聚烯烴粉末摻混技術實驗研究

洪 濤 紀飛晨 文化明

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

聚烯烴摻混是聚乙烯、聚丙烯等聚烯烴樹脂生產工藝中普遍采用的環節，其作用是依靠摻混技術使聚烯烴產品性能均化、質量穩定。相對聚烯烴顆粒料，聚烯烴粉末摻混技術起步較晚，一直未得到足夠的重視，很多生產裝置甚至未設置摻混環節，產品均化效果不理想，產品質量波動大。以中石化揚子石化塑料廠聚乙烯裝置B線為例，該生產線常年生產YEC-5505T粉料產品，粉料通過聚合反應過程后直接通過緩沖料倉下落至粉料包裝專用線進行包裝。由于聚合反應過程中工藝參數的調整以及不同反應釜自身工況不同，聚合干燥后的粉料產品熔融指數(MFR)、密度、抗沖強度及拉伸強度等物性指標會有一定幅度的波動，導致同一時間包裝的聚合物粉料基本物性指標存在差異，對后續作業中的質量控制產生不利影響。尤其是在聚烯烴高端專用料市場，目前進口粉料依靠穩定的品質牢牢占據大部分市場份額，通過有效提高國內聚烯烴粉料摻混效果，打破進口粉料在該領域的壟斷，提高我國聚烯烴產品的自給能力，市場潛力巨大。因此進行專門針對聚烯烴粉末摻混技術的實驗研究具有顯著的經濟和社會效益。

1 摻混技術評價

目前，工業化應用的摻混形式主要包括氣流式、動力式和重力式。氣流式摻混利用多股氣流將物料從倉內不同高度、不同方位有選擇的同時進入摻混倉內，從而實現摻混均化的目的；動力式摻混主要通過風機等外部動力設備將物料從摻混倉底部輸送至頂部返回倉內，實現物料的充分混合；重力式摻混是完全依靠物料下落的重力，通過在摻混倉內部設置各種結構的摻混裝置如摻混管、均化器等實現物料混合。重力式摻混由于不需要外加動力，且結構簡單、操作成本低，產品性能、質量穩定，在聚烯烴顆粒料行業已有廣泛的應用。

重力式摻混主要形式包括多管式、中心管式、靠壁式及旋葉式等，前三種形式的相同之處都以物料整體流為設計前提，采用摻混管均化物料。物料依靠重力流入不同高度開孔的摻混管內部，最后匯入設備底部的混合室完成物料的混合。聚烯烴粉末流動性差、易產生靜電導致在摻混倉內架橋，如采用上述摻混形式，受摻混管的開孔尺寸限制，聚烯烴粉末難以順暢的進入摻混管，在摻混管內的流動狀態也無法監控，不能達到良好的摻混效果。多流道旋葉式摻混是重力摻混的新型式，摻混機理也是靠物料的重力來實現，所不同的是摻混內構件采用旋葉式均化器，均化器安裝在料倉底部，物料流經料倉底部時不同角度的多個旋葉片將物料分割成多個流道流向出口。通過比較各種摻混形式的特性可以看出，旋葉式摻混具有良好的摻混效果，并且旋葉式均化器流道相對較大，粉末物料可以順暢通過，適合粉末物料的流動特性。

旋葉式摻混是中心流(核流)的典型結構，即物料在摻混倉內以核流的方式流動，但在物料沒有完全形成中心流狀態時，摻混效果不好。因此單純采用旋葉式重力摻混式不能完全滿足工業化實際需要，研究新型復合式摻混技術成為聚烯烴粉料摻混發展的必然趨勢。

2 實驗目的

通過建立聚烯烴粉末摻混實驗裝置，研究復合式摻混技術對于聚烯烴粉末的摻混效果，重點考察物料的流動速率、熔融指數和混合指數。通過對實驗過程和結果的全面分析，對均化器、摻混倉體結構以及物料流動形式等關鍵技術提出優化方案，并為聚烯烴粉末復合摻混技術工業化應用提供實驗依據，同時也為該技術在其他領域的延伸奠定基礎。

3 工藝流程及均化機理

聚烯烴粉末摻混技術采用動力+旋葉式重力的復合摻混方式，物料首先依靠自身重力散落至摻混倉底部，通過經特殊設計的旋葉式摻混器完成初次重力摻混，出料口排出的物料通過輸送系統再次返回倉內進行返混，并最終實現均化從出料口排出。工業裝置根據生產需要可以采取一開一備形式，實現摻混及包裝環節的連續作業。聚烯烴粉末摻混技術的工藝流程如圖1所示。

圖1 聚烯烴粉末摻混技術工藝流程示意圖

聚烯烴粉末摻混技術充分發揮了動力和重力摻混的優勢。特殊設計的旋葉式均化器是針對聚烯烴粉料流動性差、易堆積的特性而專門開發，由中心管和兩個錐體通過支撐筋板連接后形成若干流道，中心管和中間錐體之間加有設計合理的折流板(即旋葉片)。當料倉內固體物料形成核流流動形態后, 流經旋葉式均化器直徑方向的物料則是分別來自料倉不同高度的物料, 當流道設計合理時, 流出均化器的物料能達到混合的目的。另外流道內的折流板和支撐筋板對本身所在流道的物料也能進行混合。

