矿用聚乙烯管材的生产车间设计

1诚信声明本人声明：我所呈交的专科毕业设计论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 马宝明 日期： 2011 年 3 月 30 日2毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 矿用聚乙烯管材的生产车间设计 学院： 专业： 化工工艺 班级： 新应专 091 学生： 马宝明 指导教师： 付青村 3矿用聚乙烯管材的生产车间设计矿用聚乙烯管材的生产车间设计摘摘 要要 本次设计是关于年产量为 5000 吨矿用聚乙烯(HDPE)管材生产车间的设计，共分十一章，主要包括如下内容：原料的选择和配方的确定；工艺流程的设计；物料衡算；设备选型；挤出机头的设计；生产车间的平面布置及其辅助设施的安排以及经济效益概算和环保等。为满煤矿用管材的性能要求，本设计采用 HDPE 树脂为主原料，并通过添加阻燃剂和抗静电剂经进行改性。所设计的管材具有高强度、高耐磨性和耐寒性的特点，适用于输送瓦斯气、煤气、天然气、石油液化气等可燃性气体，并且可在各种环境及复杂地段使用。本设计针对当前市场需求，且设计合理，所选设备多采用了电气自动化控制，这样不仅节省了人力，提高了生产效率,而且保证了生产的连续进行。关键词：HDPE 管材；抗静电性能；阻燃性能；物料衡算；设备选型；工艺流程；机头设计；4目目 录录第一章绪论第一章绪论.8第 1.1 节 聚乙烯管材的发展状况 .8第 1.2 节 矿用聚乙烯管材的发展 .9第 1.3 节 矿用聚乙烯管材的发展前景 .10第二章原料与配方第二章原料与配方.12 第 2.1 节 配方设计 .122.1.1 塑料配方设计的意义.122.1.2 塑料配方设计的原则.122.1.3 塑料配方设计方法.13第 2.2 节 原料的选择 .132.2.1 HDPE 树脂的选取 .132.2.2 HDPE 树脂的改性及助剂性质 .13第三章第三章 设计任务及工艺流程的设计设计任务及工艺流程的设计.16第 3.1 节 设计任务 .163.1.1 设计题目.163.1.2 选题意义.163.1.3 设计主要内容.17第 3.2 节 工艺流程概述 .173.2.1 工艺流程概述.173.2.2 挤管工段流程设计.18第第四四章章 物料衡算物料衡算.20第 4.1 节 计算任务 .20第 4.2 节 计算基准的选取 .20第 4.3 节 物料衡算 .214.3.1 挤出成型工段物料衡算.214.3.2 造粒工段.21第 4.4 节 物料衡算流程图 .235第五章第五章 生产设备的选择生产设备的选择.24第 5.1 节 设备选型的原则 .24第 5.2 节 定型设备的选择 .245.2.1 挤出造粒机的选择.245.2.2 挤出机及其辅机的选择.25 5.2.2.1 挤出机的选择.25 5.2.2.2 挤出机辅机的选择.265.2.3 高速混合机的选型.265.2.4 冷混机的选取.285.2.5 破碎机的选取.285.2.6 自动配料秤的选取.295.2.7 台秤的选取.30 第 5.3 节 非定型设备的选择 .305.3.1 罗茨鼓风机、旋风分离器和除尘器的选择.30 5.3.1.1 气体输送计算.30 5.3.1.2 罗茨鼓风机的选择.24 5.3.1.3 旋风分离器的选择.35 5.3.1.4 除尘器的选择.355.3.2 储罐的选择.365.3.3 仓壁振动器的选择.385.3.4 旋转加料器的选择.395.3.5 货梯的选择.395.3.6 通风机的选择.395.3.7 三维振动筛.395.3.8 搬运车的选择.405.3.9 缝包机的选择.40 第第六六章章 挤出成型机头设计挤出成型机头设计.42第 6.1 节 挤出机头设计概述 .4266.1.1 机头的作用.426.1.2 机头的分类.426.1.3 管机头的组成部分及其作用.42第 6.2 节 机头的设计设算 .426.2.1 口模.426.2.2 芯棒.436.2.3 分流器.446.2.4 分流器支架.446.2.5 管材壁厚的调节.446.2.6 定径套.45第第七七章章 车间布置设计车间布置设计.46第 7.1 节 概述 .467.1.1 车间平面布置设计的原则.467.1.2 工艺设备布置的原则.46第 7.2 节 布置设计的技术考虑 .47第 7.3 节 车间具体布置 .48第 7.4 节 卫生条件 .49第第八八章章 采暖采暖 通风通风 照明照明.50第 8.1 节 采暖设计 .508.1.1 设计采暖系统的原则.508.1.2 生产车间的温度设计.50第 8.2 节 通风设计 .508.2.1 车间通风的目的.508.2.2 通风条件的设计.50第 8.3 节 供电照明 .51第第九九章章 能量衡算能量衡算.53第 9.1 节 能量消耗 .53 9.1.1 电能的消耗.537 9.1.2 冷却剂的消耗量.53 9.1.3 煤的消耗.54 9.1.4 能量一览表.54 第第十十章章 车间组织与经济概算车间组织与经济概算.55第 10.1 节 人员编制 .5510.1.1 人员的编制 .5510.1.2 工资费用.55第 10.2 节 经济概算 .5510.2.1 设备购置费用计算.5510.2.2 建筑费用.5610.2.3 能量消耗费用.5610.2.4 设备折旧与建筑折旧.5710.2.5 工资与车间经费.5710.2.6 原料费用.5710.2.7 产品成本.5810.2.8 投资的回收期.58第第十一十一章章 环保问题环保问题.59第 11.1 节 工业生产中存在的污染问题 .59第 11.2 节 工业污染的解决方案 .59 11.2.1 废渣的治理方案.5911.2.2 废水的治理方案.5911.2.3 废气的治理方案.5911.2.4 噪音的解决方案.59 参考文献参考文献.61致致 谢谢.63 8第一章第一章 绪论绪论第第 1.1 节节 聚乙烯管材的发展状况聚乙烯管材的发展状况PE 管材已成为继 PVC 之后，世界上消费量第二大的塑料管材管道品种。