張宇航，呂陳秋，賈志軒，曾文兵

(中國(guó)昆侖工程有限公司，北京 100037)

目前，中國(guó)已成為全球最大的聚酯生產(chǎn)國(guó)[1-2]。隨著聚酯應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，聚酯工業(yè)絲、高黏絲和聚酯瓶片發(fā)展迅速，市場(chǎng)需求旺盛。國(guó)內(nèi)外聚酯工業(yè)絲、高黏絲和聚酯瓶片的生產(chǎn)普遍采用固相縮聚(SSP)技術(shù)，該技術(shù)設(shè)備投資大、工藝路線長(zhǎng)、生產(chǎn)能耗高[3]。相比較而言，液相增黏(LSP)技術(shù)由于其工藝路線短、投資小、高效節(jié)能及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)越來越受到關(guān)注[4-6]。

傳統(tǒng)聚酯液相增黏技術(shù)往往通過增加反應(yīng)器來實(shí)現(xiàn)增黏，造成熔體停留時(shí)間過長(zhǎng)、副反應(yīng)增加、產(chǎn)品品質(zhì)不高。

作者介紹了一種新型聚酯液相增黏工藝技術(shù)，通過對(duì)聚酯四釜或五釜流程中的后縮聚反應(yīng)器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并對(duì)真空系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，在不增加反應(yīng)器和真空系統(tǒng)的情況下，可使聚酯熔體特性黏數(shù)從0.636 dL/g增加至0.805 dL/g。

1 傳統(tǒng)液相增黏工藝流程

傳統(tǒng)的聚酯增黏為固相增黏，又稱固相縮聚，是將聚酯熔體切粒后風(fēng)送至切片料倉(cāng)，通入熱氮?dú)?，聚酯切片在固體狀態(tài)下進(jìn)一步結(jié)晶和縮聚，黏度得到進(jìn)一步提高[7]，固相縮聚工藝流程見圖1。

圖1 固相縮聚工藝流程Fig.1 Process flow of solid-state polycondensation

傳統(tǒng)的聚酯液相增黏主要是以連續(xù)聚酯生產(chǎn)線生產(chǎn)的聚酯熔體為原料，經(jīng)過液相增黏系統(tǒng)，進(jìn)一步進(jìn)行縮聚反應(yīng)，得到高黏度聚酯熔體。該技術(shù)目前應(yīng)用比較多的是在常規(guī)聚酯后縮聚反應(yīng)器后面串聯(lián)一個(gè)液相增黏反應(yīng)器，高黏度聚酯熔體直接紡絲即可生產(chǎn)聚酯工業(yè)絲。如果生產(chǎn)聚酯瓶片，由于瓶片對(duì)聚酯中的乙醛含量要求較高，則再增加一臺(tái)脫醛設(shè)備，使熔體中乙醛含量降至要求值后進(jìn)行切粒即可得倒聚酯瓶片。傳統(tǒng)液相增黏工藝流程見圖2。

圖2 傳統(tǒng)液相增黏工藝流程Fig.2 Traditional liquid-state polycondensation process

與固相縮聚工藝流程相比，傳統(tǒng)液相增黏工藝流程省略了風(fēng)送系統(tǒng)、切片料倉(cāng)、預(yù)結(jié)晶器、結(jié)晶器、流化床冷卻器、靜態(tài)冷卻器，生產(chǎn)滌綸工業(yè)絲時(shí)更是省略了切粒系統(tǒng)、成品運(yùn)輸和熔融擠出機(jī)。從表1可知。對(duì)比200 kt/a固相縮聚裝置和200 kt/a傳統(tǒng)液相增黏裝置，液相增黏裝置不僅可以節(jié)省建設(shè)投資和占地，在能耗成本和人工成本等方面有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，液相直接增黏工藝是固相增黏工藝的技術(shù)跨越升級(jí)，可以預(yù)計(jì)在高黏聚酯生產(chǎn)的技術(shù)主流中，液相增黏技術(shù)必將替代現(xiàn)有固相增黏技術(shù)。

表1 固相縮聚裝置和傳統(tǒng)液相增黏裝置對(duì)比Tab.1 Comparison between solid-state polycondensation unit and traditional liquid-state polycondensation unit

