CN102133785A - 二氧化碳连续稳定注入方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种二氧化碳连续稳定注入方法及装置。将液态二氧化碳从二氧化碳储存装置输送到泵送装置，然后通过管路输送到加工装置，在泵送装置与加工装置之间的管路上设有压力调节装置，所述泵送装置上设有冷却装置，冷却装置与二氧化碳储存装置通过管路相连通，二氧化碳储存装置中的液态二氧化碳通过管路在二氧化碳储存装置与冷却装置之间循环，将泵送装置中的二氧化碳保持在液体状态。本发明具有能够连续稳定注入二氧化碳的特点。

Description

二氧化碳连续稳定注入方法及装置

技术领域

本发明涉及一种高分子泡沫塑料加工方法及装置，具体地说，涉及一种二氧化碳连续稳定注入方法及装置。

背景技术

泡沫塑料是气体分散于固体聚合物中形成的聚集体，具有质轻、隔热、缓冲、绝缘、防腐、价格低廉等优点，因此在日用品、包装、工业、农业、交通运输业、军事工业、航天工业得到广泛应用。为了得到高发泡倍率的发泡塑料，通常采用低沸点挥发性化合物作为发泡剂，即物理发泡剂，当树脂受热时它们挥发，产生大量气体，使树脂发泡。常用的物理发泡剂有氯氟烃、含氢氯氟烃、低沸点脂肪烃，如丁烷、戊烷、丙烷等，另外还包括空气、氮气、二氧化碳、水等。氯氟烃以及含氢氯氟烃类发泡剂由于破坏臭氧层，引起的环境问题日益引起关注，因此，目前全球范围内已立法限制使用；而低沸点脂肪烃类由于存在易燃易爆等安全问题，对发泡设备、厂房、产品储藏及运输等有严格要求，因此环境友好的惰性气体，如二氧化碳、氮气、空气等成为环保型替代发泡剂，使用这类惰性气体避免了对臭氧层的破坏，且不易燃易爆，降低操作安全性，且成本较低，在泡沫塑料生产领域有广阔的应用前景。

二氧化碳由于无毒、无味、不燃、价格便宜、易得等特点而倍受青睐，且二氧化碳的临界温度(31℃)和临界压力(7MPa)较容易达到，因此在塑料塑化加工条件下二氧化碳通常处于超临界状态。而超临界二氧化碳既具有液体的密度与介电常数，又具有气体的低粘度，因此具有高扩散性和溶解性。目前，二氧化碳在热塑性塑料高发泡制备方面最具发展潜力。

作为一种发泡剂，其含量或加入量不仅影响发泡制品的表观密度、泡孔结构，而且对聚合物熔体粘度及加工温度有重要影响。如果发泡剂注入量不稳定或均匀，得到发泡制品的密度和泡孔结构将不均匀，进而导致制品的密度、力学性能、保温性能不均匀，甚至造成制品翘曲变形等严重缺陷，因此连续稳定注入发泡剂是得到性能良好的泡沫塑料制品的关键。

使用二氧化碳作为发泡剂生产泡沫塑料制品时，通常的做法是通过减压阀从气体钢瓶中直接加入，然而，根据此方法，由于在发泡剂加入部分树脂压力的波动而导致发泡剂流动速率的波动，结果制品中出现发泡不均匀现象，且当发泡剂加入部分的树脂压力高于气体钢瓶中的压力则不可能用此方法加入发泡剂。

美国专利US5450743公开了一种往复式柱塞泵，通过设定柱塞在缸体中的位置以及柱塞往复频率可以将一定流量的二氧化碳液体泵出到色谱柱中。由于色谱柱内液体压力基本稳定，所以可以连续稳定地泵出需要量的二氧化碳。而对于塑料加工设备，二氧化碳注入口处塑料熔体压力波动不稳定，而出口压力波动将导致柱塞泵泵出液体流量波动，因此，此专利公开的柱塞泵不能用于连续稳定泵送二氧化碳到塑料加工设备中。

日本专利特许公报41161/1994提出将带压二氧化碳储存在高于临界温度的罐中，再将该带压二氧化碳减压并以9.8MPa或更高的压力充入挤出机同时控制其流率。但使用该专利将限制二氧化碳的最大加入量，如果二氧化碳的比率超过2重量％就不能被稳定地加入塑料加工***中，因此使用该***很难得到质量均匀稳定的高发泡制品，此外使用该工艺，二氧化碳的流动速率很难控制。