聚乙烯管材的主要品种有低密度聚乙烯 LDPE、高密度聚乙烯 HDPE、交联聚乙烯管材（PE-X） 。过去聚乙烯管应用的量远少于聚氯乙烯管，其主要原因是经济性。早期聚乙烯管的材料大约相当于 PE63 以下的等级，因为强度低，所以在同样的使用条件下（同样的压力和直径下） ，聚乙烯管的管壁要比聚氯乙烯管厚 1 倍以上，因此聚乙烯管的生产成本较高而且只能在压力较低、直径较小的管材中使用。随着国际上近年来对于聚乙烯管材专用料一直不断地在研究和改进，并在材料性能上取得重大的进步，因而增强了聚乙烯管的优势，扩大了应用领域。20 世纪 90 年代后国际上已经能大量生产 PE100 级聚乙烯管材料。在同样压力和同样直径下，用 PE100 聚乙烯管已经比用聚氯乙烯管的重量要小。虽然高等级聚乙烯管材的价格还比聚氯乙烯管材高，但聚乙烯管具有一些独特的优点，比如柔韧性、可熔接性，因此可使管道敷设费用明显低于聚氯乙烯管，从而可以使总的工程费用下降。特别是近 10 年来，国际上聚乙烯管的发展速度明显快于聚氯乙烯管。欧洲塑料管的产量从 1985 年的 140 万吨增加到 1997 年的 260 万吨,在 19901998 年间聚氯乙烯管的平均年增长率是 2%，而聚乙烯管的平均年增长率是 7%。美国塑料管协会1998 年统计资料表明，美国在 1998 年一年时间内聚乙烯管产量就增长了 11.9%约为35 万吨。由此可见国外聚乙烯管的发展是非常快的。我国聚乙烯（PE）管的生产始于 60 年代，近年来在国家推广使用化学建材的倡导下聚乙烯管得到了迅速的发展。据统计，我国现有 PE 管的生产企业有 150 多家，生产能力约为 45 万吨，PE 管生产规模在 5000 吨/年以上的企业有 10 多家。1999 年管材的使用量已达到 8000 万米左右。而且我国还从国外引进了几条生产线，生产 PE80 和 PE100 等级的聚乙烯管材专用料。随着聚乙烯管的许用应力的提高，和聚氯乙烯管在壁厚上差距就减少了。应该注意到给水管领域正在越来越多的应用聚乙烯管，而且在不少地区给水管当中聚乙烯管的应用量已经超过聚氯乙烯管。另外，在输配燃气管领域以及埋地燃气管领域也越来越多地使用各种聚乙烯管器材。聚乙烯管材管件之所以发展得这么迅速，分析其原因有下面几个方面。9（1）无毒、卫生、环保。（2）由于聚乙烯流动性好、热稳定性高，注塑成型聚乙烯热熔管件比较容易。聚乙烯管电熔熔接都已有专门技术及专用设备，连接时十分方便和可靠。（3）聚乙烯管具有独特的柔韧性和优良的耐刮伤痕的能力，对管道基础的适应能力强，抗震性好，适宜用于地震地区。（4）适应范围广。低密度聚乙烯强度较低，但是柔韧性好，用于低压小直径的管材(如制造成小直径盘管应用于农村或工地)。在给水、输气上使用的聚乙烯管则应采用高密度聚乙烯管材专用料1。第第 1.2 节节 煤矿工程塑料的发展煤矿工程塑料的发展随着石化工业的飞速发展，塑料已充斥到我们生活的方方面面，高性能的高分子新材料，在材料科学发展中是非常重要的。1980 年以来煤矿这个最大的地下工程，塑料的应用也从零到有，呈逐渐发展壮大的趋势。由于煤矿井下富含瓦斯，易燃易爆，为了防止火花产生，所用锤子都要用铜制成，众所周知，塑料恰恰是易于聚集静电荷而产生火花。1980 年以前，煤矿对井下使用塑料没有标准，当时不少地方将塑料管弄到井下用于风管，很是方便快捷，但一送风就爆炸，还引起火灾，而且由于塑料不阻燃，又给灭火带来困难。后来从材料的各种化学指标和物理特性进行了深入的研究，确定是静电引起的火灾，于是在 1985年颁布了 MT113-85煤矿井下用非金属聚合物制品安全性能检验规范标准。该标准把聚合物下井使用规定了两个安全指标，即抗静电指标表面电阻小于 1108，阻燃指标氧指数大于 27。至此，塑料进入煤矿井下应用有了法规可依。常用的原体树脂氧指数很低，而表面电阻值又很高，距 MT113-85 标准要求相差很远。为了能满足煤矿井下塑料制品的力学性能及安全性能的要求，目前基本上是采用改性方式来解决。塑料改性有物理改性和化学改性两种。所谓化学改性是通过共混、接枝、交联和降解等方式使塑料具有人们需要的功能。而物理改性是在塑料中加入无机质进行填充增强，也可加入有机质进行共混2。改性 PE 已于 1988 年生产成管材用于井下排水。高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯（LDPE）与 PVC 相比，有较好的力学性能和加工性能，用来生产耐压较高的管材倍受井下工人欢迎，是将来在井下部分或全部替代钢管的潜在项目。它的特点10如下3： 1、具有阻燃性能、抗静电性能，其指标符合煤炭行业标准MT 558.12005 煤矿井下用塑料管材 第 1 部分：聚乙烯管材的要求，能够满足煤矿安全生产的要求； 2、质轻、安装方便，其单位重量仅为钢管的 1/8，玻璃钢管的 1/3，因而煤矿用聚乙管材不仅运输方便，用于煤矿井下时能大大降低工人的劳动强度，提高工作效率； 3、具有抗老化性能、抗快速开裂性能、抗冲击性能，使用寿命长； 4、耐腐蚀、不结垢，特别适合用于井下输送高硫水质以及含钙、镁等离子的水，节省防腐及除垢的费用，而且使用寿命远远高于钢管，综合经济效益是钢管的 68倍； 5、具有自润滑性，其内壁光滑，当量绝对粗糙度为钢管的 2/5，输送阻力小，在相同条件下，可提高输送能 30%； 6、热膨胀系数比钢管稍高，但模量比钢管低得多，其膨胀产生的作用相当小，材料自身即可吸收，管道系统中无需采用补偿手段。 虽然如此，但是由于目前人们的习惯思想，对塑料管的应用经验不足等原因，实际应用量同样与实际需求量相差甚远。