè)備技術(shù),2005,26(4)·50Petro-Chemical Equipment Technology聚烯烴粒料重力摻混系統(tǒng)均化原理、摻混試驗與工業(yè)設(shè)計苗月忠(中國石化工程建設(shè)公司,北京100101)摘要:重力摻混均化技術(shù)是在理論指導(dǎo)下,基于實驗及試驗的工業(yè)技術(shù)。其原理是:通過控制料倉內(nèi)各摻混管的工作狀態(tài),實現(xiàn)自動均勻取料并相互摻混,達(dá)到出料組分均化的目的。解釋了聚烯烴裝置重力摻混系統(tǒng)常用的兩種設(shè)計思路的異同,提出了系統(tǒng)設(shè)計的原則。關(guān)鍵詞:聚烯烴粒料;重力摻混系統(tǒng);均化原理;摻混試驗;工業(yè)設(shè)計中圖分類號:TE966文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:1006-8805(2005)04-0050-04重力摻混技術(shù)概述隨著重力摻混技術(shù)的日趨成熟,在工業(yè)實踐在聚烯烴的生產(chǎn)過程中,為了得到物性穩(wěn)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,需在包裝前對一個時期內(nèi)的產(chǎn)品摻的全部缺點,帶來了顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益混使其均化,這就是聚烯烴類產(chǎn)品的摻混過程。雖然早在1995年就實現(xiàn)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(jì)90年代以后已著相當(dāng)規(guī)模的外摻混系統(tǒng);重力摻混的均化效果不再采用單純的外摻混。專家們開始研究在聚烯仍不能量化評估;實驗、試驗手段落后;料倉放大烴料倉中設(shè)置各種摻混裝置,在重力作用下料粒設(shè)計缺乏試驗數(shù)據(jù)的支持;后加工對原料均勻度流動出料的同時,實現(xiàn)不同粒層的粒料自動混合提出了更高的要求?？梢?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(jié)構(gòu)示探討和試驗研究,實現(xiàn)技術(shù)全面國產(chǎn)化仍顯得十意見圖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(tǒng)的均化要求是:產(chǎn)品順序裝人摻混管料倉后,在料倉內(nèi)形成物性不盡相同的多個料層,通過多個摻混管的多點均勻取料,在出料口得到組成均勻的物流。料倉本體其數(shù)學(xué)描述為:在操作過程的任一時刻,假定料倉內(nèi)存在著n個物性不同的料層,可看作是n個不同的組分,在出料口測得第i組分(i=1,2…n)的濃度(體積分?jǐn)?shù))為c,當(dāng):(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。現(xiàn)在中國石化工程建設(shè)公司,從事石圖1多管式重力摻混料倉結(jié)構(gòu)示意油化工設(shè)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(tǒng)均化原理、摻混試驗與工業(yè)設(shè)計則稱此時的卸料組成是均勻的。處開有取料口的直管。式中:v—料倉內(nèi)i組分的體積3.1粒料在取料口處的行為料倉內(nèi)物料總體積。取料口外側(cè)的粒料,在向下移動過程中,由于2.2重力摻混均化原理管壁外內(nèi)側(cè)的水平壓差的推動而同時向取料口移為方便分析,做如下假設(shè):動,形成一個錐形空間區(qū)域稱為收縮區(qū),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(qū)的形態(tài)與取樣孔、粒料流動性等因素著取料孔;相關(guān)。實驗表明,不同標(biāo)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(qū)內(nèi)的流場是相似的,具有幾乎相等(3)粒料流動性良好,無架橋、粘連、內(nèi)聚的取料速率2,3析等現(xiàn)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,即任一時刻第i組分的取料速率應(yīng)與該料層的高度成正比,也就是說,摻混裝置應(yīng)沿料倉軸向均勻取料,即為重力摻混均化原理當(dāng)不同高度的取料孔取料速率相等時,取料孔在料倉各個橫截面上均勻分布,則均化條件是任一時刻處于工作狀態(tài)的取料孔應(yīng)沿軸向等間距分布,這就是重力摻混料倉的設(shè)計準(zhǔn)則。這一準(zhǔn)主體流動則在工業(yè)實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(shù)量、空間分布與取料孔3.2瀑布式工作狀態(tài)的位置與開口方向。這一點可通過對摻混管數(shù)瀑布式工作狀態(tài)是指進(jìn)入摻合管內(nèi)的料粒下量、布置和開孔的合理設(shè)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(nèi)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速度不粒料進(jìn)人摻混管的某取料口K。