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        MAAG——聚酯工業(yè)中齒輪泵的典型應(yīng)用

        作者:

        時間:2020-24-03

        塑料是日常生活中最常用的材料之一,比如餐具、玩具、電腦、醫(yī)療器械、建筑材料、居家用品、工具和水管等都有塑料的身影。盡管塑料在我們的生活中無處不在,但大多數(shù)人并不知道塑料是怎樣生產(chǎn)出來。本文將向您介紹齒輪泵在聚合物生產(chǎn)中的典型應(yīng)用。

            塑料分為很多種,制備工藝也不盡相同。塑料的歷史可以追溯到18世紀(jì)初。第一個塑料專利是1859年John Wesley Hyatt獲得的,他發(fā)明了賽璐珞(celluloid),一種象牙的廉價替代品。他發(fā)現(xiàn)在硝酸纖維素中加入樟腦會發(fā)生“塑化”作用。于是賽璐珞大量用來制作臺球、梳子、紐扣、假牙及其他產(chǎn)品。1951年,Phillips石油公司的兩位化學(xué)家開發(fā)出了聚丙烯和聚乙烯,他們的發(fā)明成為了今天塑料產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。

            現(xiàn)今大多數(shù)塑料的生產(chǎn)工藝始于原油。談到原油,一般我們會想到由它而生的汽油。實際上,一桶原油的收率大約只有40%為汽油。石化廠為了得到汽油及其他很多有用的副產(chǎn)品,將原油置入罐內(nèi)加熱,根據(jù)各種成分沸點的不同進(jìn)行分離。這些成分被稱為“餾分”,而這種工藝被稱為“蒸餾”。在溫度達(dá)到150℃左右時,汽油從原油中被分離出來,氣相的副產(chǎn)品乙烯和丙烯在加熱到840℃時從餾余物中被“裂解”出來,成為塑料的原料。

            這些氣體成分,也叫做單體,將進(jìn)入一個反應(yīng)釜。反應(yīng)釜內(nèi)的溫度和壓力根據(jù)生產(chǎn)的聚合物的不同而各異。單體分子鏈之間在熱和壓力的作用下聚合形成長鏈,我們稱之為聚合物。隨著反應(yīng)的進(jìn)行,重質(zhì)量的聚合物沉到反應(yīng)釜底,于是適用于高溫、高壓、高粘度的齒輪泵就派上了用場(如圖1)。

         

        抽出熔融聚合物
            因為反應(yīng)釜內(nèi)大多為真空狀態(tài),齒輪泵往往被螺栓直接連接在反應(yīng)釜底以減少所需汽蝕余量。這時,由于聚合物中還含有大量的溶劑,物料粘度還不是特別的高,大約在150000cP左右。釜底抽出齒輪泵需要有特殊的設(shè)計,來適應(yīng)入口的低壓及耐高溫性,以抵消鋼材在200℃高溫下的熱膨脹。泵的入口被設(shè)計成錐形大敞口,可幫助物料進(jìn)入泵內(nèi),夾套可用蒸汽或熱媒加熱泵身。

         

         
        圖2     在有些工藝中,聚合物被泵入第二個反應(yīng)釜或塔盤塔,溶劑被分離出去,剩下更加粘稠的物料,粘度達(dá)到500000cP,溫度達(dá)到340℃,這就需要另一種齒輪泵將物料從塔底抽出(如圖2)。
            因為需要將熔體推出至其他壓降較大的設(shè)備,然后進(jìn)入切粒機(jī),這臺泵需要具有比第一臺泵更高的設(shè)計,來適應(yīng)更極端的工況,以及更高的壓力——出口壓力高達(dá)250kg是再正常不過了。因此,泵的運動部件之間必須有緊而精準(zhǔn)的間隙設(shè)計,這些間隙需由泵的制造商考量高溫、高壓、高粘度、材料的不同熱脹系數(shù)和非牛頓流體物料的特性等因素,仔細(xì)計算。

