颗粒离心干燥机干燥机理及发展现状

段世铭，曾新芳，陈 庆

(吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林 132022)

颗粒离心干燥机又称离心式颗粒干燥机，离心脱水机(centrifugal pellet dryer)，可以干燥颗粒状的聚乙烯、聚丙烯、聚酯、废旧塑料，橡胶和口香糖等，是石油、化工和食品加工等行业生产中的一项关键后处理设备，其功能是将含水颗粒进行脱水干燥，典型例子如水下造粒系统中由挤出切粒后的颗粒进行脱水干燥.与其它离心脱水干燥设备相比，颗粒离心干燥机具有设备结构紧凑、连续干燥、生产量大、干燥时间短、能耗低及操作简单等特点[1].在其硕士论文《颗粒离心干燥机的工作原理及结构研究》[2]中相关研究内容的基础上，并结合近十年的相关文献，介绍了颗粒离心干燥机的结构演化过程、脱水干燥原理，及国内外的研究进展.

1 水下造粒机组工艺流程

图1所示为水下造粒机组的工艺流程，其包括挤出加工、水下造粒和颗粒干燥三部分.挤出加工包括挤出机、转换阀和口模；水下切粒包括切刀、切粒室和循环水设备；颗粒干燥包括颗粒离心干燥机和鼓风机.

原料从挤出机的加料口进入挤出机，在螺杆/机筒形成的螺槽中受到剪切、加热而从固体熔融成高黏度熔体，并向口模方向推动形成相当的压力.该压力促进熔体从机头多孔口模挤出，挤出条在与机头连结的切粒室内马上开始冷却固化，并被切粒机的多把切刀切成粒子.然后循环水把颗粒从切粒室通过循环水管路带到干燥机，在这里进行脱水干燥后进行收集[3].

由此可见，颗粒离心干燥机是水下造粒机组后处理设备中的一个重要组成部分.

实际上，国内外对其的理论研究比较少，国内对其基本原理和设计准则方面的研究并不充分，在颗粒特性(例如材质，形状，表面结构)对干燥效果，产量和噪声的影响并没有进行定量研究，转子的结构研究还局限于实验室级的小型设备，近几年国内虽然有相关方面的专利授权和标准出台，但国内年产30万吨以上的大型造粒机组所用颗粒离心干燥机基本还是以国外产品为主，因此，开展颗粒离心干燥机工作原理的研究对我国的颗粒离心干燥机的设计和研制尤其重要.

图1 水下造粒机组简图[4]

2 工作原理和特点

2.1 工作过程

这里以图1和图2所示美国Gala公司的颗粒离心干燥机说明其操作过程.挤出切粒后的颗粒和循环水通过输送管道首先进入干燥机一侧的预脱水通道，大块料被去除机除去(直接落下收集).随后分散颗粒体随水沿着预脱水通道向下面的倾斜网板流动，在冲击和重力的作用下，约95%的水从倾斜的筛网直接脱出.颗粒及其表面附着水落入离心干燥机底部，进入离心干燥系统.当离心机底部粒料堆积到转子下沿以上时，高出下沿的物料被高速旋转的转子叶片边缘刮起，并在其带动下沿叶片的螺旋线向上提升，同时在离心力作用下撞击筛网.在这种撞击过程中颗粒表面失去一部分水分并被弹回到高一级的螺旋叶片，随后不断重复该过程，颗粒表面的水分逐步减少[1]，同时在鼓风机产生的气流和颗粒内部温度的辅助下，达到干燥的要求.当颗粒被提升到干燥机上部的出料管后被排出.

干燥过程中，颗粒表面的大部分水分沿着筛网表面落入干燥机底部，并从干燥机底部排出，小部分变为小液滴，由鼓风机吹进的空气或热空气反向带出干燥机，并产生一个有限真空，阻止外界的湿空气进入机器、还可冷却机器下部的设备.最终的产品湿度可控制在0.05%(LDPE)或0.85%(PA)以下.颗粒离开干燥机后，通过振动筛将过大过细颗粒分离，合格品由气力输送进入料仓.图2所示的干燥机中各组分的运动过程，带黑点的白色是颗粒的运动过程，无黑点深色是水分的运动过程，有黑点深色是空气的运动过程[1].

