聚乙烯装置挤压造粒单元设备布置优化研究

林斌斌

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

聚乙烯简称PE，是以乙烯为聚合单体制得的一种热塑性树脂，是世界上应用量最大的合成树脂品种之一。聚乙烯具有耐腐蚀性强、化学稳定性好、电绝缘性优良、无毒、无臭等诸多优点，广泛应用于农业、电气电子、机械和日用品等生活的各个方面[1]。

挤压造粒单元属于聚乙烯装置的核心单元之一，其占地面积大，设备系统复杂，投资成本高。其设备布置的优劣直接影响管道布置的合理性和经济性，影响装置的投资效益。国内外诸多学者对聚乙烯装置的流程和布置进行了大量的研究，已有了较为成型可靠的布置方案，但是大部分都集中在整个挤压造粒厂房的布置，或者整个挤压造粒机机组的宏观层面研究上，很少有专门针对切粒水箱和水泵布置的相关研究文献。

本文以国内某30 万吨/年线性低密度聚乙烯装置为研究对象，通过介绍挤压造粒工段的组成和工艺流程，根据其布置要求和特点，优化布置方案，在不增加挤压造粒厂房面积的前提下，将切粒水箱和水泵从室外布置优化至室内布置，并从占地面积、经济效益等多方面对新旧方案进行论证分析，详细阐述两种方案的优缺点。

1 挤压造粒单元组成和工艺流程

挤压造粒单元是一个复杂的综合体，内部包设备众多，是装置内最大的建筑物，主要包括挤压造粒系统、粉料缓冲料仓、添加剂喂料系统、风送系统、配套的公用工程系统等。其中挤压造粒系统主要包括挤压造粒机本体及其相关辅助设备，切粒水箱和水泵等相关设备，粒料干燥及筛选设备，热油系统等。

挤压造粒系统的主要工艺流程如下：原粒树脂和添加剂由混炼机料斗靠重力加入到混炼机，在混炼机中熔融、混合。熔融树脂经熔融泵升压后，通过筛网筛除其中的杂质和未熔融塑化好的部分，然后进入水下切粒机的模头。树脂在水下从模板挤出，被刀片切成颗粒，自水下切粒机出来的树脂颗粒和切粒水的混合物送往脱块器分离出树脂颗粒中块状物，然后送到离心式颗粒干燥器。从干燥器出来的树脂颗粒经粒料分级筛脱除较大尺寸颗粒后送往后续树脂处理单元。

切粒水在脱块器和干燥器中与树脂颗粒分开，流回到切粒水箱，经切粒水泵加压并通过切粒水冷却器冷却后，回到水下切粒机循环使用。

2 设备布置

项目设计过程中设备布置是否合理直接影响着管道设计和操作的合理性，生产过程的安全性以及项目的成本控制等方面。设备布置应在满足工艺流程要求和安全设计的基础上，尽量做到经济合理，占地紧凑、整齐美观，满足安全、环保、健康等法律法规要求[2]。设备布置要充分考虑施工场地的要求，预留充裕的空间，对于挤出机等大型设备要考虑吊轨，方便检修，满足安装、施工、维修、操作等方面的需求[3]。合理的设备布置有利于减少厂房的建筑面积和高度，同时减少管道布置的难度，从而减少投资成本，提高产出投入比[4]。

挤压造粒单元主要由多个包设备组成，宜采用集成式布置，尽可能地将相关设备集中布置，方便将来设备的操作、检维修及管道布置。本论文中挤压造粒单元原始的设备布置方案简称A 方案，优化后的方案简称B 方案。

2.1 A 设备布置方案

A 方案挤压造粒单元主要由挤压造粒厂房和厂房外的热油系统、切粒水箱和切粒水泵组成。挤压造粒厂房是四层混凝土框架式封闭建筑物，底层放置挤出机本体及辅助设备、部分粒料输送设备、机柜间和变配电室等、具体如图1 所示。二层放置粒料计量器，减温减压器，袋式过滤器，部分添加剂设备。三层放置预脱水及大块捕集器、离心干燥机、振动筛、部分添加剂设备。四层放置旋风分离器、除湿风机、部分添加剂设备。屋顶放置树脂缓冲料仓和吸附设施。挤压造粒厂房的特点是底层设备多，设备布置紧凑，而上层设备相对较少，故将切粒水箱和水泵布置在室外，以减少建筑面积。

图1 A 方案挤压造粒单元底层布置图Fig.1 The bottom equipment layout of extrusion granulation for A design

2.2 B 设备布置方案

B 作为A 的优化方案，采用相同的聚乙烯技术和挤压造粒机组，其挤压造粒单元主要由挤压造粒厂房和厂房外的热油系统组成。挤压造粒厂房同样是四层混凝土框架式封闭建筑物。底层放置挤出机本体及辅助设备、切粒水泵、部分粒料输送设备，机柜间和变配电室等，具体如图2 所示。二层放置切粒水箱、粒料计量器，减温减压器，袋式过滤器，部分添加剂设备。三层、四层及屋顶的设备布置与A 方案基本一致。将图1 和图2 进行对比分析，可以明显看出，B 方案和A 方案的主要区别是在不增加挤压造粒厂房面积和层数的前提下，充分利用二层厂房的空间将切粒水箱优化至厂房二层，切粒水泵优化至厂房底层布置，其他设备布置基本一致。

