年产10万吨PP-R管材工 艺初步设计.doc
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摘要
本次设计生产10万吨PP-R成型管材采用单螺杆挤出机挤出成型。
同时本设计对其原料配方、工艺流程、设备选型等进行了重点叙述。
从选址到选材都经过了全面的调查筛选,以达到经济合理性。
首先确定其工艺参数,然后通过物料衡算来选择与之匹配的生产设备,以及设计相应的机头模具,其次进行能量衡算,公用工程设计,以及经济核算,最后绘制工艺流程图、生产流程图、平面布置图以及挤出机设备图。
关键词:
PP-R;挤出机;工艺流程;挤出成型
Abstract
Thedesignandproductionof100000tonsofPP-Rformingpipeextrusionsinglescrewextruder.Abouttheformulamaterials,process,equipmenttypeselectionofthedesignareemphaticallydescribed.Inordertoachieveeconomicrationality,Thatthelocationandmaterialhadbeenpassedthroughthesystemcomprehensivesurveyofscreening.Firstmakesuretheprocessparameters,andthroughthematerialbalance--choicetomatchproductionequipment,anddesigncorrespondingwithmoldatthesametime,seconddesigntheenergyofcalculation,publicengineeringandeconomicaccounting,finallydrawprocessflowdiagram,productionflowchart,thefloorplanandextruderwithdrawing.
Keywords:
PP-R;screwextruder;process;equipmentselection
i
目录
第一章前言 -1-
1.1PP-R管简介 -1-
1.2聚丙烯管材的简单介绍 -1-
1.3PP-R管在国内的发展与现状 -2-
1.4PP-R管的特性与应用简介 -3-
1.4.1应用特性 -3-
1.4.2应用范围 -4-
1.4.3物理力学性能 -5-
第二章PP-R管的生产配方与工艺设计 -7-
2.1生产配方 -7-
2.2PP-R管的生产工艺过程 -7-
2.2.1分析选择生产方法 -7-
2.2.2工艺条件 -8-
2.2.3工艺流程图 -9-
2.2.4工艺过程简单介绍 -9-
第三章物料衡算 -12-
3.1设计任务 -12-
3.2物料衡算 -12-
3.3水量消耗 -13-
3.4电量消耗 -14-
第四章热量衡算 -15-
4.1选择热量衡算方法 -15-
4.2热量衡算的计算 -15-
第五章设备的计算与选型 -16-
5.1设备选型 -16-
5.1.1设备选型的原则 -16-
5.1.2主要设备介绍 -16-
5.2挤出机的选型 -17-
5.3机头的选型 -18-
5.4辅机的选型 -20-
5.4.1混合设备 -20-
5.4.2上料装置 -20-
5.4.3成型后辅机选型 -21-
5.4.4破碎机选型 -22-
第六章工厂平面布置 -23-
6.1工厂平面布置的原则 -23-
6.2车间布置的原则 -23-
6.2.1生产车间安全防火制度 -23-
6.2.2车间文明生产规章制度 -24-
6.3工厂平面布置思路 -24-
6.3.1厂址的选择 -24-
6.3.2安全与工业卫生 -24-
6.3.3总图布置与设计 -24-
第七章工程设计概算及经济评估 -25-
7.1工程设计概算的内容 -25-
7.2经济评估 -25-
7.2.1预计产品成本 -25-
7.2.2经济合算 -25-
7.2.3经济分析 -26-
7.2.4单位量PP-R管材成本预算 -26-
总结 -27-
参考文献 -28-
致谢 -29-
-ii-
第一章前言
1.1PP-R管简介