第第 1.3 节节 矿用聚乙烯管材的发展前景矿用聚乙烯管材的发展前景 1998 年美国的 HDPE 管材消耗量就达 563kt。HDPE 用于生产管材的消耗量占HDPE 总量的 8.9。日本 1998 年 HDPE 管材的消耗量为 67kt，约占 5.6。主要用于水管、雨水管及输气管。澳大利亚的塑料管材目前占整个市场约 40%，其中 HDPE 管材占市场第 2 位，大约占销售额的 30。主要应用于气体和采矿市场，大直径管材应用于水分配和电信领域 HDPE 燃气管在西方国家已经十分普及。 HDPE 固体输送管近年来也获较快发展，欧美许多国家在疏浚工程中用来输送河沙、泥浆，在矿山中用来输送矿渣，已显示出它固有的耐磨性、耐腐蚀性好和压力损失低等特点。 与国外相比，我国对 HDPE 管材及专用料的开发与推广应用起步较晚，进入 20世纪 80 年代，HDPE 管材才逐步应用于建筑、农田灌溉及地矿、石油化工、冶金、有11色金属、煤炭、轻工等工业系统。1999 年，我国各种塑料管材的总产量已达1000kt，其中 PE 管材 360kt，占 36，主要用于燃气管、给排水管、灌溉管、矿用管和保温套管等。 大庆塑料制品厂生产的燃气管经过热熔接和电热管件熔焊应用于哈尔滨市煤气输送管道，几年来运行良好。青岛化工学院高分子材料研究所研制成功交联 HDPE 铝塑复合管材4，可用于自来水管、热水管、煤气管、暖气管、空调器连接器、油田油井管等，其应用前景广泛。 HDPE 管在矿业方面也有很大的应用潜力。扬子石化公司研制成功的 HDPE 矿用固液输送管具有质量轻、耐腐蚀、耐磨损、不结垢、耐大气老化和低温性能好等特点，使用温度最低可达-40，其专用料各项技术指标均达到德国 Hoechst 公司的GM5010T2 树脂的标准，并在国内同行中率先开发出大口径厚壁管，已在青海盐湖400kt 扩建工程水采浮管系统中取得了成功应用，替代了美国进口的系列矿用管敷设长度达数十公里在高原恶劣的气候条件下，管道的使用情况良好，特别是防腐蚀性能优异。该管材还代替价高的合金管，首次应用于扬子石化公司炼油厂常减压二车间与硫回收车间之间的 1400m 具有较强腐蚀性的含硫污水管线，使用效果良好。在HDPE50005 中掺混十溴联苯醚、三氧化二锑及适量硼酸锌的复合阻燃添加剂和有机抗静电剂并加入适量无机盐增效，研制成具有阻燃及抗静电性能的 HDPE 瓦斯抽放管，可代替原钢管，在矿井无光照条件下的使用寿命可达 50 年以上5。该 HDPE 管还可应用于城市煤气管道。 据介绍，总投资达 56 亿元的国内输煤管线从山西孟县经山东潍坊到青岛，管道输煤以水煤浆料为主，也需要大量的 HDPE 管。2005 年我国塑料管材管件市场将超过1200Kt,2010 年可达到 2000Kt。12第二章第二章 原料及配方设计原料及配方设计第第 2.12.1 节节 配方设计配方设计2.1.12.1.1 塑料配方设计的意义塑料配方设计的意义 目前，已投入工业化生产的树脂不下几百种，虽然有如此众多的树脂可供选择，但要想找到一种满足要求的完美的树脂品种是十分困难的，因为每一种树脂都有一定的局限性，既有自己的独特之处，也有自己的薄弱环节。 而开发一个新的树脂品种往往需要几年、甚至更长的时间，而改善树脂的性能，即改性，可以在很短的时间内完成，因此改性是优化树脂的一种最为有效的方法7。归纳起来，塑料配方的优化设计主要体现在如下几个方面： 1.改善加工性能 有些树脂品种本身的加工性不是十分不好，可通过添加合适的加工助剂，改善其加工性能。 2.改善树脂的内在性能 塑料制品设计人员常选取性能最接近塑料制品要求的树脂品种，并对其进行适当的改性，使之完全满足制品的需要。 3.降低成本 物美价廉是每一个设计者的首选目标。也就是说，树脂在满足制品要求性能的前提下，制造成本越低越好。 降低成本的方法主要有两种，即填充法和发泡法。填充法是在树脂中加入价格低廉的工业矿物及工业废渣，如碳酸钙、滑石粉、高岭土、粉煤灰、红泥、硅灰石及硅藻土等7。2.1.22.1.2 塑料配方设计的原则塑料配方设计的原则1.根据制品的用途设计,本设计为矿用管应具有阻燃和抗静电性能；2.在进行混合时，助剂与树脂之间应具有良好的相容性；3.助剂的加工温度应满足造粒过程以及管材加工过程的最高温度；134.所设计的配方应适合造粒工艺和挤出工艺流程；5.助剂的来源应丰富，其成本在满足所需性能要求的前提下尽量降低；6.根据设计的用途，在本设计的配方中所有原料应是无毒的8。2.1.32.1.3 塑料配方设计方法塑料配方设计方法 在设计配方时一种配方中往往有很多助剂品种，不同品种之间加入量如何搭配，如果盲目地进行试验，要进行很多次数，而采用先进的设计方法，可以大大地减少试验次数，节省工作量，应用计算机技术进行配方设计，更使其准确、快捷9。第第 2.22.2 节节 原料的选择原料的选择2.2.12.2.1 HDPEHDPE 树脂的选取树脂的选取 聚乙烯是分子结构最简单的一种树脂，原料来源丰富，价格低廉，具有优异的电绝缘性和化学稳定性，易于成型加工，品种较多，可满足不同性能要求。 1953 年德国化学家齐格勒用低压法生产出 HDPE。它是一种无毒、无味、无臭的白色颗粒，熔点约为 130，相对密度 0.9410.965g/cm3。具有良好的耐热性和耐寒性。化学稳定性好，具有较高的刚性和韧性，而且机械强度、介电性能和耐环境应力开裂性能亦较好。HDPE 的平均分子量高，支链短而且少，因此密度高，结晶度也较高。从性能上来看，HDPE 拉伸强度高，刚度和硬度优于 LDPE，有利于制品的薄壁化和轻量化。同时，气体阻隔性和化学稳定性也优于 LDPE。 常温下，HDPE 的断裂伸长率小，延展性差，但在适当的温度条件下具有较大的拉伸倍数，利用这一点可获得高度取向的制品。取向后，制品的力学性能可大大提高。 另外，HDPE 的熔体黏度高，生产中可采用较大的吹胀比。因此一般选用 MFR 为0.010.5g/10min 的 HDPE，作为生产燃气管的树脂。