高分子材料工厂工艺设计 第4章 设备选型和计算

常用塑料的ε。
塑料名称 硬聚氯乙烯（粒料） 硬聚氯乙烯（粉料） 软聚氯乙烯（粒料） 软聚氯乙烯（粉料） 聚乙烯 聚苯乙烯 纤维素塑料 压缩比ε 2.5（2~3） 3~4（2~5） 3.2~3.5（3~4） 3~5 3~4 2~2.5（2~4） 1.7~2 塑料名称 聚甲基丙烯酸甲酯 聚酯 聚丙烯 ABS 聚酰胺（PA6/66） 聚酰胺（PA11） 聚酰胺（PA1010） 压缩比ε 3 3.5~3.9 3.7~5（2.5~5） 1.8（1.6~2.5） 3.5/3.9 2.8（2.6~4.9） 3
• 螺带式混合机
需要加热或冷却的场合，可配置夹套
卧式螺带混合机适应于粉体-粉体、粉体-胶浆液 的混合，特别适应粘稠的物料混合。
• 捏合机 适用于固态物料（非润性）和固液物料（润性）的混合。 是对高粘度、弹塑性物料的捏合、混炼、硫化、聚合的理想设备。
• 高速混合机
适合对固-液、固-粉、粉-粉、粉-液进行高 效的均匀混合 出料阀：球阀、蝶阀，闸板阀可供选择
4.2 设备选型的原则
4.2.1 设备的分类 1、通用设备（标准设备、定型设备） • 通用设备 是指用于1个以上行业的设备。 • 标准设备 指在类型、规格、性能、尺寸、制图、公差和配合、技术文件编号 与代号、技术语言、计量单位以及所用材料与工艺设备等，都按统一标准制造 出来的机械设备。 标准设备的适用范围一般大于通用设备。标准设备目录由国家机械工业部门 编制颁布。 • 定型设备 是指按标准规范系列生产的，按产品的标准系列选型的，不用装置 的设计单位去做设备设计、再让设备生产厂家按你的设计去制造的的设备。 • 如：泵、风机、冷冻机、过滤机、离心机、搅拌器、压缩机等
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3、非标设备
工艺人员提出设计条件，由设备专业人员进行设计
• 非标设备 就是非标准设备，不是按照国家颁布的统一的行业标准和规格制造 的设备，而是根据自己的用途需要，自行设计制造的设备。且外观或性能不 在国家设备产品目录内的设备。 如：容器 (中压、低压、高压)、换热器、塔器、干燥设备、搅拌设备和除 尘设备等。
【例4-2】以例3-3为基础数据，选择挤出造粒机。 解： 根据物料衡算得知，挤出造粒量为2312.9吨/年，年工作时间为250天，每天连续工作8h，机器启 动预热时间30min 所以，每天实际生产时间为：7.5h
欧美等国应用的比例：
平膜、片材 发泡材 电缆 配混(双级机) 异型材 吹膜 单丝
10% 30%~40% 100% 10% 20% 100% 100%
同向双螺杆挤出机
优点： ① 生产能力大，在相同螺杆直径下，双螺杆产量能达到单螺杆的2~4倍。 ② 能耗低，双螺杆单位能耗仅为单螺杆的1/3~1/2左右。 ③ 产品质量好，双螺杆的塑化、混炼性能好，在保证产品强度的条件下，原 材料消耗下降约1/4~1/5。 缺点：价格高，相同螺杆直径下，双螺杆初投资高于单螺杆70%~300%， 欧美国家应用的比例：
设计：根据工艺计算，提出设备型式、材料、尺寸和其他要求，需要时应 绘出设备条件图，再经过机械计算，绘出设备图，由相关工厂制造。
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高混合机的选择 配料 →初混合→分散混合 初混合（非分散混合）：搅动、翻转、推拉 分散混合（混炼）：剪切力、挤压力
高分子材料工厂工艺设计
第四章 设备选型和计算
贺燕 教授
工厂基本建设过程
1. 设计前期（项目建议、可行性研究、任务书） 2. 初步设计 3. 施工图设计 4. 施工、试车、验收 1. 工艺流程设计 2. 工艺计算（物料与热量计算） 1. 厂址选择 2. 总平面设计 3. 工艺设计
我们所在的位置
3. 设备的选型与设计
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选型
• 通用的设备选择：根据工艺要求，计算特征尺寸，查阅相关产品目录或样本 手册(列出规格、型号、基本性能参数和厂家)，选择合适设备型号。 2、专用设备 协商选型 • 专用设备 是指专门针对某一种或一类对象，实现一项或几项功能的设备或机 组。 • 优点：效率特别高，适合于单品种大批量加工。 • 专业性强，加工技术性强，对机械性能及材质要求高，一般都是由专业厂家 生产。 • 专用设备的选择：选主机型号后，辅机型号。由生产厂家列出所有的、详细 的辅机名称、数量及其规格型号或技术参数清单，并对主要设备进行生产能力 和能量核算。
5. 螺杆长径比（L/D）的选择
螺杆长径比是螺杆挤出机规格的标志。L/D与挤出物的质量有直接关系。 L/D大，聚合物机内停留时间长，物料塑化、混合、均化更充分完善，从而提高了产品质量。 L/D过大，使功率消耗增加，螺杆、机筒制造困难，造价也高。L/D有逐渐增大的势头。
对热敏性塑料就适宜选用较小的长径比。
双螺杆的D与产量
G=βD3n