PP-R管又叫三型聚丙烯管,是目前为止家装工程中使用最多的一种供水管道,它也广泛应用于各种生产及运输行业,通过使用无规共聚聚丙烯挤出成管材,注塑成管件。
PP-R管是欧洲在20世纪90年代初开发的新材料以及新的产品线和应用。
PP-R是在20世纪80年代后期,使用气相共聚工艺使PP无规且均匀地聚合(无规共聚物)和新一代管道材料的分子链中具有约5%的PE。
它具有良好的耐冲击性和长期蠕变。
作为一种新型的管材PP-R管具有独特的优点,它是无毒的,重量轻,耐压,耐腐蚀,它可以用作冷水管,热水管也可以使用,甚至清洁的饮用水水管道。
PP-R管的接口采用热熔技术,管子之间完全融合在一起,所以一旦安装试压合格后通过,不会再漏水,可靠性高。
它的主要缺点是差的耐低温性,易脆化,静电高,染色差。
1.2聚丙烯管材的简单介绍
聚丙烯是热塑性聚烯烃塑料的重要品种之一。
它是一种高分子量的聚合物的丙烯,由C、H两种元素组成。
它的缩写代号为PP。
聚丙烯树脂是当今增长最快的五个品种塑料的一种,由于其原材料来源方便,价格比较便宜,性能优良,用途广泛,所以,对聚丙烯的应用,以约10%的年增长发展的速率。
聚丙烯(PP)属于热塑性树脂,它是具有更好的性能,有很大的不同与通用塑料相比,生产,使用和处理也不同。
用作聚丙烯基复合材料通常有的常规的立构半结晶结构,熔点176℃,具有较高的抗张强度,硬度,耐磨性,电绝缘性,耐热性和良好的耐化学性,相对密度低。
它的主要缺点是差的耐低温性,易脆化,静电高,染色差。
视方式和乙烯单体的共聚物的含量,PP-C可分为均聚物聚丙烯PP-H(Ⅰ)型,嵌段共聚聚丙烯PP-B(Ⅱ)型和无规共聚聚丙烯PP-R(Ⅲ)的三种。
PP-H管材是首选的化工,石油等工业管道,这影响了最佳的性能,最高的在同一个管道壁厚抗压强度,易成型工艺生产的大口径管材,加入石墨耐紫外线对于户外使用,化学腐蚀的抗性。
PP-B管材的低温脆性最好,在10℃及10℃以下使用时,综合性能优于PP-R,无低温脆化,耐化学性仅次于PP-H,PP-H可以代替化学工业中,目前已广泛应用在水和低温的热水或室温水供给相对低的区域。
介质温度和高温性能的PP-R管具有最佳的温度和在较长的长寿命,抗压强度高,柔韧性和最佳的管区域的温度,安装和焊接性能轻松,良好的连接,检修方便,它被广泛用于自来水,热水和空调领域,55℃及55℃以上热水管道首选PP-R管[1]。
-1-
1.3PP-R管在国内的发展与现状
近年来,随着中国建筑业,市政工程,水利,农业和工业领域日益增长的市场需求,中国的PP-R管行业呈现出快速发展的态势。
网络调查显示2009年塑料管道生产能力5804000吨,同比增长18.9%,2010年1至9月生产的5528000吨塑料管,同比增长28.23%。
同时,随着消费电子产品,环保,健康,绿色,耐用性和质量要求等方面的不断提高,中国的塑料管道产量增加的同时,产品质量水平不断上升,行业的技术进步不断加快,品牌规模企业成长,新材料,新结构不断涌现的品种,陆续先进的设计系统,产品功能较为明显的应用在不断扩大。
分析人士认为,中国塑料管材市场占有率所有管道的比例已超过30%。
PP-R管材与传统的铸铁管,镀锌钢管,水泥管等管材相比,具有节能,节材,环保,轻质高强,耐腐蚀,内壁光滑不结垢,施工简单,维修方便,使用寿命长等优点,广泛应用于建筑给排水,城乡供排水,城市燃气,电力电缆护套,工业流体输送,农业水利建设,市政,工业和农业领域[2]。
到2015年,全国新建,改建,扩建,改建项目,建筑用排水管塑料管材的85%,建筑雨水排水管80%采用塑料管,塑料管排水管城市已经达到了50%的量,建筑给水,热水供应和加热管的塑料管的85%,自来水管道(DN400mm以下)80%的是塑料管,农村供水管线90%的是塑料管,城市燃气塑料管(低压管)的应用达到40%,建筑穿线保护套管90%采用塑料管。
据预测,生产塑料管在十二五的期间将保持在约10%的速度增长,直到2015年,全国生产塑料管道将接近1200万吨,塑料管道在占有超过60%的市场在不同国家的市场份额。
PP-R管具有化学腐蚀性,常温下不溶于任何已知溶剂性优异,所以除了家装等场所更适合化学品运输化学液,长达50年的使用寿命,在市场上还没有任何材料可以便宜来取代它,有不可估量的发展空间。