2.2.22.2.2 HDPEHDPE 树脂的改性及助剂性质树脂的改性及助剂性质 1.阻燃改性 阻燃改性的原则一般是：阻燃效果好；与树脂有很好的相容性，与其他添加剂有协同作用或没有相抗性；工艺简单，价格低廉。 HDPE 氧指数为 17，而输送燃气的管材要求其氧指数大于 27，两者相差甚远，14一般阻燃办法很难达到。选用十溴联苯醚（DBDPO） 、三氧化二锑（Sb2O3）及适量硼酸锌作为复合阻燃添加剂，能产生很好的协同阻燃效果。 DBDPO 含溴为 83%，熔点为 30，分解温度为 420，在聚合物燃烧时，能不断捕获 OH 自由基，并与之反应生成水，形成水蒸气带走热量。 Sb2O3 外观为白色粉末，粒度为 35m,熔点为 650，它与 DBDPO 分解成的HBr 反应，生成 SbBr3 和 SbOBr，SbOBr 受热也会变成 SbBr3。SbBr3 是一种密度较大的不可燃气体，它能形成一层浓密的气体层罩在燃烧物上面，使之与大气隔绝，从而发挥阻燃作用。 水合硼酸锌外观为白色粉末，粒度为 10m，含 3.5 个结晶水，在聚合物燃烧时它与 DBDPO 分解生成的 HBr 反应生成 BBr3 和 ZnBr2。而这两种物质均是不可燃的无机质，可覆盖在燃烧物的表面，形成一层熔融的玻璃状“涂层” ，达到阻燃效果。 2.抗静电改性 燃气管对聚合物的抗静电要求较高，我国在 MT181-1980 中规定，输送燃气管表面电阻值不大于 1106。HDPE 是非极性高分子材料，表面电阻值高达11016，而通过采用添加导电粉（金属粉，石墨等）的方法会严重降低其力学性能。若单独用有机抗静电剂，则表面电阻只能达到 1108。如果采用在 HDPE 树脂中同时加入有机抗静电剂及适量无机盐的方法，则可成功地把 HDPE 的表面电阻值降至 1106 以下。 在有机抗静电剂 HKD-500 中加入无机高分子增效剂，可以大幅度降低 HDPE 的表面电阻值（最底可达 1103 以下） 。有机抗静电剂的亲水基有吸湿性，能在材料表面形成很薄的水膜，使材料表面电阻值达到 1108，加入无机盐后，无机盐在水膜中电离使水膜变成“离子膜” ，从而大幅度提高材料的抗静电性能10。 3.以溴类阻燃剂为主，Sb2O3 为辅的互相配合，可以实现阻燃改性，并达到MT181-88 的要求，但它们的用量仍然很大，如此大量的阻燃剂加入到 HDPE 棺材中后，带来了两个致命的问题，即管材的物理力学性质很差，甚至没有使用价值；其次是棺材的成本高的没有推广价值，使这种阻燃改性毫无实际意义。有价值的阻燃改性，要求使用具有多种功能的、价格便宜的阻燃改性剂。HDPE 管材中使用的 CPE 和CaCO3 就是具阻燃功能又可以进行机械强度改性的添加剂。CPE 是聚乙烯分子结构中仲碳原子上氢原子经氯取代的一种高分子无规氯化物（它的价格为溴类阻燃剂的1/3） 。它与 Sb2O3、 CaCO3 配合使用有很好的阻燃效果。CPE 和 CaCO3 都是机械性能15改性剂。含氯量在 35%左右的 CPE 有橡胶的柔软性，因而是一种良好的抗冲击改性剂。CaCO3 有抗弯曲改性的功能。而这两种改性是在制造 HDPE 硬质管材时必须进行的。 综上所述，本设计配方如下：表表 1.11.1 燃气管材的配方设计燃气管材的配方设计组分分数高密度聚乙烯（HDPE）100十溴联苯醚（DBDPO）4三氧化二锑（Sb2O3）2硼酸锌1HKD-5005CPE2CaCO3516第三章第三章 设计任务及工艺流程的设计设计任务及工艺流程的设计第 3.13.1 节节 设计任务设计任务 3.1.13.1.1 设计题目设计题目 原料：高密度聚乙烯（HDPE）混配料、其它助剂 产量：5000 吨/年 用途：煤矿管道主要用于输水、通风、输煤、抽瓦斯、喷浆等用途。 外观：黑色 特性： 具有阻燃性能、抗静电性能；质轻、安装方便；具有抗老化性能、抗快速开裂性能、抗冲击性能，使用寿命长；耐腐蚀、不结垢，特别适合用于井下输送高硫水质以及含钙、镁等离子的水，节省防腐及除垢的费用；具有自润滑性，输送阻力小，在相同条件下，可提高输送能 30%；热膨胀系数比钢管稍高，但模量比钢管低得多，其膨胀产生的作用相当小，材料自身即可吸收，管道系统中无需采用补偿手段；抗震性能优良。 规格型号：公称外径 90 毫米；公称壁厚 5.4 毫米。3.1.23.1.2 选题意义选题意义 煤炭是我国最重要的能源资源，2001 年度，我国 77的发电能源、65的化工原料，以及 45的日用品资源是由煤炭行业提供的。国家煤炭工业局资料显示，1999 年我国一次能源消费结构中，煤炭占 67.1，到 2050 年，煤炭在能源中的比例仍将占据 50%，那时每年全国产煤 2327 亿吨。 1999 年，全国有煤矿 4 万个，其中国有重点煤矿 595 个，地方国有煤矿 1621家，单就 30 万吨及以上矿井就有上千家，每年管道用量就在 3 万公里以上，市场前景极大。17 煤矿管道主要用于输水、通风、输煤、抽瓦斯、喷浆等用途，传统的煤炭管道是铸铁管、无缝钢管、混凝土管道、玻璃钢管道等，但金属管道主要存在密度大、铺设、运输、安装困难，管道易腐蚀等问题。混凝土管道存在重量大、运输、安装不方便等问题，因此近年来在煤矿用材料“以塑代钢、以塑代木”精神的指导下，塑料煤矿用管道得到了长足的发展，截止到 2006 年 11 月份，总计有 84 家公司办理了煤矿井下用管道的安全标志，其中玻璃钢管道厂家 26 家，PVC 管道厂家 10 家，PE管道 45 家，其他类管道 10 家，其中部分厂家同时生产两种材料以上的管道。从以上数据可以看出 PE 管道是近年来发展最快的一种管道。 煤矿用聚乙烯管材必须经国家采煤机械质量监督检验中心检验合格（其性能均符合国家 MT558.1-1996 标准） ，并通过国家煤炭部的批准,获准使用“煤矿安全标志”证书。