中国专利CN99118908.6公开了一种将超临界二氧化碳加入塑料成型机中的方法，该方法将二氧化碳从液化钢瓶充入至预定量输送泵中，此间通过冷却介质循环器冷却二氧化碳，并维持二氧化碳为液化状态，通过预定量输送泵将液化二氧化碳压缩和输送，并通过压力控制阀将二氧化碳输送压力控制在一定范围，然后加热该二氧化碳至二氧化碳的临界温度(31℃)以上，将二氧化碳转化为超临界二氧化碳，然后将此超临界二氧化碳加入到塑料加工设备中。该专利公开方法虽然可以保证超临界二氧化碳以一定的输送速率加入到塑料加工设备中，但为了保证二氧化碳进入输送泵中时为液化状态，该***需要专门配置一套冷却循环***，使用冷却液冷却二氧化碳，通常需要冷却至-25℃以下，采用热绝缘层消除输送泵内的热交换，设备结构复杂，且在工作中需要开启制冷***，操作工艺复杂且耗费时间和能源，并且不能将由于柱塞泵运动产生的热量导出，造成缸体内温度上升，以及二氧化碳被压缩造成自身温度上升，这些都可能造成缸体内二氧化碳由于温度升高而气化，从而影响柱塞泵的泵送效率和泵出二氧化碳的流量稳定。该发明采用柱塞泵和流量计进行泵送和流量的控制，适用于高压流体(大于15MPa)的流量计不仅价格昂贵，而且只有较少厂家才能根据用户要求生产，同时流量计需要与柱塞泵之间建立控制关系才能有效地进行反馈控制。

中国专利CN200910032842.4公开了一种聚苯乙烯挤塑板生产用二氧化碳发泡剂注入装置及其注入方法，该专利公开的发泡剂注入装置通过两个计量泵实现二氧化碳的增压及计量输送，该专利装置和方法虽然采用一级计量泵解决了二氧化碳易气化的问题，但同样没有解决二级计量泵的冷却问题，且由于塑料加工装置中二氧化碳注入口处塑料熔体压力波动将造成二阶计量泵出口压力波动，这些都可能导致二级计量泵泵出效率下降以及泵出二氧化碳流量不稳定，不能由此设备和方法得到品质均匀的塑料发泡制品。

发明内容

为克服现有装置中存在的结构复杂、流量不稳定、输送效率低等技术问题，本发明提供一种将二氧化碳连续稳定注入热塑性塑料加工装置中的装置及注入方法。

本发明所提供的二氧化碳连续稳定注入装置，包括二氧化碳储存装置、泵送装置和液体输送管路，二氧化碳储存装置和泵送装置之间通过管路连通，泵送装置出口通过输送管路与塑料挤出机注气口相连通，泵送装置出口液体管路上设有压力调节装置，泵送装置上设有冷却装置，冷却装置与二氧化碳储存装置通过管路相连通。

所述的泵送装置为柱塞计量泵或隔膜泵。

本发明提供一种使用上述装置的二氧化碳连续稳定注入方法，包括以下步骤：将液态二氧化碳从二氧化碳储存装置输送到泵送装置，然后通过管路输送到加工装置，使二氧化碳储存装置中的液态二氧化碳通过管路在二氧化碳储存装置与冷却装置之间循环，冷却泵送装置内的二氧化碳，使其保持在液体状态；调节泵送装置出口管路上的压力调节装置，使泵送装置出口压力维持在10～35MPa；调节泵送装置的频率或行程控制二氧化碳的注入量。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1、现有技术采用单独的冷却***对柱塞泵进行冷却，不仅需要消耗大量的能量，增加一套专用的冷却装置，同时对冷却介质有特殊的要求，通常需要冷却至-25℃以下才有作用。而本发明将冷却装置与二氧化碳储存装置通过管路相连通，二氧化碳储存装置中的液态二氧化碳通过上述管路在二氧化碳储存装置与冷却装置之间循环，将泵送装置的二氧化碳保持在液体状态，具有设备结构简单，操作方便的优点。

2、本发明采用一体的柱塞计量泵或隔膜泵替代现有技术中柱塞泵+流量计进行泵送和流量的控制，具有明显的优势，首先适用于高压流体(大于15MPa)的流量计不仅价格昂贵，而且只有较少厂家才能根据用户要求生产，同时流量计需要与柱塞泵之间建立控制关系才能有效地进行反馈控制。而实际上根据二氧化碳的相图，本发明所述工艺条件下被泵送介质处于典型的液体状态，是不可压缩的，因此采用柱塞计量泵或隔膜泵进行计量是更合理和经济的技术方案。

