CN101084094B - 粒料处理单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了生产具有减少的挥发物的聚合物粒料的连续方法。

Description

粒料处理单元
本发明涉及处理聚乙烯粒子以脱除挥发性组分的方法。
由聚合物且具体地说由聚乙烯制备的许多产物与食品接触，因此希望制备″良好味道″等级。这些产物例如是与饮用水或食品包装物接触的管，该食品包装物与食品接触。残余的烃或添加剂可产生不希望的气味。对于一些应用也重要的是从最终产物脱除残余烃例如从低密度聚乙烯脱除乙烯。另外的例子是从聚丙烯降低挥发物的量以降低转化步骤期间的烟雾。
为降低或抑制不希望的气味，将聚合物粒料送到位于挤出机和共混机之间的粒料处理单元。
大多数现有技术粒料处理单元采用间歇模式操作。将来自挤出机的粒料导引到容量为约300吨的料仓。将料仓填充到所需水平和然后将粒料在与气体温度成反比的时间期间经历热气体流：温度越高，停留时间越短。然而，必须达到折衷，这是由于如果温度太高，粒料开始熔融和彼此粘附，如果温度太低，成本降低但停留时间过长。对于聚乙烯的温度和停留时间的典型数值分别是80-110℃和5-50小时。将热气体在靠近料仓基底的位置由压缩机注入并在产物的500-5000m3/小时/吨的速率下由电阻或换热器调节温度。气体然后通过顶面离开料仓并携带残余的烃，该残余的烃从粒料内部迁移到粒料的表面。需要热气体体积用于如下两者：加热粒料到80-110℃的目标温度和保持它们在那个温度下10-50小时的必要停留时间。其后，必须将粒料冷却到60-70℃的温度以能够实现容易的传输而没有粘附。
在5-50小时的停留时间之后，将料仓的内容物由冷气体冷却和然后通过料仓的底部清空和由气体压缩机将粒料推向共混机。
此方法过去使用过，但它的缺点是，由于填充料仓时，粒料在料仓中固定而浪费相当多的时间。此外需要大量的时间和能量以加热整个料仓到约100℃的所需温度和然后冷却它到约60℃的温度。
专利申请WO2004/039848描述了处理聚合物的连续方法：然而它仍然需要非常大量的吹扫空气。将吹扫的挥发物在非常大量的气体中稀释，该气体非常难以处理和通常在大气中排放。
因此，需要使用较少时间和能量的系统。
本发明公开了要求较少等待时间的粒料处理单元。
本发明还公开了消费较少热能的系统。
本发明进一步公开了不要求加热或要求较少加热并强烈地降低所释放的吹扫气体量的系统。可以处理吹扫气体且没有挥发物或非常少的挥发物排放到大气。
因此，本发明公开了以连续模式采用处于恒定水平的料仓操作的粒料处理单元。该操作模式抑制了对料仓进行填充所必须的长等待时间，对全部料仓的内容物进行加热所必须的长时间。通过将该离开冷却料仓的受热气体循环回该用于对加热料仓进行加热的热气体流，进一步降低了对料仓进行加热所必须的能量的量。
附图说明
图1是从造粒机开始到储料仓的整个粒料处理单元的简图。
图2是加热料仓/冷却料仓单元的简图，其中将该离开冷却单元的升温气体循环回加热单元。
图3表示粒料处理单元的简图，其中由温水流将该离开造粒机的粒料输送到加热料仓/冷却料仓单元。