在全球能源紧缺、煤炭资源日益受到重视的今天，市场潜力极为广阔，凭借卓越的理化性能，PE 矿用管道已成为替代井下钢管、玻璃钢管的最佳选择11。3.1.33.1.3 设计主要内容设计主要内容 根据产品要求，确定配方，进行生产方法及工艺流程论证；根据年产量及产品规格进行物料衡算，并在此基础上确定合适的设备型号和数量；对生产车间的安排和布置进行详细论述；对管材挤出机头进行详细地计算和设计；对生产车间的采暖、通风、照明、防火、环保以及人员编制情况进行概述；并对生产车间的经济效益进行初步核算。第 3.23.2 节节 工艺流程概述工艺流程概述 整个生产工艺过程可分为造粒和挤出两个工段，具体如下： 物料（HDPE 树脂及各种助剂） 称量 捏合（高混、冷混） 挤出造粒 挤出成型 冷却定型 牵引切割 成品检验3.2.13.2.1 造粒工段的流程设计造粒工段的流程设计 造粒工序流程为： 原料的配制 称量 捏合（ 高混、冷混） 造粒机粒料成型 在配料阶段 HDPE 树脂要经过筛选，过筛的目的是为了防止机械杂质混入树脂中影响塑料制品的质量，甚至损坏设备，所以为了保证正常生产及产品质量，必须进行过筛。常见的筛析设备主要有圆筒筛、振动筛和平面筛。影响筛选效率的主要因素包括： 物料的粒度与筛孔尺寸 物料在筛面上的移动速度（一般取 0.1m/s 左18右，移动速度慢，筛选效率高） 筛选面的倾斜度和有效面积。因为振动筛有噪音低、驱动功率小、振动功率大、调节振幅方便、筛选能力大等优点，所以本设计选用振动筛。 对于物料的输送，从使用角度和经济方面来考虑，将筛选后的 HDPE 树脂从一楼送至四楼的方法采用风送。输送树脂的装置有四种，分别是风送、袋式输送、螺旋输送和斗式提升输送，其中以风送最经济，且维护方便。所以本设计选用罗茨鼓风机进行风送。由罗茨鼓风机将 HDPE 树脂粉料由风送至四楼储罐。在 HDPE 储罐入口处安装旋风分离器，其作用是除去树脂中的灰尘。而对于其它助剂，由于用量较小，所以不适合选择旋风分离器，通常都是由人工定时加入到储罐中。 在每个储罐外壁接近出口处都装有仓壁振动器，主要是为了使物料不易堵塞出口，使物料不易粘着在罐壁内表面，不影响物料在生产过程当中顺利流出。储罐中的物料都是借助重力作用下流，因此可节省一定的动力输送。HDPE 树脂和各种助剂分别经过电子配料秤（在这里本设计采用 HDPE 树脂单独使用一台电子配料秤，其他助剂分别使用两台电子配料秤） ，严格按配方比例称量，称量后直接进入混合机组，在该处物料经过高混和冷混。混料过程是实现使添加剂均匀混合的步骤，而混炼过程还有对成型有利的一面，由 CPE 特性可知，凡是配合中加有 CPE 的塑料制品，不经混炼成型是很困难的。高混和冷混是对物料均起到混合作用。进行高混的时间一般为 615 分钟，进行高混的目的主要是使物料混合均匀，起到部分塑化作用。而冷混的目的则是对高混后的物料进行降温和进一步混合。对于热塑性塑料 HDPE，使之快速冷却排除其中多余的热量是很有必要的。混好后的物料借助重力流程进入一楼的临时大混合料储罐，在此必须注意防止混合料发生结块和吸湿。然后通过人工分别运至造粒车间的各个过渡储罐。 输送到过渡储罐中的物料，用弹簧上料器送至造粒机的上料槽中，物料在造粒机中熔融塑化后。经切刀切割成粒，然后运输，经缝包机缝包，用小车运至挤管车间。3.2.23.2.2 挤管工段流程设计挤管工段流程设计 挤管工段流程如下： 粒料料槽 弹簧上料器 挤出机 机头定径、冷却装置 滚轮牵引装置 切割装置 堆放装置检验包装19 从造粒工段生产出的粒料通过小车运到挤管车间的储罐中，通过弹簧上料器送到挤出机的料斗当中，经熔融加压后由机头挤出。挤出机分为单螺杆和双螺杆两种，单螺杆挤出机具有如下优点：较高的生产效率，产品质均，致密；可根据产品的不同要求改变产品的断面形状，生产过程连续，应用广泛；可以完成不同工艺过程的综合加工；造价低廉，车间粉尘含量低，生产条件清洁等，所以本设计选用单螺杆挤出机。挤出机头大体上分为偏移式和直通式，由于本设计的 HDPE 管为中型管径，所以本设计选用直通式机头。 为了获得高光洁度的、尺寸准确和几何形状正确的 HDPE 管材，进行冷却定型是非常重要的。定型方法分为外径定径法和内径定径法，本设计选用外径定径法。对于高密度聚乙烯管材来说，采用速冷工艺，因为骤冷可使管子表面光泽好，结晶度小，强度高，各向性能均匀。而结晶度小对抗静电改性剂有利，结晶度越小，加入同样配比的有机抗静电剂，管材表面电阻率下降越多，所以骤冷对改善抗静电性能和机械性能均有利。此外，在造粒和挤管时，把温度控制在一个适当的范围内。在配方组成的诸多添加剂中，大部分组成成分的分解温度在 200以上，只有 CPE 的分解温度为 170，无机抗静电助剂在 177.8时发生升华。有关资料表明，温度控制在 140195之间，不会有多少 CPE 分解，无机抗静电助剂升华的量也不会多，因为实际造粒和挤管过程中，物料通过高温段的时间比较短暂。由此可见 140195的温度范围对造粒和挤管也是适合的12。20第四章第四章 物料衡算物料衡算第第 4.14.1 节节 计算任务计算任务当生产工艺过程确定下来时，各生产工序的物料比例以及物料转变的定量关系也随之确定。根据这种定量关系进行的计算实为物料衡算。物料衡算实质上是“质量守衡定律”的一种表现形式。对于一个确定的生产过程，进入该过程的物料应等于其排出的物料量及其过程的积累量： F=D+W式中：F进料量，D出料量与损耗量，W累积量。本设计工艺过程属于稳态连续过程，而且生产过程中不伴随化学反应发生，因而进料量总和F 等于出料量总和D， W 为零。通过物料衡算，算出各种原料消耗定额，为设备选型以及计算台数等提供依据13 14。年产 5000 吨矿用聚乙烯管材生产车间设计的物料衡算。第第 4.24.2 节节 计算基准的选取计算基准的选取1 .年工作日： 365-11（法定假日）=354 天=8496 小时2. 设备大修所耗时间： 25 天/年=600 小时/年3. 