3、二氧化碳的三相平衡点(气体、液体和超临界流体)处压力大约在7.8MPa，因此为了确保其处于液体状态，本发明将最低压力设为10MPa，同时对于发泡工艺要求来说，通常塑料挤出机的设计压力为35MPa，如果泵送介质压力超过挤出机所能承受压力，有可能会对挤出机***造成损坏，因此本发明所选用的最高泵送压力为35MPa，较合适为25MPa。

4、本发明将泵送的二氧化碳液体直接注入塑料挤出机中，由于二氧化碳在整个加工材料体系中的比例较小(低于15％)，由于挤出机内的高压状态以及高温熔体，会在很短的时间内使进入的二氧化碳处于150-200℃和15-35MPa压力条件下，二氧化碳处于超临界流体状态，因此很容易与塑料熔体进行混合并溶解进入塑料熔体中，快速形成均相溶液。因此发明不仅减少了加热装置，而且降低了***压力增高的风险(因为加热二氧化碳会引起***压力的显著增加)。

综上所述，本发明具有设备结构简单、操作方便、二氧化碳连续稳定注入等优点，在热塑性塑料泡沫生产方面具有重要应用。

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2为二氧化碳相图。

图中，1、二氧化碳储罐，2、回气管，3、压力变送器，4、注气管路，5、压力控制阀，6、熔体止逆阀，7、机筒，8、螺杆，9、传动***，10、柱塞缸冷却腔，11、柱塞泵头，12、出液单向阀，13、进液单向阀，14、液体输送歧管，15、出液总管，16、液体冷却歧管，17、柱塞缸腔，18、柱塞计量泵，20、液体输送管，21、流体截止阀。

具体实施方式

按照图1所示，本发明所述二氧化碳连续稳定注入方法，包括以下步骤：将液态二氧化碳从二氧化碳储罐1输送到柱塞计量泵18，然后通过管路输送到塑料加工装置的发泡剂注入口。

本发明所述二氧化碳连续稳定注入装置包括：二氧化碳储罐1，柱塞计量泵18和压力控制阀5及发泡剂注入口，柱塞计量泵18泵头采用夹套结构，夹套内引入来自二氧化碳储罐1的二氧化碳液体，对柱塞泵缸体进行冷却，防止缸体内二氧化碳液体气化，柱塞泵出口通过压力控制阀5保证柱塞计量泵18出口压力保持稳定在设定值。

具体地说，二氧化碳连续稳定注入装置包括：二氧化碳储罐1，柱塞计量泵18和压力控制阀5及发泡剂注入口，二氧化碳储罐1下部液体部分开设有液体出口，液体出口通过出液总管15、液体输送歧管14和液体冷却歧管16与柱塞计量泵18相连接，液体输送歧管14的入口和液体冷却歧管16的入口与出液总管15相连通。柱塞计量泵18包括传动***9、柱塞泵头11、柱塞缸、柱塞缸设有柱塞缸腔17，柱塞缸外设有柱塞缸冷却腔10，液体输送歧管14出口与柱塞缸腔17入口相连通，柱塞缸腔17入口安装有进液单向阀13，柱塞缸腔17出口与压力控制阀5入口通过液体输送管20相连接，柱塞缸腔17出口安装有出液单向阀12，压力控制阀5出口通过注气管路4与塑料挤出机上发泡剂注入口相连通，发泡剂注入口安装有熔体止逆阀6，防止聚合物熔体进入液体管路；压力控制阀5与压力变送器3之间形成闭环控制，以保证柱塞缸腔17出口与回气管20内的二氧化碳液体压力值(压力变送器3测定位置)稳定在一个合理的区间，这样通过改变柱塞计量泵18的柱塞行程和/或频率，就能够精确控制经过柱塞缸腔17出口的液体流量。

另外，在压力控制阀5与塑料挤出机上发泡剂注入口之间的管路上安装流体截止阀21。在二氧化碳泵送***启动时，流体截止阀21关闭，以保证泵送***与塑料挤出机注气口之间的管路20内能建立压力，保证泵送出的二氧化碳为液体状态，当管路20内的液体压力(压力变送器3测得的压力值)达到10MPa时，打开流体截止阀，通过调节压力控制阀5来保证管道20内的压力维持在10～35MPa之间。