近几年,PP-R管材市场出现了一些问题,这在很大程度上制约了PP-R管的健康发展。
通过市场调研和分析,目前PP-R管材主要存在的问题有如下几个方面:
1)各别生产者用其它原料如PP-B,PP-H等原料与普通PP原料充当PP-R的材料,并且更直接作为原料PP-R材料,严重损害消费者权益。
2)还有一些企业在生产、制造和销售过程中,该管道进入冷水管和热水管。
冷水管PP-R原料,也用于热水管PP-R原料。
这种方法引入无形资产消费误区,是不正确的。
对于某些材料,一直压在一定条件下,它应根据工程设计提出了环保要求,以确定管S的级别(以确定管壁厚)。
3)在添加母料的步骤,该产品的母料使用不当引起的物理和机械性能被降低或卫生性能不符合国际标准。
对于上述存在问题的严重性,大家对原料的鉴别方法给举了较大的关注。
目前,通过各种渠道和市场证明摸索和一些专业人士已经有一些分析试验方法可用于识别真假的原料。
例如:
可以使用熔体流动速率(MFR)聚丙烯改性材料将被筛选出来用于热水和冷水的PP(包括PP-H,PP-B,PP-R)的MFR为不大于0.5g/10分钟以上的标准,所以MFR大于0.5g/10min的肯定是不行的。
其次可以通过红外光谱、熔点、核磁共振等手段进行进一步的鉴别。
4)对生产工艺未进行严格控制。
PP-R的流动性能差,选择挤出机螺杆的考虑应集中在纵横比(L:
D)在28:
1或更大(30-33之间为最佳),优选低压挤压模具挤压模。
目前,国内使用较为先进的德国巴顿菲尔挤出技术或生产线。
另外,PP-R是半结晶塑料,它的管材在进行加工工艺流程控制相对比较严格,冷却温度是特别重要的。
冷却时间长,冷却水温度过高会引起较大的收缩管;冷却太低,速度过快,可能会导致残余应力过大,从而使管子在撞击的时候,抗冲击性能下降。
此外,PP-R两个关键因素是比较重要的冷却和管件模具深入轴承接口。
此外,如果有被嵌入金属管金属嵌件也应该有一定的要求,否则会在使用过程中创建连接渗水。
根据使用在过去几年中的分析,PP-R系统是在管道和配件的最复杂的问题。
除了上面的这些问题外,我们还应该指出的是,一个合格的PP-R管材生产厂家应当有自己的检测设备,对自己的产品不定期进行抽查,以确保产品质量。
最重要的测试设备水压试验机和熔体速率仪,这两个指标是影响产品质量的关键因素。
1.4PP-R管的特性与应用简介
1.4.1应用特性
1)无毒、卫生
PP-R原料分子只有碳,氢元素,没有有害有毒的元素存在。
在生产,建设,使用过程中是不污染环境的,是绿色环保建材。
不仅对热水和冷水管,它可以被用于清洁的饮用水系统,是目前发展的最好的一种塑料管材。
2)保温节能
PP-R管导热系数为0.21w/mk,仅仅占钢管的1/1200。
它具有良好的保温性能,应用于热水系统时,一般无需额外添加保温材料,就能保持很高的温度。
3)较好的耐热性
PP-R管的维卡软化点为131.5℃,工作温度最高可达95℃,满足建筑给排水规范中热水系统的使用要求,所以在建筑行业应用非常广泛。
4)使用寿命长
PP-R管在工作压力(P.N)1.0MPa工作温度70℃条件下,使用寿命多余50年以上;常温(20℃)时使用寿命能达到100年以上,是非常耐用的塑料管材。
5)质量轻
20℃时它的密度为0.90g/cm3,重量仅仅是钢管的九分之一,紫铜管的十分之一,质量轻,很大程度上降低了施工强度,更有利于建筑工程的施工。
6)管道连接牢固、管道阻力小
7)良好的热熔性能,热溶体连接将同种材料的管件和管材连接成一个完美整体,以防止泄漏和其它问题,光滑的管壁,使得比金属管的摩擦阻力小,功耗更低。
8)安装方便
PP-R管具有较好的焊接性能,管材、管件可通过热熔和电熔的方法连接,安装方便,其连接部位的强度大于管材本身的强度。
9)可回收利用
PP-R管的废料经过清洗、破碎可回收利用于管材、管件的生产,只要回收料用量不超过总用量的10%不影响产品的质量。
1.4.2应用范围
PP-R管材的主要应用领域[3]:
1)可应用于建筑物的冷热水系统,集中供热系统包括其中
2)建筑物内的采暖系统也可以应用,例如地板、壁板及辐射采暖系统
3)工业用管道系统可输送或排放化学介质等
4)中央(集中)空调系统
5)可直接饮用的纯净水供水系统
6)用于气缸传送的气路等管道系统
