乙交酯干燥设备的结构设计与工作原理

纪佳伟 窦 岩 令永功 海 刚 米 超

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司)

随着碳中和与碳达峰概念的提出，我国对普通塑料的使用限制越来越高，禁塑令的下达让传统塑料的应用条件越来越严格。 目前，大多数可降解塑料，无论是生物降解还是光降解，其每吨价格动辄2万～3万元，非常不利于全民推广，因此急需找到一种价格低廉、性能优良的可降解塑料进行替代。

聚乙醇酸（Polyglycolic Acid，PGA）也称聚乙交酯，具有良好的生物降解性和较高的机械强度，是一种极具应用潜力的合成高分子材料。 在乙二醇联产工艺中， 由草酸二甲酯与氢气反应生成乙醇酸甲酯， 再由乙醇酸甲酯脱醇生成乙醇酸甲酯低聚物，解聚反应后生成乙交酯，乙交酯再经过开环聚合后便可得到高分子量的PGA。 在此生产过程中， 乙交酯的纯度对PGA的分子量具有非常重要的影响，为此笔者设计了一种乙交酯干燥设备，通过对乙交酯进行干燥提纯， 为后续乙交酯的开环聚合创造条件，达到提高PGA产品质量的目的。

1 结构设计

笔者设计的乙交酯干燥设备结构示意图如图1所示。 其上部为两级料仓，料仓Ⅰ具有搅拌功能，可以防止湿料沉积粘结，料仓Ⅱ中保持合适的料位以保证真空系统的真空度；料仓Ⅱ下布置有螺旋进料器（保证物料均匀进料）和球阀（具有及时停止进料的作用）， 用于将料仓和卧式双轴干燥机进料端相连。 物料进入干燥机中依次经过耙齿区和桨叶区进行逐步干燥， 经U形结构保证足够的停留时间后逐渐由排料板排出设备进入缓冲罐； 干燥机上部布置4组布袋除尘器以达到清洗尾气和回收溶剂的作用；缓冲罐通过行星卸料阀连接到出料仓，出料仓上端连接布袋过滤器用于过滤干燥后的物料粉尘。

图1 乙交酯干燥设备结构示意图

1.1 卧式双轴干燥机

卧式双轴干燥机（图2）主要由壳体、端盖、夹套、传动链轮、搅拌轴和叶片组成。 干燥机的第一搅拌系统设于壳体内的一侧，包括进料轴、进料刮刀、桨叶和耙齿；进料轴与壳体连接，桨叶和耙齿设于进料轴上，进料轴、桨叶和耙齿的内部为中空结构，并填充有加热介质；进料刮刀设于进料轴的一端。 第二搅拌系统设于壳体内的另一侧，包括出料轴、出料刮刀、桨叶和耙齿；出料轴与壳体连接，桨叶和耙齿设于出料轴上，出料轴、桨叶和耙齿的内部为中空结构，并填充有加热介质；出料刮刀设于出料轴的一端。

图2 卧式双轴干燥机结构示意图

在实际工作中，首先需要对卧式双轴干燥机进行抽真空操作。 进料轴和出料轴开始搅拌后，物料从进料口进入，进料刮刀可防止物料停留在壳体一端的端盖上，同时在进料轴前端耙齿的搅拌作用下，物料逐渐进入桨叶区，桨叶上分布有方向性的非金属刮板从而推动物料前进，物料在桨叶区进行充分预热，当物料随耙齿转动到进料轴后端的耙齿时，在出料刮刀的作用下进入出料轴侧进行二次干燥，并继续随着出料轴的转动到达出料口，以此形成物料的U形行程。

1.2 料仓

料仓（图3）主要由筒体、端盖、搅拌桨、密封气室和传动系统组成。 筒体底部为倒锥形，可防止湿料堆积； 低速搅拌的桨叶可使排料速度稳定，保证均匀出料。 底部密封气室将动密封转换成静密封，可极大地提高密封效果。 在实际工作中，湿料由上游设备进入料仓内并堆积到一定的料位，形成料封，以保证下游真空系统的真空度。

图3 料仓结构示意图

1.3 螺旋进料器

螺旋进料器（图4）主要由传动系统、端盖、螺旋轴和筒体组成。 合理地均布螺旋叶片可以在保证物料出料速度稳定的同时不会卡阻。 一对相向旋转的螺旋轴可以充分地对物料进行推动。 非传动端压盖可将轴间动密封转变为静密封，提高密封效果。