        注入添加劑
            下一步是在熔融聚合物中加入添加劑,如穩(wěn)定劑、UV保護(hù)劑或色劑等以達(dá)到要求的產(chǎn)品質(zhì)量。如果添加劑為液態(tài),則需要第三臺齒輪泵來處理這些高排壓、中等粘度的流體。這臺泵用來向高壓熔融物料中引入精確計量的添加劑。泵的夾套可用熱媒、蒸汽或電加熱
        粒料的生產(chǎn)
            為將熔融聚合物變成可售賣的商品,則需將其做成粒料。在切粒機(jī)處,無論是水下切粒還是單絲切粒,熔體被擠向一個模頭,冷卻并被切粒、干燥、包裝,然后賣給用戶或中間商。上述這種工藝稱為“溶相聚合”,只是眾多工藝的一種。


            另一種工藝“氣相聚合”使用稍有不同的反應(yīng)釜。在這種工藝?yán)?,乙烯和催化劑在環(huán)式反應(yīng)器中循環(huán),反應(yīng)溫度也稍低一些,為85~110℃,于是會引入溶劑來降低反應(yīng)釜散發(fā)的熱量。聚合物不再是熔融狀態(tài),而是粉狀。粉料需經(jīng)再熔融后造粒。粉料通過漏斗進(jìn)入雙螺桿擠出機(jī)或混合器,在其中被融化、均化(需用如圖3所示的泵加入添加劑),再進(jìn)入一臺混煉泵,混煉泵將熔體推入前述的切粒機(jī)。粒子被冷卻、干燥、裝箱售賣。

         

            混煉泵的大小由裝置其他設(shè)備的綜合能力決定,每小時生產(chǎn)量可小到3t,大到100t。由于在極高溫度下運轉(zhuǎn),泵被水平安裝以補(bǔ)償鋼材的熱脹。物料有極高粘度和磨蝕性成分,因此混煉泵由同步齒輪箱驅(qū)動,使泵的兩齒輪之間沒有直接接觸。為了使泵達(dá)到額外的產(chǎn)量,也可裝配軸和軸承的冷卻系統(tǒng)以降低泵的部件溫度,加快轉(zhuǎn)速,提高生產(chǎn)率。因為泵需要在極高的溫度壓力和粘度下運轉(zhuǎn),泵的尺寸和間隙就顯得尤為重要。

        由粒料到最終產(chǎn)品
            最后的工序是把粒料變成最終產(chǎn)品。購買粒料的最終用戶或中間商把塑料粒料重新熔融并壓制成型。粒料可以被熔融后經(jīng)注塑機(jī)塑成各種復(fù)雜的形狀、經(jīng)吹塑機(jī)做成瓶子,或經(jīng)擠塑機(jī)成為型材、片材或薄膜。

         


            舉一個塑料管材的擠出工藝為例,粒料首先經(jīng)喂料漏斗進(jìn)入單螺桿擠出機(jī),從擠出機(jī)的一端向另一端逐漸被融化、混合(有時會添加色劑或其他添加劑)并均化,熔體被擠向模頭制成管材,最后經(jīng)水槽冷卻成型。


            盡管擠出生產(chǎn)可以不用齒輪泵,但在擠出機(jī)的末端加入一臺齒輪泵可以保持穩(wěn)定性和產(chǎn)出質(zhì)量。齒輪泵,這里常稱為熔體泵(如圖5),是正位移式泵,每轉(zhuǎn)的產(chǎn)出量是恒定的。齒輪泵在這里可承受高壓力,它能比擠出機(jī)更加有效地減壓以克服系統(tǒng)來自模頭和換網(wǎng)器的背壓。

         

         


            Maag熔體泵的容積效率為98%~99%,而擠出機(jī)的效率僅有45%左右。這表明加入擠出泵后會節(jié)省總的電力消耗。同時擠出泵代受了擠出機(jī)承受的高壓力,昂貴的擠出機(jī)部件也就減少了磨損。擠出泵的整個系統(tǒng),包括驅(qū)動部分和控制部分,通常在幾個月內(nèi)就能由自身帶來的廢料減少和產(chǎn)能提升而收回成本。


            熔融聚合物齒輪泵是高端設(shè)計的正位移泵。為了應(yīng)對高溫、高壓和高粘度工況,聚合物泵制造商必須了解泵的各種材料性能,充分掌握聚合物本身以及它們在不同運行工況下的特性。

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