1.4.3物理力学性能
PP-R管材通过国家标准测定,主要物理力学性能见表1.1[4]
表1.1PP-R管材物理力学性能
项目
指标
实验方法
实验温度:
135
GB6672.3/B
纵向收缩率
实验时间
<2%
壁厚时为1
壁厚为2
壁厚>时为4
摆锤冲击试验
实验温度时测破损率
<10%
GB1043
实验温度:
实验时间:
1h
环应力:
16.0Mpa
实验温度:
液
实验时间:
22h
压
环应力:
5.0Mpa
无渗漏
GB6111
实
实验温度:
无破损
验
实验时间:
165h
环应力:
4.2Mpa
实验温度:
实验时间:
1000h
环应力:
3.5Mpa
对于不同尺寸的PP-R管材,有着不同的偏差,具体见下表1.2
表1.2PP-R管材规格尺寸及偏差(单位:
mm)
公称
外径
允许
偏差
1.25Mpa
基本允许
尺寸偏差
壁厚
1.6Mpa
基本允许
尺寸偏差
1.6Mpa
基本允许
尺寸偏差
16
0.3
1.8
0.4
1.9
0.4
2.2
0.5
20
0.3
1.9
0.4
2.3
0.5
2.8
0.5
25
0.3
2.3
0.5
2.8
0.5
3.5
0.6
32
0.3
2.9
0.5
3.6
0.6
4.4
0.7
40
0.4
3.7
0.6
4.5
0.7
5.5
0.8
50
0.5
4.6
0.7
5.6
0.8
6.9
0.9
63
0.6
5.8
0.8
7.1
1
8.6
1.1
75
0.7
6.8
0.9
8.6
1.1
10.1
1.3
90
0.9
8.2
1.1
10.3
1.3
12.3
1.5
110
0.9
10
1.2
12.3
1.5
15.1
1.8
第二章PP-R管的生产配方与工艺设计
2.1生产配方
生产PP-R管的主要原料见表2.1
表2.1PP-R管材的生产配方表
原料类型
质量(份)
PP-R专用树脂E-003
100
季戊四醇酯(抗氧1010)
0.5
DLTP
0.5
成核剂TMB-4
0.2
PP-R管采用无规共聚聚丙烯树脂粒料PP-R的专用树脂E-003为主要原料,所用助料应与专用树脂相容性好,并能弥补专用树脂的某些不足,助剂包括抗氧剂1010,辅助抗氧剂DLTP,成核剂TMB-4,其性能作用如下:
1)抗氧剂1010:
状态为白色粉末,熔点在119—123℃之间,微毒,不挥发,不污染,耐热性好,此抗氧剂抗氧化效果较好,是最常用的抗氧剂,加入量一般为0.1%—0.5%,常与辅助抗氧剂DLTP协同使用,可节省主抗氧剂用量。
加入抗氧剂可以防止原料在成型过程中与空气中氧气接触而自动氧化降解。
2)DLTP:
白色粉末或结晶状物,熔点38℃,气味小,挥发性小,微毒,可分解过氧化物,常与1010并用,配合比例为主:
辅=3:
7,加入量为0.2%—1.5%
3)成核剂TMB-4:
可以提高制品的结晶度,改善制品的抗冲击性能,抗蠕变等力学性能,提高产品使用寿命。
4)PP-R专用树脂:
PP-R管材专用料是一种新型的聚丙烯管材专用料,具有冲击韧性高,脆化温度低等特点。
PP-R管材由于其优良的使用价值和社会效益,国内一些大型石化企业纷纷开发PP-R管材专用料。
抚顺乙烯化工有限公司按照中油股份公司的总体安排,承担了PP-R专用料的科研开发任务。
2003年,抚顺乙烯化工有限公司成功完成了PP-RE-003专用料的开发和生产。
PP-R树脂是由树脂生产厂提供的粒料,因此它不需要配方,直接送入挤出机即可。
2.2PP-R管的生产工艺过程
2.2.1分析选择生产方法
塑料管材的生产一般采用挤出成型进行生产。
挤出成型又称挤出模塑,其成型原理以管材挤出为例。
管材的挤出成型过程就是将颗粒料或粉料从料斗加入到挤出机机筒中,物料在机筒中被塑化后,熔融物料在旋转的螺杆的推动下通过机头与环形缝隙,沿螺旋槽向前方输送,通过具有一定形状的挤出模具即机头,形成管状物,经过冷却定型装置定型,然后进入冷却槽冷却,管完全冷却后拉出,用牵引装置均匀的拉出,最后按预定长度,用切割装置切割,就可以得到一定厚度的塑料管,塑料制品生产的典型特点是生产方法的多样,技术路线的多样是。
随着机械行业和电子行业高速发展,塑料制品生产技术也在不断改进与提高,可供选择的技术路线与工艺流程越来越多。