液体冷却歧管16出口与柱塞缸冷却腔10入口相连通，柱塞缸冷却腔10上部设置一个出口，该出口通过回气管2与二氧化碳储罐1上部相连通，使得柱塞缸冷却腔10内气化的二氧化碳通过该出口和回气管2回到二氧化碳储罐1。

二氧化碳储罐1内储存二氧化碳液体，通常液体压力维持在2.2MPa(室温下二氧化碳的蒸汽压)左右，储罐垂直放置，靠近底部处有二氧化碳液体出口，通过该出口和流体管道将液体二氧化碳输送给柱塞计量泵18。为了监测二氧化碳储罐内的液体含量，二氧化碳储罐1上可以安装液位计和压力变送器，且二氧化碳储罐1上部安装有自动放气阀，当储罐内压力超过一定值时，自动放气阀打开，将气化的二氧化碳排除以保证储罐安全。

出液总管15的入口与二氧化碳储罐1液体的出口流体相连通，出液总管15的出口与液体输送歧管14的入口和液体冷却歧管16的入口流体相连通。在出液总管15上可以安装截止阀(图中未示出)，以控制二氧化碳储罐1内二氧化碳液体的流动，当截止阀打开时，二氧化碳储罐1内的二氧化碳液体可以通过出液总管15流动，当截止阀关闭时，二氧化碳储罐1内的二氧化碳液体不能通过出液总管15流动。液体输送歧管14可以选择性地安装截止阀(未示出)，控制二氧化碳液体通过液体输送歧管14达到柱塞缸腔17。液体冷却歧管16可以选择性地安装截止阀(未示出)，控制二氧化碳液体通过液体冷却歧管16达到柱塞缸冷却腔10。出液总管15、液体输送歧管14和液体冷却歧管16均为工业上常用的低温液体输送管，较合适为无缝不锈钢管。出液总管15的长度应尽量短，同时出液总管15及所有连接管路应采取较好的保温隔热措施，尽量减少储罐中出来的液体二氧化碳气化量。

柱塞计量泵18由传动***9、柱塞缸冷却腔10的柱塞缸腔17以及柱塞泵头11组成。传动***9带动柱塞11在柱塞泵腔17内往复运动，实现对二氧化碳液体的增压和泵送作用。传动***9为工业上通用的可以调节运动速率的电机。液体冷却歧管16与柱塞缸冷却腔10流体相连通，将二氧化碳储罐1内的二氧化碳液体引入柱塞缸冷却腔10，用于冷却柱塞泵头11和柱塞缸腔17，并将柱塞泵头11往复运动产生的热量导出，以确保通过液体输送歧管14进入柱塞缸腔17的二氧化碳保持较低的温度，处于液体状态。柱塞缸冷却腔10上部设置一个出口，该出口通过回气管2与二氧化碳储罐1上部相连通，使得柱塞缸冷却腔10内气化的二氧化碳通过该出口和回气管2回到二氧化碳储罐1。

计量和泵送液体时，由于液体具有不可压缩性，因此从柱塞计量泵18中泵出的液体体积与柱塞缸腔17的容积V₀和柱塞往复运动的频率f之间存在如下关系：

W₁＝V₀*f*ρ

W₁：单位时间泵送液体质量，即柱塞泵的泵送流率；

V₀：柱塞缸腔的容积；

f：柱塞往复运动频率；

ρ：液体二氧化碳密度

因此，通过调节柱塞缸腔17的大小，即柱塞泵头11的行程，和/或柱塞泵头11的往复频率就可以确定柱塞计量泵18的泵送流率，从而实现对流体的计量和稳定输出。对于二氧化碳而言，其状态与温度和压力密切相关，二氧化碳相图如附图2所示，二氧化碳压力在2.2MPa时，温度低于-20℃高于-50℃时二氧化碳为液态。压力2.2MPa时，若温度高于-20℃，则二氧化碳处于气态，而气体具有可压缩性，气体的密度与气体温度、压力有关，随温度和压力变化而变化，不是常量。因此，用柱塞计量泵就不能实现对流体的计量和稳定输出。对于工业上柱塞计量泵用于二氧化碳计量和泵送时，保证二氧化碳处于液体状态是稳定计量输出的关键。本发明采用从二氧化碳储罐直接引出二氧化碳液体到柱塞计量泵18的冷却腔中，用于冷却柱塞计量泵腔的柱塞缸腔17和柱塞泵头11，这样可保证柱塞泵腔内二氧化碳为液体状态。本发明装置中柱塞缸冷却腔10的上部开设出口，通过回气管2将气化的二氧化碳回流到二氧化碳储罐1中。