特殊情况停车时间： 15 天/年=360 小时/年4. 机头清理和换过滤网的时间： 211 次/6 天；8 小时/次354-（25+15）1/68=418.67 小时=17.44 天5.实际开车时间： 365-11-25-15-17.44=296.56 天=7117.33 小时6.设备利用率：=实际开车时间/年工作时间=7117.33/8496=0.84第第 4.34.3 节节 物料衡算物料衡算4.3.14.3.1 挤出成型工段物料衡算挤出成型工段物料衡算1.挤出成型工段物料损耗率挤出成型工段物料的损耗分自然损耗、扫地料、下脚料等，这些损耗的物料量大部分都可以回收进行再利用，下边列出各损耗一览表 4.1。表表 4.14.1 挤出成型流程物料的损失率挤出成型流程物料的损失率工序自然损耗扫地下脚料一次 成品百分率%0.10.45.5942.挤出成型工段物料衡算 根据上表数据和本次设计下达的任务，计算出各项损耗量如下：半成品粒料的理论需求量：500094%=5319.15 吨/年自然损耗量占： 5319.150.1%=5.32 吨/年扫地料占： 5319.150.4%=21.28 吨/年下脚料占： 5319.155.5%=292.55 吨/年下脚料回收破碎量（回收率为 95%）：292.55（15%）=277.92 吨/年颗粒中需加回收料量：5319.155%=265.96 吨/年回收率为：265.96292.55=90.9%223.挤出成型工段物料平衡表表表 4.24.2 挤出成型流程的物料平衡挤出成型流程的物料平衡 单位：吨/年工序 输入物料 自然损耗 扫地料下脚料 成品物料量5319.155.3221.28292.5550004.3.24.3.2 造粒工段造粒工段1.造粒工段物料损耗率 在造粒流程里，物料要经过筛选、输送、高混、冷混等过程才能进行挤出造粒。而这些过程中物料不可避免的要损失一部分，下表为各个工段的物料损耗系数。表表 4.34.3 塑化选粒工段物料损耗系数塑化选粒工段物料损耗系数工序筛选自然输送扫地高速混合冷却混合挤出 造粒自然 扫地粒料风送损耗率%0.20.30.10.10.20.30.2合计损耗率%0.50.10.10.50.2总损失%1.42.造粒工段物料衡算 进入本工序的物料量=出料量（1-本工序的损失率） 单位：吨/年实际半成品的粒料量：5319.15（1-5%）=5053.19回收率为 5%进入风送物料量：5053.19（1-0.2%）=5063.32 进入挤出造粒时物料量：5063.32（1-0.5%）=5088.76 进入冷混机的物料量：5088.76（1-0.1%）=5093.85进入高混机的物料量：5093.85（1-0.1%）=5098.95进入筛选输送物料量：5098.95（1-0.5%）=5124.57233.塑化造粒流程物料平衡表 塑化造粒流程要经过很多步骤，例如：筛选输送、高混、冷混等，下表列出各个过程所需的物料量。表表 4.44.4 塑化造粒工段物料的平衡塑化造粒工段物料的平衡工序输入物料 kg 回收 kg 小计 kg输出物料 kg 损失 kg 小计 kg筛选输送高速捏合冷却捏合挤出造粒风送粒料半成品合计5124.57 5124.575098.95 5098.955093.85 5093.855088.76 5088.765063.32 5063.325053.19 265.96 5319.19 5319.1520395.8190 102.4916 20498.310620375.4232 20.3958 20395.819020355.0478 20.3754 20375.423220253.2726 101.7752 20355.047820212.7660 40.5066 20253.272621276.5957 21276.5957 21276.59574.各组分需求量经过计算可以得配方中各个原料的理论需求量，本设计的配方按配比可以算出各组分的理论需要量，如下表 4.5 所示：表表 4.54.5 粉粒中各组分理论需要量粉粒中各组分理论需要量原料名称配方份数百分率%消耗（吨）年需要量（吨）日需要量（吨）时需要量（kg）HDPE10084.03840.3430636145260505DBDPO43.3633.6172190582498Sb2O321.6817.486090291210硼酸锌10.848.44305015605HKD-50054.2042215230733024CaCO354.2042215230733024CPE21.6816.886090291210第第 4.44.4 节节 物料衡算流程图物料衡算流程图根据物料衡算，列出其流程图如下： 单位：吨/年5124.57 5053.19 20005 5000造粒工段挤出成型工段成品24第五章第五章 生产设备的选择生产设备的选择第第 5.15.1 节节 设备选型的原则设备选型的原则一、设备选型的原则应从技术、经济和我国实际情况方面出发。要求技术上先进，经济上合理，所选用的设备应与生产规模相适应，确保产品质量，连续化大型化程度高，降低原材料等消耗，设备易制造，操作及维护保养方便。此外设计中所选用的设备要有一定可靠性。二、设备的分类和选型根据设备在生产过程中的作用和来源，塑料制品厂生产设备大致可分为定型设备和非定型设备。 1.定型设备一般是指不需要计算而直接选取设备，如：挤出机、破碎机等。这些设备因为连续运转，对机械性能要求较高，因此一般都由专业厂家生产15。2.非定型设备非定型设备的一般是指储料罐等规格和材质都不定型的辅助设备。选择时要注意选择合理的容积，容积过小，设备台数众多，占地大；容积过大，会造成浪费资源。此外，还要考虑设备防腐。在本次设计的设备选择所遵循的原则是：选用设备与生产规模相适应，最大限度的提高设备的利用率，同时提高连续化、大型化生产程度和劳动生产率，尽量降低原材料和能源的消耗。