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悬浮法聚四氟乙烯的干燥
李盈海，赵 旭，张 毅，孙中心
(天华化工机械及自动化研究设计院，甘肃兰州730060)
摘要：介绍了悬浮法聚四氟乙烯(PTFE)旋风干燥系统的设计计算、工艺流程和工业应用情况，对工业生产具有一定的指导意义。
关键词：聚四氟乙烯；旋风干燥；设计计算；工业应用
悬浮法聚四氟乙烯(简称PTFE或F4)为白色粉状物，由四氟乙烯聚合物经捣碎、研磨、洗涤和干燥制得。洗涤后的PTFE含水量约为35%，粒径在150μm左右，必须干燥至0.04%[1]含水量以下才能满足生产要求。PTFE中所含的水分为表面水，采用一般的干燥方法即可去除。但PTFE粉料具有较强的粘附性，高温时容易结团和粘壁，受挤压后易成团，产品白度和洁净度要求较高，其干燥过程有特殊要求。
1 结构及工作原理
PTFE的干燥采用旋风干燥机，它由外筒体、内管、进风口和出风口等组成，其结构见图1。旋风干燥属于气流干燥的一种，它利用高温高速气流使湿物料分散在气相中进行传热和传质。热风夹带着湿PTFE粉料从切线方向进入旋风干燥室，沿器壁产生旋转运动，使物料颗粒处于悬浮状态。气固混合物沿器壁向下旋转运动，然后从底部封头处转而向上，经内管排出。旋转运动增大了气体和颗粒间的相对速度，增大了传热面积，从而强化了干燥过程。旋风干燥机的筒体上设有蒸汽夹套，外筒体设计为锥形，以加速气流旋转，强化传热，减少粘壁。 2 设计计算 PTFE干燥系统中有旋风干燥机、空气过滤器、旋风分离器和加热器等众多设备，计算较为复杂，下面只列出主要设备的计算方法。首先根据生产要求和物性参数进行热量和质量衡算，计算出干空气的流量，然后据此确定干燥系统主要设备的参数。
2.1旋风干燥机
⑴下直径：  。其中D1为下直径，m；u1为下直径断面气体速度，一般取1.5~3m/s；Vg为热风的平均流量，m3/s。 ⑵干燥器高度： 其中τ为干燥时间，s；F1为干燥器底部面积，m2；V为干燥器的体积，m3；H为干燥器高度，m；Vg同上。
⑶上直径：D=D1+0.05H。
⑷中央管直径： 其中d为中央管直径，m；u2为中央管内气体速度，一般取20~23m/s；Vg同上。
2.2旋风分离器
因PTFE粉料的直径较大(150μm)，故采用旋风分离器即可有效回收。旋风分离器筒体直径的计算式为 其中D为旋风分离器筒体直径，m；Q为旋风分离器的处理气量，m3/h；Ka为进风口高度与筒体直径的比值，一般取0.5；Kb为进风口宽度与筒体直径的比值，一般取0.25；u为进风口风速，m/s。
2.3空气过滤器
空气过滤器使用一段时间后会因为积灰阻力变大，通过的风量减小，故选用的过滤面积应稍大。过滤面积的计算公式 其中，Qa为通过过滤层的空气流量，m3/h；q为透气率，一般按4000～8000m3/(m2·h)计算。
2.4换热器
PTFE干燥系统中的加热器和冷却器均采用翅片管换热器。设计计算时先根据冷热流体的进出口温度计算出温度系数，根据温度系数在散热排管特性曲线图中选取合适的迎风速度，计算出排管的迎风面积 其中Af为排管的迎风面积，m2；Gv为标准状况下的空气体积流量，m3/h；u为迎风速度，m/s。
根据迎风面积选取合适的散热排管，查出散热面积Aa，即可求出所需管排数 其中Aa为单排管的散热面积，m2；K为排管的传热系数，W/m2·℃；△t为对数平均温差，℃；Q为换热量，W。
3 工艺流程
PTFE旋风干燥系统具有操作环境良好，进出料自动连续，产品洁净和温度低等特点，其流程见图2。一路空气经过加热、净化后进入文丘里1，产生负压抽吸，将湿物料吸入风管。热风携带物料进入旋风干燥机进行干燥。干燥后的物料随气流进入旋风分离器进行回收。另一路空气经净化、冷却和除雾后，进入文丘里2，将旋风分离器1回收的物料吸入风管进行冷却。冷却后的物料经旋风分离器3收集后成为产品。旋风分离器2和旋风分离器4回收的物料极少。