生产同一塑料制品可采用不同原料,通过不同的生产方法。
即使使用相同的材料也可以使用不同的生产方法,比如塑料薄膜,还可以采用压延法生产,也可以采用挤出法来通过T形机头生产;可采用吹塑模塑来生产。
与其它成型方法相比,挤出成型有以下特点:
1)操作容易,工艺流程容易控制,可自动化、连续化生产,生产效率高;
2)在广泛的应用中,除了广泛应用在塑料,橡胶,合成模制过程中,挤出工艺也可用于塑料的着色、混炼、塑化、造粒及聚合物的共混改性等操作;
3)根据产品的不同规格要求,通过改变口模、机头形状可以形成产品或各种横截面形状的半成品;
4)设备简单,投资少,占地面积小,投资风险小;
综上所述本设计采用挤出成型方法。
2.2.2工艺条件
如果要生产高质量的PP-R管必须具有良好的和稳定的塑料熔体流动性,除了上述的材料和设备,工艺控制也很重要。
成型温度PP-R管一般在210〜260℃。
另外塑料挤出速度的影响较大,不大于40r/min的普通主机螺杆速度,但一些新型螺杆增加转速可以增强塑化加强剪切,实现高速低温挤出。
真空度通常为0.05〜0.08Ⅷa,调整应遵循的原则在下表中。
管材特性
特性变化趋势
真空调度趋势
管材表面光洁度
↑
↑
管材直径
↑
↑
熔体粘度
↑
↑
管材内应力
↓
↓
管材壁厚
↑
↑
管牵引速度和挤出速度相互匹配,注意不要影响到管的直径和壁厚。
过度的牵引速度将拉动管材使管壁壁变薄,定型不充分出现拉伸定向的现象,影响了环向应力,从而导致压力下降的表现。
喷雾水的温度应在10〜20℃之间来控制。
水温过高,形成粗晶粒,性能变差;水温低时,强制冷却后,由于导热性差,形成温度梯度,造成的内应力,影响管材质量。
在正常的外观,以满足管道的质量的前提要求,真空应该尽可能低,以减少储存期间应力,例如热缩管变形。
2.2.3工艺流程图
PP-R树脂的粘度比较低,流动性较好,且为粒料形式,单螺杆挤出机较适合它的挤出成型。
因此本次设计生产方法采用单螺杆连续挤出成型技术,根据PP-R管材的特性和生产要求,采用以下生产工艺流程[5]:
混合和挤出过程:
高速混合
PP-R树脂+抗氧剂1010+DLTP+成核剂TMB
切割
牵引
冷却定径
挤出成型
入库
喷码
质量检测
回收过程:
混合挤出
破碎
清洗
废料
2.2.4工艺过程简单介绍
(1)混合过程[6]
将原料干燥并按比例配比,然后全部倒入高速混合机。
高速混合机经常用于高分子材料的混色、配填料表面的处理以及共混材料的预混,具有混合效率高,时间短,有效容积大的特点,原料挤出之前需要混合均匀,以保证塑化质量和制品质量,最好是采用混炼,挤出造粒,鉴于本配方中所添加助剂较少,所以省去造粒过程,节省工艺成本,减少流程,直接采用混合,挤出成型的方法。
(2)上料
上料方式有人工上料和机械上料。
因为现今PP-R管材生产的自动化程度较高,需准确计量进料量,所以选择机械上料。
机械上料主要有螺旋上料和弹簧上料两种方式,螺旋上料占地面积大,工作时噪音大,上料量主要靠人工控制,适用于粒料的上料;考虑到本设计的年产量,管材规格等因素,最后选定弹簧上料这种上料方式,操作简单,容易控制。
(3)挤出过程
首先将PP-R树脂晶体状态塑化到高弹态,再将它从高弹态塑化到熔融粘流状态,还要保证挤出机各区段的压力分布既要均匀且熔体压力又不能过高,各区段间的熔体压力的变化和过渡要平稳,提高物料的塑化效果。
然后将熔融粘流态的物料运送给机头。
要生产高质量PP-R管材,必须要有良好塑化及稳定的熔体流动,其中挤出机温度控制十分重要,要特别注意温度的变化。
PP-R管材成型温度一般在210--260℃之间。
挤出速度对塑化影响挺大,一般主机螺杆转速不能超过40r/min。
PP-R生产过程中有缺陷的产品可以破碎后再次应用到PP-R管生产过程,从而提高了原材料的利用率,降低生产成本提高经济效益。
本次设计选用的挤出设备为单螺杆挤出机,挤出机理为螺杆旋转剪切,并在加热作用下使物料塑化,熔融的物料通过机头后成型。
单螺杆挤出机是一种机型,它由一根阿基米德螺杆在加热的料筒中旋转组成的。
它是一种应用广泛的通用型挤出机,它的特点是:
挤出系统由一根螺杆和机筒配合而成,这种挤出机只要更换不同结构形
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