另外，设备要容易制造，而且操作及维护保养要方便1617。第第 5.25.2 节节 定型设备的选择定型设备的选择损失 71.38加入回收料265.96损失及下脚料363.93255.2.15.2.1 挤出造粒机的选择挤出造粒机的选择为了适应生产能力，保证粒料的质量，又因本车间的生产任务很重，因此选择造粒机为 SJ-200-A ，其参数如下：表表 5.15.1 造粒机性能参数表造粒机性能参数表型号SJ-200-A螺杆直径（mm）200螺杆长径比20:1螺杆最高转速（r/min）515生产能力（kg/hr）200400电机功率（kw）7.5电压（伏）380加热方式铸铝加热器机器中心高(mm)1100外形尺寸（mm）588026702975重量（吨）12生产厂家大连橡胶塑料机械厂根据 SJ-200-A 型造粒机的生产能力为 200400kg/hr，则取 400kg/hr，需要造粒机台数为：(5088.761000)（4007117.33）=1.79 台 取 2 台 因此，所需的造粒机台数为 2 台。5.2.25.2.2 挤出机及其辅机的选择挤出机及其辅机的选择5.2.2.15.2.2.1 挤出机的选择挤出机的选择由于制品形状简单，较易冷却定型，选择牵引速度为 1.5m/min，查书知：线重=1.48kg/m因而成型挤出机每小时的生产能力为：生产能力/每小时=线重牵引速度 =1.48（1.460）=124.32kg/h故需成型机台数为：5053.191000（7140124.32）=5.7 台6 台26故选 6 台挤出机及 6 台辅机为宜。 跟据生产能力选取 SJ-90/25 型号的挤出机。表表 5.25.2 SJ-150SJ-150 挤出机参数表挤出机参数表型号SJ-90/30螺杆直径（mm）90螺杆长径比30:1螺杆转速（r/min）80最大挤出量（kg/hr）128驱动电机功率（kw）55 加热区8电机功率（kw）变频调速外形尺寸(mm)400024002000价格（万元）9.6生产厂张家港市震雄塑料机械厂5.2.2.25.2.2.2 挤出辅机的选择挤出辅机的选择冷却定型套：规格：125mm冷却装置：表表 5.35.3 冷却装置冷却装置最大冷却管径(mm)166冷却槽长度（mm）3000冷却介质水外型尺寸(mm)30007201150重量200牵引装置：表表 5.45.4 牵引装置牵引装置牵引管径范围（mm）35-170牵引速度（ m/min）0.151.527外型尺寸（mm）14358191360切割装置： 表表 5.55.5 切割装置切割装置切割最大范围（mm）170锯片转速（转/分）140切割功率（kw）1.1外型尺寸（mm）195010751210重量（ Kg）390支架： 表表 5.65.6 支架支架托管最大管径（mm）170导向槽长度（mm）3000外型尺寸（mm）30004001042重量（ Kg）约 100全套辅机重量：约 1.8 吨5.2.35.2.3 高速混合机组的选型高速混合机组的选型捏合是为了增加各组分微小粒子的空间的无规程序，捏合设备的搅拌，振动翻滚和研磨等作用来完成的。本设计选用 SHR-2005001000 系列混合机组。表表 5.75.7 SHR-2005001000SHR-2005001000 高混机高混机型号SHR-2005001000总容积(L)200有效容积(L)120140电机功率(kw)15外形尺寸(mm)175011001400重量(t)2.6528生产厂家青岛橡胶塑料机械厂校核：高混机的每锅混料为：0.95140=133kg定每小时上料 6 次,则每 10 分钟上次料，则总质量为：1336=789kg所以需要高混机的台数为:5098.957117.33=716.41kg/h(5098.951000)(7987117.33)=0.9 台1 台 SHR-2005001000 混合机组的有效容积为 120/140L,符合本设计要求,选取 1 台即可。5.2.45.2.4 冷混机的选取冷混机的选取表表 5.85.8 SHL-500130BSHL-500130B 冷混机冷混机型号SHL-500130B总容积(L)500有效容积(L)300320产量（kg/L）400电机功率(kw)11冷却形式冷水排料方式气动外形尺寸(mm)230014201560重量(kg)2400参考价格（万元）5.0生产厂家阜新市红旗塑料机械厂冷混机的台数：每小时上料 3 次，每 20 分钟上一次：29（5093.851000）（79827117.33）=0.45 台1 台所以本设计需要用 SHL-500130B 型冷混机一台。5.2.55.2.5 破碎机的选取破碎机的选取在本设计中,下脚料回收量为 265.96 吨,每小时破碎量为265.961000/7117.33=37.37kg/h故选用 SWP-100 型破碎机 1 台。破碎机参数如下表：表表 5.95.9 SWP-100SWP-100 型破碎机参数型破碎机参数型号SWP-010旋转刀回转直径（mm）100筛孔直径（mm）100旋转刀数量(组/把)2固定刀数量(组/把)2破碎能力（kg/h）40外形尺寸(长宽高)（mm）560370925重量(kg)120参考价格(万元)0.34生产厂青岛胶州红星橡塑厂5.2.65.2.6 自动配料秤的选取自动配料秤的选取在塑料成型加工中，为了改良 HDPE 的性能，需加入多种助剂，为了准确按照配方的比例，助剂及 HDPE 的量需用配料秤严格称量，否则会影响挤出管材的质量。在选择配料秤前要先做一系列计算：以高混每锅的有效体积计算每锅混合的不同组分的质量。