年生产8000吨聚丙烯上水管挤出工艺设计.docx
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年生产8000吨聚丙烯上水管挤出工艺设计
年生产8000吨聚丙烯上水管挤出工艺设计
摘要
文章介绍了聚丙烯的性能和聚丙烯管材的发展状况、特点、性能、分类，以及PP-R管材的用途、特点、性能、施工等，并结合聚丙烯管材的发展状况、特点和性能，以及PP-R管材的用途及性能要求等，做出了对PP-R管材挤出成型工艺的设计，同时也对生产规模效益等做出了一定的核算。
其中工艺设计包括了对PP-R管材的原料配方制定和品质检验，加工设备的选用，设备安装及保养处理，工艺参数的制定，加工生产步骤与流程，产品品质检验，以及常见事故的处理等。
结果表明，合适的加工工艺条件、成型设备以及有效的管理执行，能够保证PP-R管的品质质量及年产量，但是在短时间内不会取得很大的经济效益。
否则，就必须扩大生产规模或减少厂区及设备投资，采取局部加工生产模式，充分有效地利用外部资源。
关键词：
聚丙烯PP-R，管材成型，工艺设计，设备，经济概算
designof8000tons/yearPolypropyleneunderwatertubebyexrutionprocess
ABSTRACT
Thispaperintroducestheperformanceofpolypropyleneandpolypropylenepipedevelopment,features,performance,classification,andtheuseofPP-Rpipe,features,performanceandconstruction,combinedwiththedevelopmentofpolypropylenepipes,characteristicsandperformance,andtheuseofPP-Rpipeandperformancerequirements,madeofPP-Rpipeextrusionprocessofdesign,butalsoontheeffectivenessoftheproductionscaletomakeacertainamountofaccounting.ProcessdesignwhichincludesaPP-Rpipeformulationdevelopmentandqualitytestingofrawmaterials,processing,equipmentselection,equipmentinstallationandmaintenancetreatment,thedevelopmentofprocessparameters,processingstepsandprocesses,productqualityinspection,andthehandlingofcommonaccidents.
Theresultsshowthattheappropriateprocessingconditions,moldingequipment,andimplementationofeffectivemanagement,toensurethequalityofPP-Rpipequalityandoutput,butnotinashorttimemadegreateconomicbenefits.Otherwise,wemustexpandthescaleofproductionorreduceinvestmentinplantandequipmentandtakelocalprocessingmode,thefullandeffectiveuseofexternalresources.