液体输送歧管14出口与柱塞缸腔17入口流体相连通，在流体输送管路上，柱塞缸腔17入口处安装进液单向阀13，控制二氧化碳液体从二氧化碳储罐1进入柱塞缸腔17，阻止柱塞缸腔17内的二氧化碳向二氧化碳储罐1逆流。

柱塞缸腔17出口通过液体输送管20与塑料挤出机上的二氧化碳注入口流体相连接，在流体输送回气管20上安装有压力控制阀5。压力控制阀5为一压力调节限制阀，通过调节压力控制阀5的开度，可以控制柱塞缸腔17出口与压力控制阀5之间的液体输送管20中的流体压力为某一设定值，当该段管路内压力超过设定值时，二氧化碳通过压力控制阀5进入发泡剂注气口，若该段管路内压力低于该设定值时，二氧化碳不能通过压力控制阀5。在柱塞计量泵18与压力调节阀5之间的液体输送管20上安装压力变送器3，用于监测管路***20内的压力，并反馈控制压力控制阀5的开度，使液体输送管20内的压力保持在10～35MPa之间，较合适保持在10～25MPa。若液体输送管路20内的压力低于10MPa，在室温下二氧化碳容易气化，并且形成干冰阻塞管路20，若管路20内压力高于35MPa，将一方面造成柱塞计量泵负载增大，泵送效率降低，另一方面对管路密封***的耐压等级提出更高要求，造成管路密封及管件连接件成本增加，且设备存在安全隐患。

为了保证二氧化碳能够稳定连续地进入挤出机中，在二氧化碳进入挤出机的入口处，安装熔体止逆阀6，防止挤出机内高压的熔体进入到注气管路4中，发生堵塞。机筒7和螺杆8将固体的聚合物熔融，并将熔融聚合物与液体二氧化碳在高温和高压下混合，形成均相溶液后进行发泡成型。

本发明的泵送装置除了柱塞计量泵外还可以采用隔膜泵，其优点与柱塞计量泵的类似。与现有技术相比，本发明具有设备结构简单、操作方便、能够连续稳定注入二氧化碳等特点。

Claims (8)

1.一种二氧化碳连续稳定注入装置，包括二氧化碳储存装置、泵送装置和液体输送管路，二氧化碳储存装置和泵送装置之间通过管路连通，泵送装置出口通过输送管路与塑料挤出装置注气口相连通，泵送装置出口液体管路上设有压力调节装置，其特征在于，泵送装置上设有冷却装置，冷却装置与二氧化碳储存装置通过管路相连通。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳连续稳定注入装置，其特征在于，所述泵送装置设有缸体，所述冷却装置包括设于缸体外周的冷却腔，冷却腔设有入口和出口，入口和出口分别通过管路与二氧化碳储存装置相连。

3.根据权利要求2所述的二氧化碳连续稳定注入装置，其特征在于，所述二氧化碳储存装置上设有液体出口，液体出口与出口管路相连通，出口管路分为冷却歧管和输送歧管，冷却歧管与冷却腔相连，输送歧管与泵送装置相连。

4.根据权利要求1或3所述的二氧化碳连续稳定注入装置，其特征在于，所述泵送装置设有液体入口和液体出口，所述液体入口和液体出口均设有单向阀。

5.根据权利要求1所述的二氧化碳连续稳定注入装置，其特征在于，流体连通泵送装置与塑料挤出装置之间的输送管道上设有截止阀，所述截止阀位于压力调节装置与注气口之间。

6.根据权利要求1所述的二氧化碳连续稳定注入装置，其特征在于，所述泵送装置为柱塞计量泵或隔膜泵。

7.一种使用权利要求1所述二氧化碳连续稳定注入装置的二氧化碳连续稳定注入方法，包括以下步骤：将液态二氧化碳从二氧化碳储存装置输送到泵送装置，然后通过管路输送到加工装置，使二氧化碳储存装置中的液态二氧化碳通过管路在二氧化碳储存装置与冷却装置之间循环，冷却泵送装置内的二氧化碳，使其保持在液体状态；调节泵送装置出口管路上的压力调节装置，使泵送装置出口压力维持在10～35MPa；调节泵送装置的频率或行程控制二氧化碳的注入量。

8.根据权利要求7所述的二氧化碳连续稳定注入方法，其特征在于所述泵送装置出口压力维持在10～25MPa。

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