图2 Gala公司的颗粒离心干燥机的工作过程[4]

2.2 干燥原理

一般的离心机都是应用离心力，使重度不同的固相和液相分离，以达到固相脱水的目的[5].颗粒离心干燥机也是应用离心力的作用，但与一般离心机不同，它主要应用颗粒在离心力场作用下甩到筛网上，在筛网和转子间撞击脱水，有的颗粒离心干燥机还加入了气流干燥以增强干燥效果.干燥机中的颗粒和水的分离过程如图3所示.颗粒在转子产生的离心力场，沿着叶片作螺旋上升运动，并在转子及筛网间作弹跳运动，这里的弹跳运动过程是主要脱水干燥过程.颗粒在离心力、摩擦力和支持力的作用下，沿叶片做螺旋上升运动.当颗粒遇到筛网后被弹回到叶片上，而颗粒上的水遇到筛网后不能被弹回，而是从筛网孔甩出，在筒体和筛网的环形通道里，由于重力作用，落入机器底部并被排出.

(a)pricinple

(b)experiment图3 颗粒离心干燥机中的颗粒和水分离过程

3 发展历程

国外颗粒离心干燥机经过几十年的发展，生产技术已经成熟，生产厂家也很多，有美国的Gala公司、Cater Day公司和The Conair Group公司，日本制钢所等厂家，其中Gala公司的颗粒离心干燥机开发得较早，所以下面以Gala公司的干燥机为主介绍颗粒离心干燥机的研究及发展状况.

3.1 早期颗粒离心干燥机

在20世纪60年代，出现了颗粒离心干燥机最早的文献，即美国专利US3458045[6].它发表于1969年，发明人为Gala公司的Vernon E等.当时的颗粒离心干燥机和现在的主要差异是当时的干燥机还没有加入气流干燥，而且体积小，产量小.所以60年代前的颗粒离心干燥机的干燥效果和生产能力都不是很高.之后，Gala公司相继申请了专利US4218323[7]和US4447325[8].它们是对US3458045的补充，分别给出了动力轮辐的改进结构和筛网的构造结构，以增加干燥机的产量.

图4 美国Gala公司1969年制造的第一台颗粒离心干燥机(依据专利US3458045，50年司庆回购并重新修补)[4]

20世纪80年代，Gala公司相继申请了专利US 4565015[9]，它提出了一种新型颗粒离心干燥机.这一时期干燥机的特点是开始加进了气流干燥，但这时的气流出口是在干燥机的上部，后来的气流干燥基本是从干燥机中部出气(如图1和图2所示).在专利US 4565015中，颗粒和水混合液从入口进入，经过撞击脱水后进入干燥机转子，并在转子的离心作用下提升和“弹跳”脱水，最后在干燥机上部经过气流干燥后到达出口.干燥机的工作原理和结构简图如图5所示.鼓风机的叶轮装在转子的上部，这样就使电机带动转子转动的同时带动鼓风机的叶轮以节省能量.

图5 美国专利US4565015设备简图

3.2 颗粒离心干燥机类型发展现状

目前，颗粒离心干燥机的机型已经基本完善，主要分为四类EASY ACCESS型、EASY CLEAN/LOW NOISE(ECLN)型、HIGH CAPACITY型和SELF-CLEANING，具体如下：

(1) EASY ACCESS

到了20世纪90年代，颗粒离心干燥机有了进一步的发展.Gala又相继申请了专利US4896435[10]、US5265347[11]、US5638606[12]和US6138375[13].专利US4896435提出了一种新型的可更换部件的颗粒离心干燥机，工作过程如图1所示.专利US4896435之后又相继提出了专利US5265347、US5638606和US 6138375，这三个专利都是对专利US4896435的补充.专利US5265347是基于降噪的考虑，给干燥机安上了可以阻挡噪声的双层门.专利US5638606提出了一种新型筛网结构，以降低堵孔概率.专利US6138375给筛网加了一个支撑结构，从而使筛网不易变形，便于运输颗粒并增强了干燥效果.专利US4896435结构简图参看图6.这里的可更换部件是在干燥机工作时的易损部件，包括进料斜道、底座支承部件、上部出料管，它们通过螺栓连接或焊接到主体上.其优点是：当这些部件发生破损时，避免了对机架或整机的更换，节省了修理费用.

图6 美国专利4896435设备简图

(2) EASY CLEAN/LOW NOISE(ECLN)

21世纪以来，颗粒离心干燥机有了更加迅速的发展，在巩固完善气流干燥、简单维修和低噪声等特点下，又开发了两个系列的干燥机，实验室用干燥机和易清洗干燥机.到目前为止，Gala相继申请了美国专利US6237244B1[14]、US6807748 B2[15]、US7024794B1[16]和7171762B2[17].其中US6237244B1和US6807748B2在(4)SELF-CLEANING中介绍.