KEYWORDS:
PolypropylenePP-R,TubeForming,ProcessDesign,Equipment,Economicestimates
目 录
前 言
80年代以前，我国的住宅及公共建筑的上水管基本上是镀锌钢管，由于受材质自身的局限，镀锌钢管存在使用寿命短、易造成水质二次污染等缺点。
为了保障人们日常饮用水的质量、我国部分地区，如上海、浙江、河北、江苏等省市已先后提出淘汰镀锌钢管，用高质量的塑料管代替。
目前，在我国已相续开发了PVC管、PE管、铝塑复合管、玻璃钢管、钢塑复合管和聚丙烯管等一批塑炼管材，并取得了一定的市场占有率。
特别是其中聚丙烯塑料管以聚丙烯树脂为主要原料，采用单螺杆挤出机挤塑成型。
这种管材在各种塑料管中具有体最轻，无毒，耐酸、耐化学物质腐蚀，韧性和耐热性好的特点。
其耐环境应力开裂性能比聚乙烯管好，可在不大于110℃低负荷条件下长时间应用。
聚丙烯管材中的PP－R管是欧洲90年代开发的，以新型无规聚丙烯为原料，经挤出成型制作的塑料管材。
由于其优越的性能，正日益受到人们的青睐。
第1章聚丙烯及其管材
1.1概述
聚丙烯塑料管主要应用于给水、排水、农田灌溉及各种化工液体和气体的输送管道。
而聚丙烯上水管是指人们日常生活中使用的食用水管，除了有一般聚丙烯水管的性之外，还要求无毒、卫生。
1.2聚丙烯的性能
聚丙烯分子结构为典型的主体规整结构，为结晶聚合物，分子量为10-50万，比重0.90-0.91g/cm2，成型收缩率1.0%-2.5%，成型温度：
160-220℃，其特点强度大，硬度和耐热性均优于低压聚乙烯，可在100℃左右使用，具有良好的电性能和高频绝缘性，不受潮湿的影响，但低温时变脆、不耐磨、易老化，适用于制作一般机械零件、耐腐蚀零件和绝缘零件。
（1）物理性能聚丙烯为无毒、无臭、无味的乳白色高结晶聚合物，密度只有0.90-0.91g/cm2，是目前所有塑料中最轻的品种之一，它对水特别稳定，在水中24h的吸水率仅为0.01%，分子量在8-15万之间，成型性好，且制品表面光泽好，易于着色，但因收缩率大，壁厚制品易凹陷。
（2）力学性能聚丙烯的结晶度高，结构规整，因而具有优良的力学性能，其强度、硬度、弹性都比HDPE高。
但在低温下和室温下，由于本身的分子规整度高，所以，冲击强度较差，分子量增加的时候，冲击强度也增加，但成型加工性能变差。
聚丙烯最突出的性能就是抗弯曲疲劳性好。
（3）热性能聚丙烯具有良好的耐热性熔点在164-170℃，制品能在100℃以上温度进行消毒灭菌，在不受外力的情况下，150℃也不会变形，脆化温度为-35℃，再低于这个温度下会明显脆化，耐寒性不如聚乙烯。
（4）化学稳定性聚丙烯的化学稳定性好，除能被浓硫酸和浓硝酸腐蚀外，对其他化学试剂都比较稳定，单分子量低的脂肪烃、芳香烃和氯化烃等能使PP软化和溶胀，同时它的化学稳定性随着结晶度的增加还有所提高，所以，聚丙烯适合制作各种化工管道的配件，防腐效果良好。
（5）电性能聚丙烯的高频绝缘性能良好，由于它几乎不吸水，故绝缘性能不受潮湿的影响，它有较高的介电系数，且随温度的上升而增大，可以用来制作受热的电绝缘制品，它的击穿电压也很高，适合用作电器配件等。
抗电压，耐电弧性好，但静电度高，与铜接触易老化。
（6）耐候性聚丙烯对紫外线很敏感，加入氧化锌、硫化丙酸二月桂酯、碳黑或类似的乳白镇料等可以改善耐老化性能。
1.3聚丙烯管的分类
聚丙烯管分为均聚聚丙烯管（PP-H）、嵌段共聚聚丙烯管（PP-B）、无规共聚聚丙烯管（PP-R）3种。
PP-H、PP-B、PP-R刚度依次递减，而冲击强度则依次增加。
其中由于三型聚丙烯管具有节能、耐腐蚀、不结垢、卫生、无毒、耐热、耐压、使用寿命长、质轻高强、流体阻力小等优点，是替代镀锌钢管的新一代产品。