雖然傳統(tǒng)液相增黏工藝可使熔體特性黏數(shù)從大概0.6 dL/g增加至0.8 dL/g以上，但預(yù)縮聚反應(yīng)器之后又繼續(xù)串聯(lián)2～3個(gè)反應(yīng)器，聚酯熔體的停留時(shí)間增加4～6 h，伴隨而來的是副反應(yīng)增加，長(zhǎng)時(shí)間高溫降解導(dǎo)致乙醛含量升高，產(chǎn)品色相b值升高，難以獲得高品質(zhì)的產(chǎn)品。另外，反應(yīng)器的增加意味著需要增加2～3套真空系統(tǒng)和乙二醇噴淋系統(tǒng)及熔體輸送系統(tǒng)，設(shè)備投資較大，流程長(zhǎng)，占地面積大，尤其在現(xiàn)有聚酯裝置上進(jìn)行增黏技術(shù)改造特別困難。

2 新型液相增黏工藝流程及技術(shù)特點(diǎn)

新型液相增黏工藝流程包括酯化反應(yīng)器、預(yù)縮聚反應(yīng)器、后縮聚反應(yīng)器、高真空系統(tǒng)、直紡拉絲系統(tǒng)/切粒系統(tǒng)。與傳統(tǒng)液相增黏工藝相比，不需要再增加液相增黏反應(yīng)器、脫醛設(shè)備及新的真空系統(tǒng)。因此不需要額外增加原有聚酯裝置的占地面積和裝置定員。

新型液相增黏工藝設(shè)計(jì)的核心仍然是反應(yīng)器和真空系統(tǒng)。通過重新設(shè)計(jì)后縮聚反應(yīng)器和真空系統(tǒng)，使預(yù)聚物在后縮聚反應(yīng)器中的特性黏數(shù)從0.28～0.32 dL/g增加至0.70～0.84 dL/g。新型液相增黏工藝流程見圖3。此外，由于熔體增黏后黏度超過600 Pa·s，甚至高達(dá)1 200 Pa·s，高黏熔體輸送也是新型液相增黏工藝中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，直接影響產(chǎn)品品質(zhì)。

圖3 新型液相增黏工藝流程Fig.3 Novel liquid-state polycondensation process

2.1 新型后縮聚反應(yīng)器

2.1.1 反應(yīng)器形式

目前常用的后縮聚反應(yīng)器主要有兩種形式：立式降膜反應(yīng)器和臥式圓盤反應(yīng)器。

在立式降膜反應(yīng)器中，預(yù)聚物從后縮聚反應(yīng)器頂部或上部進(jìn)入，反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)有物料分布器，分布器下方設(shè)有導(dǎo)流板。通過在后縮聚反應(yīng)器中設(shè)置導(dǎo)流板，將物料分成眾多的小股流束，使其在被引導(dǎo)狀態(tài)下自由流動(dòng)，由于多層導(dǎo)流的持續(xù)引導(dǎo)，小股流束在流動(dòng)中不斷通過分離、合并形成新的小股流束，小股流束的界面不斷地得到更新，從而給反應(yīng)產(chǎn)生的小分子的快速脫離提供了非常有利的條件，明顯加快了縮聚反應(yīng)的進(jìn)程[8〗。該類后縮聚反應(yīng)器僅依靠重力，在能耗方面比較有優(yōu)勢(shì)[9-10]，但高黏度熔體流動(dòng)性較差，在降膜反應(yīng)器中容易造成相對(duì)分子質(zhì)量分布不均勻，反應(yīng)器容易存在死角或熔體滯留區(qū)。另外，降膜反應(yīng)器在生產(chǎn)常規(guī)聚酯時(shí)也僅能用于較小產(chǎn)能的聚酯裝置。因此，大容量新型后縮聚反應(yīng)器選擇帶攪拌的臥式反應(yīng)器是比較合適的。然而常規(guī)臥式圓盤反應(yīng)器并不能滿足增黏要求。