4 實驗過程及結果

4.1 實驗裝置

根據復合摻混技術的均化機理和設計理論，在國內外現有設備形式的基礎上進行消化、吸收和改進，針對聚烯烴粉末的自身特性，尤其對實驗料倉底錐角度、內摩擦角以及旋葉均化器的葉片分布角度、折流角度等關鍵部分進行技術攻關，設計并建立了特殊結構的多流道旋葉式摻混實驗裝置(圖2)，根據確定的實驗方案對聚烯烴粉料進行摻混實驗。

料倉參數為：

容積 0.46 m3

規格φ600mm×1 200mm

材料 不銹鋼+玻璃樹脂

循環比 100%

填充率 大于90%

實驗物料采用兩種牌號多個批次的聚乙烯粉料：

熔融指數(牌號1) 0.10～0.22

熔融指數(牌號2) 0.945～1.000

圖2 聚烯烴粉末摻混實驗裝置示意圖

4.2 實驗過程及現象

在實驗摻混料倉內分別加入40kg聚烯烴粉末，標定兩種牌號物料的排料流率，觀察聚烯烴粉末在倉內的流動情況以及出料口的排料情況，并確定實驗過程中的取樣間隔。通過計算，兩個牌號的物料流動速率標定結果均為10kg/min。

清空實驗料倉，關閉下料口。按先后交錯次序向實驗摻混倉內加入物料1、物料2各3次，每次25 kg共計150kg，此時實驗摻混倉內物料填充率達到95%。開啟摻混料倉排料口并開始計時，實驗物料通過旋葉均化器進行混合，觀察實驗物料的流動情況和出料情況。開啟排料口3min即排料20%后每間隔1min在出料口處取樣一次直至物料全部流出。第一階段實驗共取10個樣本。

將一次摻混排出的物料全部按出料順序返回摻混料倉，此時循環比為100%，稱第二階段實驗。開啟料倉排料口并計時，第二階段試驗每隔30s取一次樣直至料倉中全部物料排完，第二階段實驗共取27個樣本。

4.3 實驗結果及分析

通過多次實驗，實驗物料在摻混倉內流動情況良好，沒有出現堆積及架橋等現象，物料依靠自身重力即可實現排料。在出料口物料形成穩定的實心柱狀流，并且幾乎沒有間斷和直徑變化。從實驗摻混倉頂部和側面觀察，實驗物料在倉體內呈明顯的核流流動狀態，與聚烯烴粉末摻混技術設計理論吻合。

對所取樣本的熔融指數進行化驗分析可以得出，經過第一次重力摻混的樣本(前10個)熔融指數已經出現明顯的均化效果，但波動性仍較大，單獨采用旋葉式重力摻混技術還不能完全滿足對聚烯烴粉末的品質要求；經過100%返混后的樣本(樣本11～37)熔融指數已趨于一致，絕大部分穩定在0.4～0.5的區間內(圖3)。

圖3 熔融指數曲線

根據Philllips公司提出的兩個指標評價混合效果，即當摻混裝置為工業裝置的1/7倍規模以上時，混合指數M1≤0.250, 工業裝置的混合指數M2≤0.152。計算本次實驗的混合指數。

100%返混合后熔融指數平均值：

均方差值：

σ=0.0763

混合指數：

本次實驗混合指數M=0.146<0.250,結果滿足Phillips公司的評價指標，混合效果良好。

由于實驗摻混倉按照工程摻混料倉按比例縮小，旋葉均化器的中心管直徑較小，實驗過程中中心管出現少量集料，工程化設計時應注意優化中心管直徑以及中心管與其他流道的匹配。

本次實驗摻混料倉材料采用玻璃樹脂倉體+碳鋼錐段。受摻混倉空間限制，錐段部分內表面采用磨光機拋光，表面較粗糙，實驗過程出現輕微掛料現象。工程化設計時可以采用更加有效的表

面拋光技術，減小物料與底錐的摩擦力，有利于物料的流動。

5 結論

5.1考慮工業化裝置規格是實驗裝置的若干倍，物料通過均化器中心管和各個流道會更加通暢，加之氣流輸送管道和物料返混重新分散的過程都會產生額外的摻混效果，工業化應用的摻混效果應比實驗效果更加理想，經特殊設計的多流道旋葉式重力均化器適用于聚烯烴粉末，不會產生架橋及堆積等不良現象。

5.2復合式摻混技術有效地利用兩種摻混形式的優點，達到良好的摻混效果，滿足產品均化、質量穩定的要求。為復合式摻混技術工業化應用提供了實驗基礎和依據。

5.3針對實驗過程中的現象，對復合式摻混技術工業化應用提出了建議和意見，并提出了優化方案。為下一步大型工程化設計提供了解決方案。