另外从原料生产工艺、国内现状、施工方法、项目投资估算及市场分析也有很大的前景。
（1）什么是三型聚丙烯管三型聚丙烯管化学代号PP-R，采用无规共聚聚丙烯经挤出成为管材，注塑成为管件。
是欧洲90年代初开发应用的新型塑料管道产品。
PP-R是80年代末，采用气相共聚工艺使5%左右PE在PP的分子链中随机地均匀聚合（无规共聚）而成为新一代管道材料。
它具有较好的抗冲击性能和长期蠕变性能。
（2）PP-R与PP-C有什么关系前一时期，国内市场上出现PP-C管材、管件，其安装方法与PP-R一致。
不少人搞不清楚PP-R与PP-C有什么差别，造成不少误解和混乱。
国际标准中，聚丙烯冷热水管分PP-H、PP-B、PP-R三种，没有PP-C。
市场上的PP-C管实际上是PP-B管，其原料是嵌段共聚聚丙烯类管材专用料。
PP-B管是冷热水管的一种，价格比较便宜，其耐热、耐压性能与PP-R的差距很大。
例如：
使用条件分2级，使用条件1表示压力，例如设计压力0.6MPa外径为25mm管材，PP-R管的壁厚为3.5mm，PP-B（PP-C）管的壁厚则要5.1mm；设计压力0.8MPa外径25mm，PP-R管壁厚4.2mm，而PP-B（PP-C）就无法用了。
因为要求的壁厚太厚了。
市场上的管材，结构尺寸与PP-R一致的PP-C管，其使用条件PP-R低得多，不能混同PP-R管使用，更不能在确定使用条件后，以PP-C管替代PP-R管。
使用条件2表示设计温度70℃，供热水用。
1.4PP-R管材
1.4.1PP-R管材的特点
PP-R管除了具有一般塑料管重量轻、耐腐蚀、不结垢、使用寿命长等特点外，还具有以下主要特点：
（1）无毒、卫生。
PP-R的原料分子只有碳、氢元素，没有有害有毒的元素存在，卫生可靠，不仅用于冷热水管道，还可用于纯净饮用水系统。
（2）保温节能。
PP-R管导热系数为0.21w/mk，仅为钢管的1/200。
（3）较好的耐热性。
PP-R管的维卡软化点131.5℃。
最高工作温度可达95℃，可满足建筑给排水规范中热水系统的使用要求。
（4）使用寿命长。
PP-R管在工作温度70℃，工作压力（P.N）1.OMPa条件下，使用寿命可达50年以上；常温下（20℃）使用寿命可达100年以上。
（5）安装方便，连接可靠。
PP-R具有良好的焊接性能，管材、管件可采用热熔和电熔连接，安装方便，接头可靠，其连接部位的强度大于管材本身的强度。
（6）物料可回收利用。
PP-R废料经清洁、破碎后回收利用于管材、管件生产。
回收料用量不超过总量10%，不影响产品质量。
（7）轻质高强、流体阻力小。
PP-R管密度仅为金属管的1/8，耐压力试验强度高达5MPa，且韧性好、耐冲击。
由于内壁光滑、不生锈、不结垢，流体阻力小。
1.4.2PP-R管主要用途
（1）建筑物的冷热水系统，包括集中供热系统；
（2）建筑物内的采暖系统、包括地板、壁板及辐射采暖系统；
（3）可直接饮用的纯净水供水系统；
（4）中央（集中）空调系统；
（5）输送或排放化学介质等工业用管道系统。
1.4.3PP-R管的选用标准
（1）注意管道总体使用系数C（即安全系数）的确定：
一般场合，且长期连续使温度＜70℃，可选C=1.25；在重要场合，且长期连续使用温度≥70℃，并有可能较长时间在更高温度运行，可选C=1.5。
（2）用于冷水（≤40℃）系统，选用P.N1.0～1.6MPa管材、管件；用于热水系统选用≥PN2.0MPa管材、管件。
（3）在考虑上述三个原则后，管件的SDR应不大于管材的SDR，即管件的壁厚应不小于同规格管材壁厚。
1.4.4PP-R管在安装施工及应用
（1）PP-R管较金属管硬度低、刚性差，在搬运、施工中应加以保护，避免不适当外力造成机械损伤。
在暗敷后要标出管道位置，以免二次装修破坏管道。