将该离开挤出机的熔融聚乙烯条(strand)(1)由旋转刀(2)切割成粒料。冷却流体(典型地为水)的流携带该热粒料通过冷却管(3)。然后将粒料与冷却流体在干燥器(4)中分离。将由与粒料接触而升温的流体送到冷却器(5)并循环回冷却管。泵(6)保持流体在管中循环。将现在温度为60-70℃的粒料在小料仓(7)中倾倒，并通过位于料仓底部的旋转阀(8)导引到管(9)，其中它们由温度典型地为50-60℃的气体流夹带向加热料仓(10)。它们通过顶面进入加热料仓，设计该加热料仓以具有平推流行为。然后将粒料由热气体流(11)加热到所需温度。将大气通过过滤器(20)送到热气体鼓风机(21)，然后通过第二过滤器(22)送到气体加热器(23)，和然后送到加热料仓的下部。气体加热器是中压蒸汽流或电阻。热气体向上通过料仓并通过它的顶面逸出。粒料在加热料仓中保持足以允许烃残余物迁移到粒料表面的时间，该粒料由热气体向上携带并通过料仓的顶面逸出。粒料然后通过旋转阀(24)离开加热料仓，调节旋转阀(24)的旋转速度以保持加热料仓恒定充满，和它们落入冷却料仓(25)。粒料在被送到共混机之前由冷气体流(26)冷却，以避免粘附。将大气通过过滤器(27)送到冷气体鼓风机(28)，然后通过第二过滤器(29)送到气体冷却器(30)，和然后送到冷却料仓的下部。用水来冷却气体。粒料通过旋转阀(31)离开冷却料仓并然后由冷气体流通过管(40)夹带到均化料仓。将大气通过过滤器(41)送到粒料传输鼓风机(42)，然后送到粒料传输冷却器(43)和然后送到共混机的下部。
用于冷却粒料的气体在该过程中被升温：可以将它循环回加热单元以降低能量消耗。
本发明还公开了降低聚乙烯粒料中挥发物的方法，该方法包括如下步骤：
a)从挤出机(1)取出粒料并采用冷却水流和足以达到所需温度的停留时间推动该粒料通过冷却管(3)；
b)将粒料在干燥器(4)中与水分离，通过冷却设备(5)将水返回冷却系统并采用20-60℃的气体流将该冷却的粒料通过管(9)推入加热料仓(10)；
c)在热气体流(11)下，将粒料保持在该加热料仓中，该热气体流在该加热料仓的下端附近进入并通过上部敞开面逸出；
d)经由能够对离开的材料流进行控制以保持该加热料仓恒定充满的旋转阀(24)，将粒料连续地通过该加热料仓的底部取出；
e)将粒料送到冷却料仓(25)；
f)将该冷却料仓保持在室温的气体流(26)下，以使粒料的温度下降到所需水平；
g)将该冷却的粒料输送到均化料仓。
送入加热料仓的热气体流可以是任何合适的气体。在所有的情况下，特别地对于高密度聚乙烯，优选为空气。对于要求高安全操作的其它聚合物，优选是惰性气体。
靠近挤出机的冷却水流的温度典型地为50-70℃，从而冷却粒料到60-70℃的温度。将粒料冷却到所需水平所必须的停留时间为10-20秒。
加热料仓中的停留时间取决于料仓的温度：温度越高，停留时间越短。聚乙烯粒料的最优选操作条件是80-110℃的温度和5-50小时、优选8-15小时的停留时间。
该离开冷却料仓的粒料的温度典型地为60-70℃。
此方法仍然要求非常大量的热气体，和因此大量的能量是加热加热料仓所必须的。
在根据本发明的优选实施方案中，将该离开挤出机的粒料冷却到高于60-70℃的典型温度且尽可能接近加热料仓温度的温度。典型地对于聚乙烯，将它们冷却到80-110℃、优选80-100℃的温度。这通过以两种方式的任一种改变上述的过程而达到。
1.缩短在邻近挤出机的冷却系统中的停留时间，同时保持冷却水温度不变。
2.将冷却水流保持在接近粒料新目标温度的温度下，同时保持停留时间不变。
在第一选项中，典型地，在邻近挤出机的冷却系统中的停留时间减半，且因此是4-10秒。采用此短停留时间，将粒料的外层壳降到冷却流的温度，即达到60-70℃的温度而粒料的核保持为热的，典型地温度为110-130℃。在粒料的冷表面和热核之间存在逐渐的温度调节，导致接近于加热料仓中所需温度的总体粒料温度。该方法的优点在于，没有改变在挤出机出口处的温度条件和切刀可因此合适地将该离开挤出机的条切割成粒料。