图2 B 方案挤压造粒单元底层布置图Fig.2 The bottom equipment layout of extrusion granulation for B design

3 A、B 方案对比分析

3.1 A 方案优势分析

B 方案切粒水箱放置于挤压造粒厂房二楼西南侧，具体如图3a 所示，由于同楼层内放置添加剂相关设备，其要求环境设计相对湿度夏季≤72%，冬季≤60%，但是水箱不可避免地会有水雾溅出，房间湿度相应增加，进而对添加剂产生不利影响。所以水箱宜采用单独空间布置，与添加剂设备隔绝。此方案需要增加三面砖混围墙，从而增加土建方面的成本，金额大约是10 万人民币。而A 方案切粒水箱直接放置于室外地面上，二楼无其他导致湿度增加的设备，具体如下图3b 所示，所以不存在此类问题。从土建成本方面考虑，A 方案更有优势。

图3 A、B 方案挤压造粒厂房二层设备布置图Fig.3 The second floor equipment layout of extrusion granulation for A and B design

3.2 B 方案优势分析

3.2.1 占地面积方面

挤压造粒单元的占地面积主要由厂房和室外设备占地面积组成。A 方案和B 方案的挤压造粒厂房尺寸均为43 m×33 m，热油系统框架尺寸均为11 m×7.5 m，主要区别是切粒水箱和水泵的占地面积，各方案具体占地面积如表1 所示。从表中可以明显地计算出B 方案占地面积较A 方案节约78 m2，对于用地规划紧张的装置，B 方案具有重要的应用价值。

表1 各方案占地面积Tab.1 The floor area of each design

3.2.2 气候影响方面

本装置所处的地区位于我国淮河以北，历年平均气温10.9～ 12.3 ℃，极端最低气温-18.3 ℃，最冷月平均气温-4.9～ -2.0 ℃。切粒水箱和水泵中存储的介质主要是水，室外温度低于零度时，水就有凝结成冰的可能性，尤其是极端天气下，室外的含水设备和管道就有冻坏的风险。A 方案因为水箱和水泵放置于室外，风险相对而言比较大。为了解决此类问题，需要为相关设备和管道增加各种保暖防冻措施，比如添加保温层、进行蒸汽伴热或电伴热等，这些措施会持续消耗公用工程资源，增加投资和运行成本。而B方案将水箱和水泵放置室内，室内温度远高于水的凝固点，即使极端天气下，也可以避免此风险，无需保温，节省了投资和运行成本。

3.2.3 管道柔性方面

含树脂颗粒的切粒水经过脱块器和干燥器，与颗粒分离后流回到切粒水箱循环使用。流回切粒水箱的主管道管径是DN 500，内部充满切粒水，A 方案水箱放在室外地面层，而脱块器和干燥器均放置在三层，不可避免地产生15 m 左右的高差，导致管道产生较大振动，并对水箱产生巨大的冲击力，管道和水箱有损坏的风险。为了使管道具有较好的柔性，减少水线冲击力，管道需要刻意弯曲，增加部分水平段和弯头，如下图4a 所示，同时为了减少振动，还需要增加部分减振支架和弹簧支架。这些措施虽然有效地解决了管道振动和冲击力大的问题，但无形中增加了管道局部阻力，增大了压降，导致管道有堵塞的风险，安全性变差，且减振和弹簧支架的添加也增加了项目成本。B 方案水箱放置在二楼，将缩短10 m 左右的高差，如下图4b 所示，较大地减少了水线冲击力，避免了管道振动的风险，安全性提高，且节约了管道的长度和减振、弹簧支架。

3.2.4 管道成本方面

不同的设备布置方案往往具有不同的管道布置方案，从而影响管道长度和弯头数量，直接影响管道的投资成本。表2 列出了A、B 方案设备布置涉及到的主要管道数量及其费用，由于此类管道都是304类型的不锈钢，价格比较高，所以更具有经济意义。从表中可以看出，A 方案涉及的管道总量是133 m，总价是157 825 元，B 方案涉及的管道总量是134 m，但大口径管道数量减少，并且节省了支架材料和保温伴热材料，总价是122 865 元，虽然管道用量相似，但B 方案具有明显的成本优势，节省了34 960 元的管道及辅料成本，更具有应用价值。

表2 各方案主要管道和辅料费用对比Tab.2 The cost comparison of main piping and support materials for each design

4 结论

综上所述，虽然A、B 方案各有优劣，但优化后的30 万吨/年线性低密度聚乙烯装置具有明显的优势，在满足工艺和检维修要求的基础上，首先是布置更紧凑，节省了占地面积，节约了投资成本，而且优化了管道流程，减小了水线冲击和管道振动，并避免了切粒水箱和水泵被冻坏的风险，对于我国北方地区的装置或占地面积要求苛刻的装置更具有实际意义。本文从多方面对比分析了A 和B 两套方案，具体阐述了两套方案的优劣，论证了优化方案的优势，希望对今后类似的工程设计有所帮助。