（2）PP-R管5℃以下存在一定低温脆性，冬季施工要当心，切管时要用锋利刀具缓慢切割。
对已安装的管道不能重压、敲击，必要时对易受外力部位复盖保护物。
（3）PP-R管长期受紫外线照射易老化降解，安装在户外或阳光直射处必须包扎深色防护层。
（4）PP-R管除了与金属管或用水器连接使用带螺纹嵌件或法兰等机械连接方式外，其余均应采用热熔连接，使管道一体化，无渗漏点。
（5）PP-R管的线膨胀系数较大（0.15mm/m℃），在明装或非直埋暗敷布管时必须采取防止管道膨胀变形的技术措施。
（6）管道安装后在封管（直埋）及复盖装饰层（非直埋暗敷）前必须试压。
冷水管试压压力为系统工作压力的1.5倍，但不得小于10MPa；热水管试验压力为工作压力的2倍，但不得小于1.5MPa。
试压时间与方法技术规程规定。
（7）PP-R管明敷或非直埋暗敷布管时，必须按规定安装支、吊架。
由于PP-R管的优越性能，因此，可广泛应用于饮用水系统、纯净水系统、冷热水系统，石油、化工中的液体输送，食品工业中的牛奶、饮料、果酱、酒类等输送及相关工业领域。
在热水输送领域，PP-R管已经可以和PEX管相媲美，而其加工要比PEX管容易，PP-R管可做得的口径更大，达110mm的管子，比PEX管和铝塑复合管要优越。
PEX管内层的交联聚乙烯含有交联剂（硅烷或过氧化物），而PP-R管则符合食品卫生规定。
目前，国内PP-R管主要用于纯净水和热水系统，如上海市的纯净水系统就使用了相当数量的PP-R管。
第2章PP-R管的原料配方及品质检验
2.1原料及性能
本生产主要原料采用PP-R原料，以下仅对PP-R原料做详细解释。
PP-R管对原料的要求较高，国外原料厂商常有多种颜色的PP-R供管材厂选择。
如北欧化工公司（Borealis）和奥地利PCD公司生产的PP-R原料有米色、淡蓝、深蓝、奶白等多种颜色。
在德国和意大利，管材生产厂选用不同的颜色来作为标识，以区别管材的用途。
如蓝色用于冷水管，米色、灰色用于热水管，棕红色的用于地板采暖管等。
原料性能指标见表2-1：
表2-1 PP-R原料的主要性能指标
项 目
测试方法
结 果
熔体指数（g/10min）
ISO1133
0.35
密度（g/cm3）
ISO/R1183
0.895
着火点（℃）
ASTMD1929/68
330
软化范围（℃）
140-150
弯曲强度（MPa）
ISO/R527
21
抗拉强度（MPa）
ISO/R527
40
断裂伸长率（％）
ISO/R527
800
刻痕硬度（MPa）
ISO2039
40
弹性模量（MPa）
ISO178
800
剪切弹性模量（MPa）（20℃）
ISO537
370
抗冲击（kJ/m2）（常温）
ISO179
无断裂
冲击强度（kJ/m2）（常温）
ISO179
25
线膨胀系数（1/K）
VDE0304
1.5×104
导热系数（20℃）［W/（m.K）］
DIN52612
0.2
2.2原料的配方
2.2.1配方
PP-R管材原料配方如表2-2：
表2-2PP-R管材的原料配方
原料种类
质量（份）
无规共聚聚丙烯（PP-R）
100
四季戊四醇酯（抗氧化剂1010）
0.5
DLTP（硫代二丙酸二月桂酯）
0.5
成核剂（TMB-4）
0.2
2.2.2配方设计说明
PP-R管采用无规共聚聚丙烯专用树脂为主要原料，所用助剂应与专用树脂相容性好，并能够弥补专用树脂的某些不足，助剂包括抗氧化剂1010辅助抗氧化剂DLTP，成核剂TMB-4，其他性能作用如下：
氧化剂1010：
白色粉末,熔点119-122℃,微毒，不挥发，不污染，耐热性好，此抗氧化剂抗氧化效果好，是常用的抗氧化剂，加入量一般为0.1%-1%，常与辅助抗氧化剂DLPT协同使用，可节省主抗氧化剂的用量。