2.1.2 反應(yīng)器設(shè)計(jì)要求

在設(shè)計(jì)新型反應(yīng)器之前，首先需要分析反應(yīng)器的操作條件，高溫低壓有利于聚酯縮聚反應(yīng)的進(jìn)行[11-12]，但是過高的溫度伴隨副反應(yīng)的增加，所以后縮聚反應(yīng)器內(nèi)的溫度控制在283～287 ℃比較適合，為了得到黏度更高的熔體，需要進(jìn)一步降低反應(yīng)器內(nèi)的壓力，根據(jù)出口熔體的黏度要求，壓力應(yīng)控制在80 Pa(絕壓)以下。

根據(jù)以上分析，高黏高真空的新型后縮聚反應(yīng)器在設(shè)計(jì)過程中需要滿足如下要求：(1)足夠的氣相空間，高真空下氣相的體積流量增大3～5倍，需要考慮足夠的小分子脫除空間；(2)足夠的傳熱面積和合適的攪拌速率，保證熔體受熱均勻，并形成液膜；(3)合適的筒體長(zhǎng)度，保證熔體增黏時(shí)間，過長(zhǎng)的反應(yīng)器不利于小分子脫出，也使熔體停留時(shí)間過長(zhǎng)影響產(chǎn)品質(zhì)量；(4)熔體均布器的設(shè)置，防止熔體在增黏過程中會(huì)出現(xiàn)相對(duì)分子質(zhì)量分布不均勻；(5)更高強(qiáng)度和機(jī)械性能的攪拌器，尤其是反應(yīng)器后端攪拌器；(6)反應(yīng)器死角和熔體滯留區(qū)的消除。

2.1.3 反應(yīng)器設(shè)計(jì)

1.加快國(guó)家反恐怖情報(bào)中心信息平臺(tái)建設(shè)。建立完善涉恐活動(dòng)組織與人員專業(yè)數(shù)據(jù)庫；完善關(guān)注人群活動(dòng)軌跡監(jiān)測(cè)工作；拓展線索研判分析，完善情偵聯(lián)動(dòng)機(jī)制并與基層情報(bào)部門對(duì)接機(jī)制，有效提升虛擬身份變現(xiàn)能力；探索建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；匯聚分析和關(guān)注人群滾動(dòng)篩查系統(tǒng)，開發(fā)線索處理核查系統(tǒng)和智能情報(bào)分析研判模塊。全力匯集各類數(shù)據(jù)資源，強(qiáng)化案件線索、涉案線人員（打擊處理人員）信息采集和串并分析、綜合研判。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，高黏高真空的新型后縮聚反應(yīng)器在外觀上設(shè)計(jì)成氣相空間結(jié)構(gòu)反應(yīng)器，反應(yīng)器筒體內(nèi)腔的橫截面為頂部向上凸起的非圓形，此設(shè)計(jì)可以增大小分子氣體流道的過流面積，降低脫揮氣速。設(shè)計(jì)的新型后縮聚反應(yīng)器示意見圖4。

圖4 新型后縮聚反應(yīng)器簡(jiǎn)圖示意Fig.4 Schematic diagram of new post polycondensation reactor1—預(yù)聚物入口；2—低黏段；3—中黏段；4—高黏段； 5—熔體出口；6—?dú)庀喑隹?/p>

反應(yīng)器從進(jìn)料端到出料端依次分為低黏區(qū)、中黏區(qū)、高黏區(qū)。低黏區(qū)內(nèi)，由于聚合物黏度較小，可采用組合式孔盤，各個(gè)圓孔盤通過與攪拌軸平行的連接桿相連。當(dāng)熔體黏度在低黏區(qū)增至0.45～0.51 dL/g后，進(jìn)入中黏區(qū)，中黏區(qū)攪拌軸連接有筐式攪拌器，筐式攪拌器由網(wǎng)狀筒組成，各網(wǎng)狀筒通過若干均勻分布的徑向連接桿連接，可提供較大的更新面積，提高小分子的揮發(fā)速率。隨著熔體黏度持續(xù)增大，熔體流動(dòng)性越來越差，高黏熔體易滯留在網(wǎng)上，熔體黏度在中黏區(qū)達(dá)到0.62～0.66 dL/g，繼而進(jìn)入高黏區(qū)。