由于PTFE物料的特殊性质，干燥机内不能堆积物料，设备内壁均进行抛光（粗糙度为0.2μm），设备和管道的连接处无锐角，风管转弯处采用大曲率半径。
3.1干燥/冷却介质的净化
PTFE的生产厂房为洁净厂房，应符合GMP（Good Manufacturing Practice）标准，要求干燥介质必须达到一定的洁净等级。因此热风、冷风均采用多级净化。
在热风段，外界空气先经初效、中效空气过滤器过滤，然后经加热器加热。加热表面会有积灰或产生氧化物脱落，因此过滤器必须能够承受高温。热风经高温高效过滤器过滤后作为干燥介质。耐高温高效过滤器是用超细玻璃纤维作滤料，铝膜做分隔板，不锈钢做框架，采用进口耐高温密封胶装配而成，可在250℃的环境中长期使用，对0.3μm尘埃的过滤精度≥99.99%。
在冷风段，外界空气先经初效、中效空气过滤器过滤，然后经冷却器冷却，经除雾器除去冷凝水，然后再经高湿高效过滤器净化，作为冷却介质。高湿高效过滤器采用特殊防潮超细玻璃纤维纸作滤料，特制的胶板纸作分隔板，与铝合金框装配而成，可在相对湿度为100%的环境下长期使用，对0.3μm尘埃的过滤精度≥99.99%。
3.2物料冷却及包装
干燥后的PTFE一般在90℃左右，若直接包装会因物料温度高而产生冷凝水，造成物料结块，影响加工性能。用冷冻盐水将外界空气冷却至10℃左右，然后用除雾器除去凝结水后作为冷却介质。经冷风冷却后物料温度在25℃左右，非常疏松，有利于包装、堆放和后序加工。
3.3进出料机构
干燥系统的进料采用文丘里加料器。文丘里设计不合理时会造成进料口正压，发生堵料现象。PTFE干燥系统采用的文丘里经过特殊设计，气固混合均匀，进料通畅，保证了系统的连续运行。
出料采用回转卸料阀时，会导致润滑油污染物料，而且转子与内壁摩擦时会产生很多团状、块状的废料，影响产品的性能。我们通过试验研究，开发出了新型的自动式翻板阀，可以实现密封与连续自动下料，而且几乎没有废料产生。
3.4控制系统 PTFE干燥系统采用PLC（可编程控制器）进行控制，同时增加了两个连锁保护：一是电加热器和风机连锁以保护电加热器不致过热，一是冷凝器调节阀和风机连锁防止冷凝器冻结。冷风、热风引风机均采用变频调速，增加了系统的可调性。
4 应用情况
2001年5月，1000吨/年悬浮法PTFE旋风干燥系统顺利开车后投入了工业化生产，产量已超过200kg/h，产品湿含量在0.02%以下。2003年4月开始，新设计的3000吨/年PTFE二期干燥系统顺利开车，运行良好。
参考文献：
[1]化学工业部合成树脂及塑料工业科技情报中心站.化工产品手册.合成树脂与塑料[M].北京：化学工业出版社，1987.
[2]潘永康，王喜忠等.现代干燥技术[M].北京：化学工业出版社，1998.
[3]《化学工程手册》编辑委员会.化学工程手册[M].北京：化学工业出版社，1989.
[4]刘广文.喷雾干燥实用技术大全[M].北京：轻工业出版社，2001.
[5]姚玉英.化工原理[M].天津：天津科学技术出版社，1995.
Drying of suspension PTFE
LI Ying-hai，ZHAO Xu，ZHANG Yi，SUN Zhong-xin
(Tianhua Research Institute of Chemical Machinery&Automation,Lanzhou,730060,China)
Key words：PTFE；yclone dryer；design calculation；application
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