加入抗氧化剂可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。
DLTP：
白色结晶粉末，熔点38℃，气味小，挥发不大，微毒，常与1010并用，配合比例为主:
辅=3:
7，加入量为0.2%-1.5%。
成核剂TMB-4：
可以提高制品的结晶度，改善制品的冲击性能，抗蠕变等力学性能，提高使用寿命。
2.3原料性能品质检验
如下表技术参数，对原料进行各项技术参数进行检验检验项目见表4-1所示：
对于不符合下述要求时，一律判定该原料不合格。
表4-1原料检验项目
项 目
结 果
颜色
要满足颜色要求（目视无差别）
杂质含量
不能有B点
熔体指数（g/10min）
0．35±0.01
密度（g/cm3）
0．895±0.01
着火点（℃）
330±5
软化范围（℃）
140～150
弯曲强度（Mpa）
21±0.01
抗拉强度（Mpa）
40±0.01
断裂伸长率（％）
800±1
刻痕硬度（Mpa）
40±0.01
弹性模量（Mpa）
800±0.5
剪切弹性模量（Mpa）（20℃）
370±0.5
抗冲击（kJ/m2）（常温）
无断裂
冲击强度（kJ/m2）（常温）
25±0.2
线膨胀系数（1/K）
1．5×10－4
导热系数（20℃）［W/（m.K）］
0．2
极重要质量项目：
卫生性能要按照国家GB/T18742.2-2002和GB/T18742.3-2002标准进行严格执行。
注：
极重要质量项目是指直接涉及人体健康、使用安全的指标；重要质量项目是指产品涉及环保、能效、关键性能或特征值的指标。
第3章工艺计算及设备的选择与安装
3.1物料的衡算
3.2.1物料衡算的意义
物料衡算是在已知产品规格和产量的前提下算出所需的原料量、废料量及消耗量，同时还可拟定出原料的消耗定额，并在此基础上做出能量平衡计算。
通过物料衡算可以算出：
（1）实际动力消耗量；
（2）生产过程所需热量及冷量；
（3）为设备选型、决定规格、台数（或台时产量）提供依据；
（4）在拟定原料消耗定额的基础上，可进一步计算日消耗量、每小时消耗量等设备所需的基本数据。
3.2.2物料衡算方法
1.物料衡算类型：
（1）按计算类型划分：
有全流程和单元操作。
（2）按操作方式划分：
有连续操作和间接操作。
塑料制品生产过程多采用全流程、连续操作操作形式。
2.物料衡算步骤
（1）确定无聊的衡算范围，画出物料的衡算示意图，注上与物料有关的数据。
物料示意图如下：
原料合格产品
加工设备废品
各种助剂损耗量
图3-1
（2）说明计算任务。
如：
年产量、年工时数等。
（3）规定计算基准。
生产上常用的计算基准有：
a.单位时间产品数量或单位时间内原料投入量。
b.加入设备的原料量（间歇操作常采用此基准）。
（4）已知数据，根据下列公式进行计算：
∑G1=∑G2+∑G3
式中：
∑G1—进入设备的物料量总和；
∑G2—离开设备的正品量和次品量总和；
∑G3—加工过程中物料损失总和。
（5）收集资料，一般包括以下几个方面：
a.年生产时间：
连续生产300-350天
间歇生产200-250天
连续生产时，年生产天数较多，一般在300天左右其他时间将考虑为车间检修、意外停机和停机放假等。
当间歇生产时，就要减去全年的双休日共计104天，所以间歇生产比连续生产少104个工作日，本生产为了节约设备，采用连续生产300天工作制。
总之，确定了每年的有效工作时数后就能正确定出物料衡算的时间基准，算出每小时的生产任务，进而在以后的计算中选定设备的规格。
b.有关定额、合格率、废品率、损耗率、回收率等。
在任何一个产品加工过程中，合格产品都不是百分之百，由于设备、原料以及人为原因都会造成废品的出现，加工不同的产品出现的废品率也会不同。