用于混炼造粒的同向双螺杆配混挤出机应用范围：
• 配方或试验螺杆直径D=30~60mm；
• 预塑混炼螺杆直径D=100~400mm； • 造粒螺杆直径D=90~600mm。 用于成型加工的异向型双螺杆挤出机应用范围： • 异型材，螺杆直径D=60~90mm； • 大、中型管或板材，螺杆直径D=90~300mm。
不同塑料品种对长径比的要求
不同机型的长径比大致范围是：
单螺杆挤出机L/D=20~33； 排气式挤出机L/D=25~45（1~3个排气口）；
普通双螺杆挤出机L/D=16~22；
配混造粒双螺杆挤出机L/D=9~42 。
双螺杆的L/D=10左右，即可达到单螺杆 L/D=20左右的混炼、塑化效果。
塑料名称 UPVC RPVC PE PP ABS PS PA POM
4. 螺杆转速的选择
螺杆转速产量的唯一变量。 螺杆转速直接影响机器的生产率、挤出物质量、性能、功率消耗以及机器结构和设备成本。 转速过高产品质量会降低，可用提高机头压力的方法来补救。 对热敏性塑料或易分解的树脂，为防止剪切过热，应取较低转速。 不同机型的转速应用范围： • 单螺杆挤出机转速4~100 r· min-1，工作转速选用60 r· min-1较为理想； • 同向双螺杆挤出机转速 150~500 r· min-1，以300 r· min-1居多； • 异向双螺杆挤出机转速一般小于45 r· min-1， • 反外向双螺杆配混挤出机最高转速可达100~390 r· min-1。 不同塑料、树脂加工时所需要单转速。 加工聚乙烯的单螺杆挤出机 G/n=1（kg· h-1）/（r· min-1） 加工聚氯乙烯的异向双螺杆挤出机 G/n=1.6~3（kg· h-1）/（r· min-1） 加工聚丙烯、聚苯乙烯同向双螺杆挤出机 G/n=l~1.5 （kg· h-1）/（r· min-1）
设备工艺设计的主要完成的工作内容：
1．结合流程确定化工单元操作所需设备类型；
2．确定设备材质； 3．确定设备的设计参数； 4．确定标准设备的型号和台数； 5．确定标准图的图号和型号；
6．非标设备，向(机械设计)专业提设计条件；
7．汇总列出设备一览表。 8．同设备专业设计人员进行图纸会签。
表4.1 工艺设备一览表
高速混合的工艺操作要点
①加料量 在保证物料温度的前提下，合适的加料量有利于混合效率的提高。 加料量应控制在混合室容积的50~70%。 ②加料顺序， 通常为树脂→稳定剂（尽早发挥稳定作用）→皂类润滑剂（充分渗入树脂）→ 蜡类外润滑剂→填料 • 混合机组
某混料工段
【例4-1】以例3-3为基础数据，选择冷混机。
初混合是在聚合物熔融温度以下和较低的剪切应力作用下进行的一种简单混合。
初混合的设备主要有： • 转鼓式混合机，只能用于非润性物料； • 螺带式混合机，兼用于非润性和润性物料； • 捏和机，兼用于非润性和润性物料；
• 高速混合机，兼用于非润性和润性物料。
•
转鼓式混合机
• 转鼓外形改变，可改善了机内的粒子 运动状况，增强了混合能力，视物料 及过程要求不同，机内可加装破碎装 置、加液装置或挡板。 • 用于轻度混合情况，机内有效容积大， 易于清洗，适于细粉或磨料混合。
解：
聚氯乙烯密度粉料的表观密度0.45 g· cm-3，冷混机的物料量为2320t，年工作 时间为250天，每天工作8h，混合周期15min 所以冷混机的每天混料量为：2320÷250=9.28t· d-1 9.28t· d-1÷0.45 g· cm-3≈20622.22 dm3 ≈ 20623dm3 每天最多可冷混批次8×60/15=32批次， 考虑到意外情况发生，每天混料批次为28 采用进一制！！ WHY？
L/D 16~22 12~18 22~25 22~25 20~24 16~22 16~22 15~25
6. 压缩比（ε）
螺杆压缩比为螺杆加料段第一个螺槽容积和计量段最后一个螺槽容积之比。 • 难加工的塑料，一般选用ε=3.5~4； • 难熔的塑料，一般选用ε不大于1.8； • 粉料，一般选用ε=4~5； • 粒料，一般选用ε=2.5~3。
管材 100% 80% 60%~70% 90% 90% 100% 异型材 发泡材 板材 平膜片材 造粒
工程塑料的共 混改性、填充、 增韧、增强。
3. 螺杆直径（D）的选择
D是螺杆挤出机的重要技术参数之一，是挤出机规格大小的表征。 单螺杆挤出机产量与螺杆直径的经验关系式:
G，产量kg· h-1； D，螺杆直径cm； n，螺杆转速r· min-1； β，0.003~0.007
选择三步法：挤出机类型的选择→螺杆形式的选择→主要技术性能
2. 挤出机类型的选择 单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、多螺杆或无螺杆挤出机
普通型单螺杆挤出机 优点：易操作、造价低 缺点：混合、分散和均化效果差，滞留时间长而分布广，物料温差大（指同 一断面处）和难以吃粉料等不足之处。
适用：一般性造粒和塑料制品的加工。
每批次最少混合20623÷28≈723.6 dm3· B-1