在第二选项中，将冷却系统的温度升高到取决于粒料的本质并主要取决于它们粘度的温度。适于粘性聚合物的温度高于用于流体聚合物的温度。对于高密度聚乙烯，至多100℃的水温是合适的，而对于低密度聚乙烯，水温约为80℃。此方法的缺点是改变了在挤出机出口处的条件。如果不仔细控制水温，当将该离开挤出机的条切割成粒料时，温度的增加可导致粒料转变成粘性物质。
两种方法的次要缺点是，当经过从干燥器导向加热料仓的管进行输送时，粒料可以被拉长成″边缘毛刺(angel hair)″。
优选第一选项。
在这两种方法的任一种中，将粒料保持在接近加热料仓温度的温度下和因此显著降低对粒料进行处理所必须的热气体量。
在根据本发明的另一个优选实施方案中，粒料从邻近挤出机的冷却设备向加热料仓的传输采用热水流而不采用热气体流进行。此方法显著降低与冷却系统中停留时间的缩短相关的″边缘毛刺″的形成和它主要地降低了必须能量的量，这是由于在到加热料仓的所有途径中系统保持在恒定温度。此外，粒料可传输非常长的距离，而没有冷却，当使用第一选项时，允许整个粒料内部的温度均匀。
在此方法中，将干燥器刚好布置在加热料仓之前。它可以直接布置在加热料仓上方，从而避免粒料的所有气体传输，或邻近加热料仓布置，从而需要短的气体传输。
在根据本发明的另一个实施方案中，将冷却料仓由换热系统替代，该换热系统由填充有室温下的水的垂直板形成。该离开加热料仓的粒料在冷却板的垂直壁之间以重力加速度下落。冷却板是典型尺寸为1.5-2.5m×1.4-2m的矩形。不是，体积越小，故停留时间越少。当粒料仅在板之间通过重力的作用经过时，在板之间的停留时间非常小。
根据本发明的几个实施方案都允许热气体消耗的基本降低。
实施例1
将适于制备管的聚乙烯粒料在以下所述的粒料处理单元中脱气。
图2简要显示单元的脱气部分。
温度为约70℃的粒料进入加热料仓，在该加热料仓中，粒料在约100℃的加热空气流下保持约12小时的时间。设计粒料处理单元以在约42吨/小时的流量下工作以适应粒料的生产速率。料仓的容量是约1000m3且其被设计为具有对于进入和输出的粒料的平推流外形(plug flow profile)。排料的料斗角度是50°。
在该特定配置中，将粒料从70℃加热到100℃所需的总热能等于663kWh，该热能由出口最大温度为105℃的热空气供应，以避免聚乙烯的熔融。通过料仓的顶面逸出的空气测量为约80℃，而从料仓下部取出的粒料的温度为约100℃。因此，对粒料进行加热所需的气体量为约75,000Nm3/小时。对空气进行压缩所需的功率记录为750kW且将空气从40℃(压缩机出口)加热到105℃所需的能量为约1700kW。
在下一步骤中，将粒料在送到均化单元之前在冷却料仓中冷却。冷却料仓的容量是约200m3。将粒料从100℃的加热料仓出口温度冷却到适于下一步骤的70℃的温度。冷却手段是在约30℃的温度下进入冷却料仓并在90℃的温度下通过冷却料仓的顶面离开冷却料仓的冷空气。因此，必须的冷空气的量是约31,000Nm3/小时。将冷却空气送到大气中。对空气进行压缩所需的能量是约300kW。将热空气仅排放到大气中。由色谱(KWS方法，碳-氢色谱)测量的挥发物含量在入口处为约560ppm和在出口处为80ppm。因此，该处理将挥发物含量减少85％，相当于约19.8kg/小时的挥发物消除。挥发物以75000Nm3/小时进行稀释且不要求任何进一步的处理。大多数挥发物在第一料仓中消除。
为了使在输送管线中的边缘毛刺的形成最小化，该输送管线装配有“γ弯管”并进行喷丸硬化(shot-peened)。
经由在2×2cm的筛网上通过粒料而评估大边缘毛刺的形成。对于每25吨产物，由筛网收集的边缘毛刺的量记录为0.2g。
实施例2
通过将离开″冷却料仓″的升温的冷却空气循环进入第一料仓而改进实施例1中所述的系统的热效率。热平衡改进如下。