后,開始平同,各進(jìn)料孔處靜壓力也不相同,但實驗結(jié)果表拋運動,下落到其下臨的孔K。處,與進(jìn)入K。孔明,這兩項對側(cè)開的進(jìn)料孔的進(jìn)料速率影響可忽的物料相匯,發(fā)生動量傳遞并進(jìn)行摻混。依此類推,不同標(biāo)高處料層進(jìn)入摻合管的物流在下落過條件(3):聚烯烴粒料尺寸適中,外形規(guī)整圓程中已發(fā)生了摻混,而后進(jìn)入摻混室?；?內(nèi)摩擦力較小,無粘連、內(nèi)聚、搭橋等現(xiàn)象,也摻混管保持在瀑布式狀態(tài)工作的條件是:當(dāng)不會出現(xiàn)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,摻混管的出料可見,依據(jù)實驗數(shù)據(jù),通過優(yōu)化設(shè)計取料口,通量和旋轉(zhuǎn)排料閥的能力足夠大,不至于在摻混基本上實現(xiàn)在料層內(nèi)均勻分布和等速取料,則整管內(nèi)形成堵塞,即料柱個料倉出料均勻度是可調(diào)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(nèi)。全柱塞式工作狀態(tài)是指同一時刻一支摻混管3摻混管的工作原理只有一個孔進(jìn)料。其機理是:一個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面間僅剩一個近件叫一工作狀態(tài),即每相混合,從而實現(xiàn)均化。多個摻混管共同構(gòu)成了個摻混管只有一個離主體料位最近的進(jìn)料孔工作料倉的內(nèi)摻混裝置。通常摻混管是一個不同標(biāo)高的狀態(tài),如圖2所示?！?2石油化工設(shè)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)裝置的實際工作狀態(tài)正常進(jìn)料,料粒下落在Ⅰ—Ⅰ面上,粒柱內(nèi)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(wěn)定的。深倉和淺倉的分界點,測量料層靜壓分布規(guī)律、筒此時的Kb口不進(jìn)料,相當(dāng)于關(guān)閉。當(dāng)然,位于倉邊界對粒料移動的影響;Kb以下的口也處于全閉狀態(tài)。一定時間后,當(dāng)料(8)不同結(jié)構(gòu)形狀和布置的摻混管及其支撐倉內(nèi)的物料料位下降到K?？谝韵聲r,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、樹式等此時的Kb口開始進(jìn)料,相當(dāng)于Kb口自動打開。5多管式重力摻混料倉這個過程中,Kb口相當(dāng)于有一個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。當(dāng)料倉料位下降到K,口以下( PHILLIPS式)多管式重力摻混料倉(見圖1)為后,方自動打開并開始進(jìn)料,相當(dāng)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,自動移到了b處,這就是 Robert r. Goins所關(guān)系,探討料倉摻混系統(tǒng)的設(shè)計原則。稱的“移動孔原理”。這一原理的發(fā)現(xiàn),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)實驗基礎(chǔ)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口要足夠大,而摻混管的流通面積較小,同時要開孔的實驗裝置進(jìn)行粒料的摻混實驗,取得了滿求控制旋轉(zhuǎn)排料閥的速率,以保證形成穩(wěn)定的全意的均化效果,并得出如下結(jié)論:料柱。摻混管上取料孔的數(shù)量和大小,應(yīng)保證摻混重力摻混系統(tǒng)的實驗基礎(chǔ)管在操作期間不被粒料充滿,同時,應(yīng)與出料閥尺重力摻混技術(shù)是一門在理論指導(dǎo)下以實驗和寸相匹配,使得落入摻混室的粒料能迅速排出③,試驗為基礎(chǔ)的工業(yè)技術(shù)。其工業(yè)設(shè)計廣泛依賴于即摻混管應(yīng)在瀑布式狀態(tài)下工作。實驗和試驗數(shù)據(jù)和結(jié)論,需要大量的精細(xì)的長期在瀑布式工作狀態(tài)下,料倉料位以下的全部的實驗和試驗。重力摻混實驗和試驗的主取料孔均處于工作狀態(tài),根據(jù)均化原理可得:取料要內(nèi)容有孔應(yīng)沿料倉軸向均布(即孔間距相等)。(1)對不同材質(zhì)、品種、規(guī)格、物性的粒料進(jìn)(2)工業(yè)應(yīng)用實例行試驗研究,以確定影響粒料流動性的相關(guān)因素;以盤錦石化分公司引進(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孔規(guī)律,發(fā)現(xiàn)沿料的直徑達(dá)2m以上的半剖料倉,可直觀地觀察和倉軸線分布是相當(dāng)均勻的。同樣,北京燕山分公紀(jì)錄主體流動情況和料層的變化;司聚丙烯重力摻混料倉的摻混管具有相同的開孔(3)透明摻混管。可以直觀地觀察和紀(jì)錄摻規(guī)律。混管內(nèi)粒料的流動行為,以弄清摻混管開口形狀這種料倉的特點:開孔沿料倉軸線是均勻分大小與取料速率間的關(guān)系;摻混管數(shù)量、分布、取布的,料層下的全部卸料孔同時處于工作狀態(tài),不料孔數(shù)量、位置、方向與取料均勻性間的關(guān)系等;論倉內(nèi)料位高低,均能達(dá)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,在初始卸料時和接近排空時的過程中不同批次的產(chǎn)品。