高黏區(qū)攪拌軸上連接加強(qiáng)拉膜圓環(huán)盤，盤體設(shè)3～5個(gè)輻條，并設(shè)有螺旋角刮刀。在攪拌軸旋轉(zhuǎn)過程中，輻條不僅對(duì)物料起攪拌作用，還會(huì)不斷破壞和刮除附在內(nèi)壁和攪拌軸表面的滯留層，使物料難以在筒體內(nèi)壁和主軸表面上長(zhǎng)時(shí)間附著。高黏段筒體底部在相鄰圓盤的間隔處設(shè)有隔板，可以防止物料返混，也能保證熔體相對(duì)分子質(zhì)量分布均勻。高黏段筒體鄰近氣相出口處，同樣設(shè)置氣相擋板組。氣相擋板承受氣流的沖擊，在沖擊過程中，氣流夾帶的低聚物會(huì)因慣性作用而黏附在擋板上，從而減少了氣體夾帶的低聚物。

經(jīng)過高黏段后，熔體特性黏數(shù)可增至0.70～0.84 dL/g，運(yùn)動(dòng)黏度達(dá)到600～1 200 Pa·s。當(dāng)熔體運(yùn)動(dòng)黏度大于800 Pa·s時(shí)，反應(yīng)器出口處還需設(shè)置螺桿出料。

2.2 真空系統(tǒng)

新型后縮聚反應(yīng)器的真空系統(tǒng)由刮板冷凝器、液封槽、乙二醇冷卻器、乙二醇循環(huán)泵、乙二醇噴射泵、真空泵等設(shè)備組成，其工藝流程如圖5所示。

圖5 真空系統(tǒng)工藝流程Fig.5 Process flow of vacuum system1—刮板冷凝器；2,6—液封槽；3,7—乙二醇循環(huán)泵； 4,8—乙二醇冷卻器；5—乙二醇噴射泵；9—真空泵

后縮聚反應(yīng)器的氣相首先進(jìn)入刮板冷凝器，在低溫乙二醇噴淋下，氣相中的乙二醇和低聚物被捕集，不凝氣進(jìn)入乙二醇噴射泵。乙二醇噴射泵以乙二醇蒸氣為動(dòng)力蒸氣，低溫乙二醇為噴淋介質(zhì)，最后一級(jí)噴射泵尾氣進(jìn)入真空泵，從真空泵出來的氣相接至尾氣淋洗系統(tǒng)。

反應(yīng)器壓力要求在50 kPa以上時(shí)，傳統(tǒng)的乙二醇三級(jí)噴射泵和液環(huán)泵配置尚且能滿足真空要求，當(dāng)反應(yīng)器壓力小于等于50 kPa時(shí)，需要采用乙二醇四級(jí)噴射泵和干式螺桿真空泵才能滿足真空要求，噴射泵的噴淋溫度也需降低至35～40 ℃。在高真空下，反應(yīng)器產(chǎn)生的乙醛量增加，尾氣與液環(huán)泵工作液直接接觸，乙醛容易在液環(huán)泵中積聚，造成液環(huán)泵的效率下降，而干式螺桿真空泵則是利用一對(duì)螺桿，在泵殼中作同步高速反向旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的吸氣和排氣作用，不存在乙醛積聚的情況。

2.3 熔體輸送系統(tǒng)

高黏聚酯熔體需要經(jīng)過熔體輸送系統(tǒng)送至紡絲裝置或者切粒系統(tǒng)。熔體輸送系統(tǒng)包括熔體泵、熔體過濾器、熔體冷卻器、熱媒冷卻器、熱媒泵。熔體輸送系統(tǒng)工藝流程如圖6所示，高黏聚酯熔體經(jīng)過熔體泵增壓后進(jìn)入熔體冷卻器，繼而通過熔體過濾器過濾雜質(zhì)，然后需要進(jìn)一步增壓再冷卻。

圖6 熔體輸送系統(tǒng)工藝流程Fig.6 Process flow of melt conveying system1,4—熔體泵；2,5—熔體冷卻器；3—熔體過濾器； 6,8—熱媒冷卻器；7,9—熱媒循環(huán)泵