将44000Nm3/小时的加热空气送入加热料仓(吹扫料仓)并将31000Nm3/小时的离开冷却料仓的升温空气循环回到加热料仓中。
压缩44000Nm3/小时所需的能量是约450kW。
能量要求
吹扫气体鼓风机 450Kw(电)
冷却气体鼓风机 450Kw(电)
气体的加热 1160Kw(蒸汽)
气体的冷却 350Kw
进入料仓的挥发物的量是550ppm且离开冷却料仓的挥发物的量是80ppm。最终产物中的边缘毛刺的量是约0.3g/每25吨产物。
实施例3
在此实施例中，改进造粒步骤以增加粒料的温度。
采用约15秒的水/粒料接触时间，将在造粒机出口处的水温从55℃增加到75℃。通过将冷却水冷却到较小的程度以获得该温度的增加。在干燥器出口处的粒料温度是约95℃。测量粒料的温度，同时在几分钟时间内保持粒料袋中的热电偶以具有均匀的温度。将粒料使用与实施例1中相同的输送管线传输到加热料仓，且它们在约90℃的温度下进入吹扫料仓。
仅使用该离开冷却料仓的升温空气进行脱气，将该升温空气以约31000Nm3/小时的量循环入吹扫料仓，使得不要求加热或要求非常少的加热。
将该离开冷却料仓的空气在送到吹扫料仓之前加热到105℃。
能量要求
冷却气体压缩(31000Nm<sup>3</sup>/小时) 450Kw(电)
气体的加热 300Kw(蒸汽)
气体的冷却 300Kw
在处理之后，将在出口处的600ppm的挥发物的量降低到110ppm。在产物中发现的边缘毛刺含量是3g/每25吨产物。
实施例4
实施例4与实施例3相同，区别在于将离开造粒机之后的粒料与冷却水的停留时间从13秒降低到5秒。这对边缘毛刺的含量具有非常积极的影响。其从3g/每25吨降低到1.1g/每25吨。
实施例5
使用与实施例4相同的用于造粒和用于传输到吹扫料仓的条件。
对板式换热器进行特殊设计，以加热或冷却粒料，该板式换热器用于替代冷却料仓。此类型的换热器例如描述于Chemie Technik，28 Jahrgang(1999)，Nr4，p.84。
引入吹扫料仓的空气量是约1000Nm3/小时：该量足以消除挥发物。达到90℃的粒料不要求许多进一步的加热。将空气加热到105℃，尽管加热它到这样的温度不是强制性的。
冷却空气由通过板式冷却器流动的冷却水替代。粒料在约90℃的温度下进入板式换热器并在约60℃的温度下离开该换热器。
能量要求
能量要求
吹扫空气压缩(1000Nm<sup>3</sup>/小时) 10Kw(电)
气体的加热 25Kw(蒸汽)
冷却负载 600Kw(冷却水)
在处理之后，将在出口处的600ppm的挥发物量降低到130ppm。脱除效率稍有降低。使用常规回收系统如活性炭床处理挥发物。
产物中发现的边缘毛刺含量是约1.5g/每25吨产物。
实施例6
将粒料冷却水温度设定在65℃。
对于42吨/小时的粒料生产，粒料水流量是约420m3/小时。
粒料冷却水中的粒料停留时间是5秒。将粒料和水在分离器50中分离并回收约90％的粒料冷却水。将浓缩的粒料浆料(50％水，50％粒料)与100℃的输送水51混合。将粒料输送到在吹扫料仓10上方安装的干燥器52和然后由重力送到吹扫料仓，如图3所示。进入吹扫料仓的粒料的温度为100℃和因此要求非常少的加热。冷却料仓由实施例5的冷却板系统替代。
能量要求
吹扫气体压缩(1000Nm<sup>3</sup>/小时) 10Kw(电)
气体的加热 25Kw(蒸汽)
冷却负载 850Kw(冷却水)
在处理之后，将在出口处的600ppm的挥发物量降低到65ppm。没有发现边缘毛刺。
实施例7
它使用与实施例6相同的系统，区别在于粒料与粒料冷却水接触13秒的时间且粒料输送水的温度为106℃。