专利US7024794B1和US7171762B2提到了一种易清洗的低噪声颗粒离心干燥机，这种干燥机内部构造和以往基本一样，工作过程与专利US4896435的基本相同，主要的不同是在颗粒出口管内装上进风过滤器，使它们成为一体.这样就可以封闭整个干燥机的上部，并避免污垢堆积.传统的空气过滤器安装在干燥机的上部，并需要安装通气管道才能连接到内部.现在不需要打开这个部分，例如在条件变化时，可以简单快速移除剩余颗粒.另外，在颗粒出口管内装上的进风过滤器可以产生最佳的逆向气流，而且这个气流比以前更缓和.其工作过程参看图2.

专利US7024794B1考虑的是机器与人的和谐发展.它是在金属构架里加上了足够厚的塑料板，这样可减小由转子和颗粒撞击筛网所产生的噪声(结构简图参看图7).专利US7171762B2则考虑的是干燥机的自清洗，它应用高压气体和高压液体完成对干燥机的清洗，这样就可以减少更换物料粒时所带来的污染.

图7 US7024794B1结构简图

(3) HIGH CAPACITY

年产80万吨的颗粒离心干燥机是Gala公司的领先产品，也是大型混炼挤压造粒机组的配套后处理设备，图8是产量为80万吨/年的颗粒离心干燥机.

图8 高产量颗粒离心干燥机(80万吨/年)[4]

(4) SELF-CLEANING

自清洗的大型干燥机，通过控制系统控制内部的高压水枪和气枪实现自清洗，清洗后满足变换颗粒颜色的需要，外形参看图9.

专利US6237244B1和6807748B2提到了一个实验室用的小型颗粒干燥机.这种小型的颗粒离心干燥机，可以在低转速下操作，而且很易清洗、适合在小型生产和实验室中使用.专利US6807748B2另外还提到当它按模型比例缩放建造，可以进行系列化生产，同样的模型可以通过放大和缩小来建造以适应不同的商业需求，其干燥室、筛网和转子参看图10.

图9 自清洗型颗粒离心干燥机[4]

图10 美国专利US6237244B1的小型干燥机[4]

3.3 国内发展情况

我国颗粒离心干燥机研制工作已经开展将近20年，研究成果比较显著，但是和国外产品仍有一定差距，下面主要三家单位颗粒离心干燥机的研究和发展情况.

(1) 兰州德瑞干燥技术有限公司

2003年我国兰州德瑞干燥技术有限公司申请了专利CN03262639.8[18]，该装置应用于聚丙烯、聚乙稀等树脂水下切粒后脱水干燥，填补了我国在这一领域的空白.该单位的控股单位天华化工机械及自动化研究设计院还在2012年主持编制了标准—《颗粒离心干燥机》(HG/T 4272-2011)[19]，该标准规定了颗粒离心干燥机的型式与命名、基本参数、要求、试验方法、检验规则及标志、包装、贮运.

虽然该公司有一定的技术创新，但是并没有给出详尽的颗粒离心干燥理论和设计依据.

(2) 北京化工大学

2007年，北京化工大学开始进行大型聚丙烯混炼造粒机组的一个子课题—大型颗粒离心干燥机的研制工作，期间在南京杰亚挤出装备有限公司的帮助下，完成了可视化实验台的建立，应用可视化实验技术和定量测试方法，开展了颗粒干燥度、产量、颗粒运动、干燥机理、停留时间、所需功率和转子结构设计等方面的探索研究[2]，并得到了相关结论，同时得到授权专利《分段式转子颗粒离心干燥机》[20].

虽然北京化工大学做了一些研究，但其对颗粒离心干燥机的基本原理和设计准则方面的研究并不充分，在颗粒特性(例如材质，形状，表面结构)对干燥效果，产量和噪声的影响并没有进行定量研究，转子的结构研究还局限于实验室级的小型设备.

(3) 南京钻意机械制造有限公司

南京钻意机械制造有限公司在2017和2018年先后得到授权6个专利(4个外观设计和2个实用新型)[21-26]，但该公司的设备还局限于小型设备.

总体上，在国内，颗粒离心干燥机的发展相对比较缓慢，理论研究还不成熟，设备还是以小型为主，还没有发展出80万吨/年的高效率大型离心干燥机.在化工大型造粒机组中，基本还是采购国外产品.

4 结 论

前述颗粒离心干燥机经过长期的发展，在化工大型造粒机组等工程中得到广泛应用，效率很好.目前市场产品为GALA公司为主，国内技术装备较为落后，急需开发具有自主知识产权的高效率高产量的颗粒离心干燥机.国内外在其基本原理和设计准则方面理论研究还不充分，为此需要继续开展相关基础研究，如分析颗粒特性(例如材质，形状，表面结构)对干燥效果，产量和噪声的影，分析大型设备产量和干燥程度这两个相互制约的指标与各结构和工艺参数的关系，从而开发高产量高效率的设备.