高混一锅的质量为：133kgHDPE 粉料一锅所含的质量为：13384.03%=111.76kgDBDPO 粉料一锅所含的质量为：1333.36%=4.4688kgSb2O3 粉料一锅所含的质量为：1331.68%=2.2344kg硼酸锌粉料一锅所含的质量为：1330.84%=5.586kgHKD-500 粉料一锅所含的质量为：1334.2%=1.1172kg30碳酸钙粉料一锅所含的质量为：1334.2%=5.586kgCPE 粉料一锅所含的质量为：1331.68%=2.2344kg则根据计算一锅中各助剂需要的质量选则秤，为了按配方严格称量各组分，设计中选用秤的相对偏差应控制在 1%以下，因此按此要求联系实际选用两种规格的配料秤。其中 HDPE 选 TCS-150-0BC 型，选用 DBDPO 粉料、硼酸锌粉料、碳酸钙粉料用XSP-0010 型电子秤一台；Sb2O3 粉料、抗静电剂 HKD-500 粉料、CPE 粉料用 SXP-0006 型电子秤一台，这 3 种秤的规格如下：表表 5.105.10 自动配料秤参数自动配料秤参数型号XSP-0010XSP-0006TCS-150-0BC最大称量（kg）106 150最小称量（kg）0.010.0050.01精度1/4001/400外形尺寸（mm）274634015802746740158034202480显示形式数字数字数字厂家价格（元）150001400012000生产厂上海东方衡器厂5.2.75.2.7 台秤台秤在造粒工艺流程中，混合好的粉料经造粒机造粒后，要经台秤称量、缝包，而后送至粒料贮室。因此根据一袋粒料的重量选择 TGT100 台秤。其规格如下：表表 5.115.11 TGT-50TGT-50 参数参数型号TGT-100最大称量（kg）100支重板边长（长宽）400300全高(mm)600最大刻度值(kg)5最小刻度值(kg)0.05游轮重量（kg）0.1531第第 5.35.3 节节 非定型设备的选择非定型设备的选择5.3.15.3.1 罗茨鼓风机、旋风分离器和除尘器的选择罗茨鼓风机、旋风分离器和除尘器的选择5.3.1.15.3.1.1 气体输送计算气体输送计算气力输送分压送式和吸送式两种型式，是目前广泛使用的一种输送方式。本设计HDPE 粉料从一楼到四楼采用的是压送式气力输送，其价格相对便宜，设备和输送装置的构造也要简单，运转管理较方便。1.确定混合比 m混合比的大小与输送能力由直接的关系。混合比 m 越大，有利于增大输送能力。在规定的生产率条件下，m 大所需风量就小，这样可用管径较小的管道及容易分离、除尘设备，且单位能耗也较低。然而，如果 m 太大，在悬浮状态下输送时，输料管易产生堵塞，管道压力损失也相应增大。又因混合比的数值受到风机性能、物料的物理性质、输送方式以及输送条件等因素的限制。在设计计算时，应参考各种实例以及上述条件来选定或调整合适的混合比。一般选取的范围如下表示：本设计采用的是低压压送式 ， m=110 ，选取 m=8。表表 5.125.12 混合比的推荐数值混合比的推荐数值输送方式 m 值低压110高压1040压送式液态化压送4080 或更高2.确定计算生产率本设计中输送线的平均昼夜输送量 Gd=15.03 吨，则气力输送装置的生产率 G 计可按下式确定：G 计 = GdK1K2/ T = 15.031.151.22=10.37t/h式中 T 装置一昼夜工作的时数，因为每昼夜上料 6 次，每次 15 分钟，所以取 2 小时。 K1物料发送不均匀系数，与工艺过程特点，物料发送机械型式有关，如果物料通过供料器送入输送线，取 1.15；32K2考虑远景发展的系数，取 1.2；Gd平均昼夜输送量，吨；3.确定风量 Q 计输送物料段需风量，可由下式确定：Q 计=G 计/ (ma) 式中 G装置计算生产率 a空气密度。 （在常温下 a=1.164/m3）Q 计=G 计/ma=10.37100081.164=1113.62（m3/h）在决定风机的风量时，应加上管道系统的漏流量，它通常占系统总风量的1020%，所以实际风量为：Q 实=1113.62（1.11.2）=1224.9821336.344（m3/h）4.确定输送风速 u在设计气力输送装置时，正确选择输送气流速度是关系到装置运转性能的好坏和经济性的重要问题。输送风速太低则容易形成脉冲动流，使摩擦压力损失增高，且可能产生管道堵塞。反之，如果输送风速过高，不仅能耗增加，脆性物料也容易破碎，而且输送管、弯头的磨损也会加剧。输送气流速度 u=（m）1/2 输送物料粒度系数， 在 1016 之间，取 =14 m物料重度 kg/m3 ，m 为 0.96 kg/m3 则 u=（m）1/2=14（0.96）1/2=13.72m/s5.计算管道直径 D 料 D 料=4Q 实/(3600nu) 1/2 =(41113.62)(36003.14113.72) 1/2 =0.1694m=169.4mm 查化工容器及设备简明手册表 YB231-70 标准管与其接近的查外径 180mm，壁厚 5mm 的热轧无缝钢管。则管的内径 d=180-52=170mm所以实际风速为： u=4Q 实/(3600D 料 2 )=(41113.62)(3.140.170023600)33=13.64m/s 一般规定气体在进口速度为 1025m/s，u=13.64m/s 在此范围内，所选的钢管符合要求。6.计算气体输送的压力降（1）从风机到加料器的压力损失P1 规定从风机到加料器的距离 L0=2m。空气粘度 =0.0178 PaS，无缝钢管的绝对粗糙度 为 0.10.2mm，取 =0.2mm。根据公式 Re=du/=（17013.641.2050.0178 =1.57105因为 /d=0.001经查阅化工原理中图 1-33 得到： =0.022P1=（L0/d）（u2/2g） =0.022（2/0.170）（1.16413.642/29.8） =2.86kgf/m2（2）由加料器到输送管道的加速损失P2根据经验公式：P2 =（c+m）u2/2 式中：c 根据加料方式取值，一般 c 取 110，取 8。 P2 =（c+m）(a u2/2)=（8+8）(1.16