能量要求
吹扫气体压缩(1000Nm<sup>3</sup>/小时) 10Kw(电)
气体的加热 25Kw(蒸汽)
冷却负载 850Kw(冷却水)
在处理之后，将在出口处的600ppm的挥发物量降低到65ppm。没有发现边缘毛刺。
所有实施例的总体能量消耗总结于表I。
表I
 实施例1  实施例2  实施例3  实施例4  实施例5  实施例6  实施例7
泵Kw  1330  1130  650  645  255  140  140
加热Kw  1700  1160  300  300  25  25  775
冷却Kw  8650  8750  8100  8100  8400  8450  9250
可以看出根据本发明的所有实施方案提供能量的重大增益。

Claims (15)

1.一种降低聚乙烯粒料中挥发物的方法，包括如下步骤：
a)从挤出机(1)取出粒料并采用冷却水流和足以达到所需温度的停留时间推动该粒料通过冷却管(3)；
b)将粒料在干燥器(4)中与水分离，通过冷却设备(5)将水返回冷却系统并将该冷却的粒料通过管(9)推入加热料仓(10)；
c)将粒料在该加热料仓中在热气体流(11)下保持5-50小时，该热气体流在该加热料仓的下端附近进入并通过上部敞开面逸出；
d)经由能够对离开的材料流进行控制的阀(24)，将粒料连续地通过该加热料仓的底部取出，以保持该加热料仓恒定充满；
e)将粒料送到冷却料仓(25)；
f)将该冷却料仓(25)保持为室温，以使粒料的温度下降到所需水平；
g)将该冷却的粒料输送到储料仓，
该方法的特征在于，该加热料仓保持在80-130℃的温度下，且在冷却料仓内将该粒料冷却到60-70℃的温度。
2.权利要求1的方法，其中步骤c)的热气体流是空气。
3.权利要求1的方法，其中该冷却料仓是保持在室温的气体流(26)下的冷却料仓。
4.权利要求3的方法，其中该气体流为空气流。
5.权利要求3的方法，其中将该离开冷却料仓的温度升高的冷却气体循环回加热单元(11)。
6.权利要求1的方法，其中该冷却料仓是由室温下的水冷却的一组垂直板，粒料在各板之间以重力加速度下落。
7.权利要求1-6中任一项的方法，其中步骤a)的所需温度是60-70℃，在冷却水流中的停留时间为10-20秒以达到该温度，该冷却水流保持在40-105℃。
8.权利要求7的方法，其中该冷却水流保持在50-90℃。
9.权利要求8的方法，其中该冷却水流保持在55℃-80℃的温度下。
10.权利要求1-6中任一项的方法，其中步骤a)的所需温度是100℃，在冷却水流中的停留时间为3-10秒以达到该温度，该冷却水流保持在50-80℃的温度下。
11.权利要求1-6中任一项的方法，其中步骤a)的所需温度是100℃，在冷却水流中的停留时间为10-20秒以达到该温度，该冷却水流保持在100℃下。
12.权利要求10的方法，其中由温度为20-60℃的气体流将该冷却的粒料通过管(9)推入加热料仓。
13.权利要求11的方法，其中由温度为20-60℃的气体流将该冷却的粒料通过管(9)推入加热料仓。
14权利要求10的方法，其中由温度为100℃的水流将该冷却的粒料通过管(9)推入加热料仓，且其中干燥器移动到管(9)的末端并位于该加热料仓之前。
15.权利要求11的方法，其中由温度为100℃的水流将该冷却的粒料通过管(9)推入加热料仓，且其中干燥器移动到管(9)的末端并位于该加热料仓之前。
16.权利要求1-15中任一项的方法在生产具有降低挥发物含量的聚乙烯粒料中的用途。
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