经电锯研究发现，塑料管材的合格率为92%-98%，自然损耗率为0.05%-0.1%，这主要是储存、运输、加工前的损耗。
回收率应根据具体情况考虑（如原料的品种和制品的情况等），一般在80%-90%之间。
3.2.3物料衡算的计算
已知年产量为8000t的聚丙烯管材，合格率、自然损耗率（即储存、运输等加工前的损耗）以及废料回收率分别暂定为95%、0.05%和90%，求年消耗原料量。
年进机料量m1=合格产品量/合格率=8000t/95%=8421.06t
因为自然损耗率为0.05%,则进入输送段的料量：
m2=m1/（1-0.05%）=8425.27t即：
年进车间料量为8425.27t
废料量m3=m1-8000t=8421.06t-8000t=421.06t
回收料量m4=m3*90%=421.06*90%=378.95t
考虑回收则每年购买新料数量m5=m2-m4=8425.27t-378.95t=8046.32t
则小时车间处理量m6=年进车间料量/年生产时间=8425.27t/（300*24）h=1.17t/h
自然损耗量m7=m2-m1=8425.27t-8421.06t=4.21t
综合表3-1详情：
合格率
95%
合格产品
8000t
废品率
5%
废品
421.06t
自然损耗率
0.05%
自然损耗量
4.21t
年进车间料量
8425.27t
小时车间处理量
1.17t
年进机料量
8421.06t
年进新料物料量
8046.32t
根据用途和实际生产情况，生产管材的旧料使用量为4.5%。
3.2热量衡算
3.2.2热量衡算的计算
聚丙烯熔点为175-185℃，但由于聚丙烯是结晶高聚物，所以生产熔融温度比熔点高大致在195-210℃。
因此，把挤出机口模温度定位T1=195℃。
已知如下：
生产聚丙烯管，年产为8000t原料初始温度为T2=25℃，挤出机口模温度为T1=195℃,CPP,h=1.9kj/（kg*k）,计算挤出机所需热功率，单位时间内物料所需的热量。
忽略机器的散热损失，不考虑机器摩擦剪切生热，即挤出机加热提供热量等于物料所需的热量，假设此过程无相变，因此可以利用温差法进行计算。
PP-R树脂的质量流量为qPPR,h=每台挤出机每小时处理量/3600s=117kg/3600s=0.0325kg/s
则单位质量流量物料需要吸收的热量为：
Q=qPPR,h*CPPR,h*（T1-T2）=qPPR,h*CPP,h*（T1-T2）=0.0325kg/s*1.9kj/（kg*k）*（195℃-25℃）=10.4975kj/s=
10.4975kw
说明：
物料所需热量即为挤出机应提供的热量，所以选择设备的加热功率值必须大于此值，还应将加热损失考虑进去。
3.3生产设备的选择
3.3.1设备的选择原则
在物料衡算和热量衡算的基础上进行设备选择计算，以确定车间内设备的类型、规格及台数，并为经济核算和工艺布置提供条件。
由于塑料成型加工方法很多，设备类型也较多，所以实现同一工艺要求，可选用不同的成型方法和不同的成型设备。
设备的选型和计算要充分考虑到工艺上的要求，尽量选着先进设备。
设备选着的原则应从技术、经济和我国的经济情况等方面来考虑。
1.技术先进、经济合理技术先进和经济合理是设备选着的主要原则，体现在：
（1）所选用的设备要与设计的生产规模相适应，在允许的条件下，能获得最大的台时产量。
（2）设备适用产品的品质要求，确保产品质量。
（3）提高连续化、大型化程度，提高劳动生产率，降低劳动强度。
（4）设备结构简单，操作及维修保养方便。
2.设备的可靠性
设备中所选设备一定要可靠，特别是主要设备，应坚持生产实践的原则。
只有设备的性能可靠，才能保证建成后一
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