图4 螺旋进料器结构示意图

2 工作原理

整套乙交酯干燥设备的工作原理为：来自上游的乙交酯通过上游设备进入料仓，料仓设置刮料轴将物料均匀送入干燥机的给料装置，物料经过给料装置后进入真空连续干燥机内，乙交酯在干燥机内与通有热水的叶片充分接触干燥，使物料中的湿分被不断被蒸发，完成干燥后的乙交酯从干燥机入口向出口方向运动，当物料到达干燥机出口时成为溶剂含量小于2 000ppm （1ppm=0.001‰）的产品；产品从干燥机下料口进入一级出料仓并通过一级旋转阀进入二级出料仓，再经二级出料仓的旋转阀后进入下游气力输送入口。干燥尾气经布袋除尘器净化后通过一级真空泵组和文丘里洗涤器进入尾气处理系统，尾气经过文丘里和洗涤塔的二级洗涤后利用两级换热器对尾气进行二次冷却，冷却后的尾气和少量溶剂通过真空泵排出，最后进入后续处理系统。

3 单元设备

3.1 给料装置

给料装置主要由含刮板的料仓、料仓出口球阀、 含刮板的螺旋输送机及其出口球阀等组成，其主要作用是控制调节干燥机入口乙交酯的给料量。

3.2 出料仓单元

出料仓单元由两级料仓、行星卸料阀和球阀组成，其主要作用是存放干燥后的乙交酯。 每套干燥设备的物料出口设置两个出料仓，控制料位形成料封后保证设备的连续使用。 为保证干燥机的负压状态，在料仓Ⅱ顶部进行抽真空，使真空度为2 kPa。出料仓单元的两台料仓出口均设置一台球阀，可切换使用保证料仓间断进出料。

3.3 尾气处理单元

尾气处理单元主要由布袋除尘器、真空泵组等组成， 其作用是回收干燥尾气带出的粉尘、净化尾气，同时回收溶剂。 从干燥机尾部排出的载气、溶剂蒸气和乙交酯粉尘被真空泵组抽吸到布袋除尘器内进行气固分离。 净化后的载气、溶剂蒸气经真空泵组后被冷凝器冷凝，使溶剂蒸气变为液相，剩余尾气进入系统回收单元。

3.4 干燥设备

干燥设备的主要作用是干燥乙交酯中的溶剂。 来自热水供应单元的40 ℃热水由两根热轴和壳体夹套进入干燥设备，通过间接换热的方式加热物料，从而使物料中的溶剂挥发。 经过换热后的热水回到热水罐中循环使用。

来自给料装置的湿物料连续加入真空干燥机内，热源通过干燥机空心热轴和夹套将热量传递给物料，物料温度升高，物料内的溶剂受热蒸发，使乙交酯干燥，在热轴的带动下，湿物料与加热面不断更新，物料得到最大限度地混合、干燥，最终固体从干燥机侧部排出，进入出料仓单元。

3.5 热水单元

热水单元主要由热水罐、水泵等组成，其作用是为干燥机供应热源。 来自公用工程的蒸汽通过调节阀门进入热水罐，加热后变成热水，热水经过水泵参与到干燥机的干燥过程中，换热后回到热水罐。 该单元根据热水温度调节阀门开度，使热水温度始终保持在40 ℃。

3.6 安全保护单元

在干燥过程中，控制干燥机在-500 Pa（入口压力的负压条件下运行， 既可防止粉尘外漏，又可提高装置运行的安全性，适用于干燥危险性或爆炸性的介质。

在干燥过程中， 控制干燥机温度保持在40 ℃，防止乙交酯超温。 在干燥装置正常运行时，严禁对运行设备尤其是布袋除尘器等设备进行在线检修，设备的人孔、观察孔及设备可拆盖等均不允许打开， 防止空气进入装置从而引发闪爆事故。

4 结束语

笔者设计了一套乙交酯干燥设备，介绍了设备的工作原理，该设备具有处理量大、进出料稳定和干燥效果好的优点。 经实践验证，该设备运行稳定，产品质量好，可为后续乙交酯的开环聚合创造条件。此外，该设备可应用于PLA等多种可降解塑料的聚合前处理，应用范围广泛，具有一定的市场推广应用价值。