在料倉內(nèi)形成各種顏色流量比達(dá)10:1以上,對于后續(xù)的氣流輸送是不的料層,用于直觀顯示流動狀態(tài)的均化效果。在利的。出口處取樣進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)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)實驗基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)設(shè)計、與系統(tǒng)配套動管,以在有限的空間的關(guān)系;CNMHG,實現(xiàn)對取料量的6)帶有外摻混系統(tǒng)?？梢詫崿F(xiàn)粒料的循控制{21。環(huán),用以觀測粒料經(jīng)每個摻混周期后均勻度的變(2)工業(yè)應(yīng)用實例第26卷第4期苗月忠.聚烯烴粒料重力摻混系統(tǒng)均化原理、摻混試驗與工業(yè)設(shè)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(shè)計位置進(jìn)行分析統(tǒng)計,結(jié)果表明,當(dāng)料位在由最高(1)摻混管設(shè)計20m到3m高時,取料孔由18個變?yōu)?7個,幾乎包括摻混管形式(外形、幾何尺寸)、開孔設(shè)計能從料倉工作容積的10%到100%范圍內(nèi)穩(wěn)定取(孔數(shù)、位置、方向、大小與形狀)、摻混管布置(數(shù)料;而且每一時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(shè)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(shè)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(wěn)定中心卸料速率和調(diào)倉的情形與此相同。整主體流型?，F(xiàn)趨向于小尺寸的倒錐,甚至取消這種料倉有如下特點:根據(jù)移動孔原理,設(shè)計倒錐,而代之以在底錐上的摻混管開孔;了更多的取料孔,而且呈上疏下密的分布。料倉(3)摻混室設(shè)計內(nèi)主體物料不同,但可實現(xiàn)穩(wěn)定的出料流量,這對摻混室內(nèi)各部件的尺寸、各流道流通面積的要求穩(wěn)定供料的應(yīng)用場合十分重要。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程中充分作狀態(tài)密切相關(guān)2混合。6.3配套系統(tǒng)的設(shè)計(3)三分管的作用(1)旋轉(zhuǎn)排料閥能力的設(shè)計要滿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(dǎo)致了結(jié)構(gòu)設(shè)計率,應(yīng)是無級可調(diào)的,并可實現(xiàn)自動和程序控制;的矛盾,而三分管結(jié)構(gòu)則巧妙地解決了這一難題。(2)氣流輸送系統(tǒng)的能力與操作彈性應(yīng)滿足每個三分管具有三個等同的摻混腔(見圖3),這系統(tǒng)卸料的要求,與旋轉(zhuǎn)排料閥相匹配,并可實現(xiàn)就相當(dāng)于三個獨立工作的摻混管,滿足了流量控程序自動聯(lián)控;制和均勻取料的要求,同時,提高了摻混管的強度(3)外循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)按所要求達(dá)到的均化和剛度,簡化了支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計和解決了摻混管程度與氣流輸送系統(tǒng)配套設(shè)計大開孔的難題結(jié)論通過上述分析可得出如下結(jié)論(1)依靠自重自動進(jìn)行均勻比例取料并摻混是重力摻混系統(tǒng)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(yīng)不同的摻混機理,從而也解釋了聚烯烴項目重力摻混系統(tǒng)常用的兩種設(shè)計思路的異同和原理;(3)重力摻混均化技術(shù)是一門以理論為指導(dǎo),基于實驗、試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果的工業(yè)技術(shù);圖3三分管結(jié)構(gòu)示意(4)合理的系統(tǒng)設(shè)計,能夠達(dá)到穩(wěn)定速率和6重力摻混系統(tǒng)設(shè)計原則組成均勻卸料,滿足聚烯烴工業(yè)對產(chǎn)品粒料均化6.1系統(tǒng)設(shè)計的實驗、試驗基礎(chǔ)精度的要求。(1)新物料的摻混必須基于實驗數(shù)據(jù)和工業(yè)參考文獻(xiàn):試驗成果;顧華孝.筒倉理論與實踐[M].北京:中國建筑工業(yè)出(2)系統(tǒng)設(shè)計和放大要基于試驗結(jié)果及類似版社,1981工業(yè)裝置操作數(shù)據(jù)和設(shè)計經(jīng)驗;2 BLlITEnSTATES PATENTS 34569223)保持摻混管工作狀態(tài)可控,要基于實驗3BL中國煤化工D STATES PAT和試驗結(jié)論。CNMHG