高黏聚酯熔體黏度較大，必須控制熔體在管道中的流速，流速太慢熔體發(fā)生滯留，流速太快則引起熔體溫升過快，控制熔體流速在0.1～0.2 m/s較為合適。由于黏度較高，熔體在輸送過程中壓降較大，800 Pa·s的高黏熔體在每米管道的壓降為0.2～0.3 MPa，為了縮短熔體管道長(zhǎng)度并降低壓降，在設(shè)備布置時(shí)可以考慮將后縮聚反應(yīng)器放置在紡絲裝置中，做成聚紡一體化。

另外，熔體增壓泵的壓力越高，熔體的溫升越高。對(duì)于常規(guī)聚酯熔體，黏度在250～350 Pa·s，熔體增壓泵經(jīng)常選用20～25 MPa，熔體溫升小于3 ℃；而對(duì)于高黏熔體，熔體增壓泵選型需要在30 MPa以上，30 MPa的增壓泵對(duì)于高黏熔體的溫升在10～15 ℃。熔體溫度過高導(dǎo)致熔體降解較快，影響紡絲質(zhì)量，因此，在輸送過程中需要不斷對(duì)熔體進(jìn)行冷卻，控制熔體的輸送溫度在287～296 ℃。高黏熔體通過熔體冷卻器冷卻，熔體冷卻器帶冷卻夾套和冷卻盤管，夾套和盤管中通入液相熱媒進(jìn)行換熱，液相熱媒與熔體換熱后通過翅片式熱媒冷卻器再次換熱。對(duì)于熔體過濾器選型，由于高黏熔體壓降較大，過濾器面積需要比常規(guī)聚酯熔體過濾器大15%，切換壓差為6 MPa，濾芯精度為10～15 μm。

3 新型液相增黏工藝技術(shù)的應(yīng)用

以100 kt/a聚酯裝置為例，裝置進(jìn)料為精對(duì)苯二甲酸(10.7 t/h)、乙二醇(4.4 t/h)、乙二醇銻(5.6 kg/h)，采用五釜流程工藝，傳統(tǒng)聚酯裝置(A)和新型液相增黏裝置(B)的各個(gè)反應(yīng)器操作參數(shù)如表2所示。

表2 傳統(tǒng)聚酯裝置和新型液相增黏裝置操作參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison of operating parameters between traditional polyester unit and new liquid-state polycondensation unit

與傳統(tǒng)聚酯裝置相比，新型液相增黏裝置操作參數(shù)有如下特點(diǎn)：(1)反應(yīng)溫度稍高，酯化反應(yīng)器溫度調(diào)高2～3 ℃，縮聚反應(yīng)器溫度調(diào)高5～7 ℃；(2)壓力降低，尤其是縮聚階段，后縮聚反應(yīng)器的壓力需達(dá)到50 kPa(絕壓)；(3)縮聚反應(yīng)器停留時(shí)間加長(zhǎng)，后縮聚反應(yīng)器增加了1.3 h，總停留時(shí)間增加了1.8 h；(4)反應(yīng)器出口黏度增加，后縮聚反應(yīng)器出口黏度能到達(dá)810 Pa·s，對(duì)應(yīng)特性黏數(shù)為0.805 dL/g，而傳統(tǒng)聚酯裝置后縮聚反應(yīng)器出口黏度為320 Pa·s，對(duì)應(yīng)特性黏數(shù)為0.636 dL/g。

另外，傳統(tǒng)聚酯裝置熱量消耗為30 310 MJ/h，生產(chǎn)高黏聚酯產(chǎn)品時(shí)還需要在后面增加傳統(tǒng)液相增黏裝置，總熱量消耗達(dá)34 510 MJ/h；而采用新型液相增黏裝置生產(chǎn)高黏聚酯產(chǎn)品時(shí)熱量消耗為31 190 MJ/h，總熱量消耗降低9.6%。 其次是公用工程的消耗，傳統(tǒng)聚酯裝置噸產(chǎn)品能耗為3 279 MJ，增黏裝置噸產(chǎn)品產(chǎn)生的能耗為1 370 MJ，噸產(chǎn)品總能耗達(dá)4 649 MJ；而新型液相增黏裝置噸產(chǎn)品能耗為3 666 MJ，能耗降低20%以上。

4 結(jié)論

a.在新型液相增黏工藝中，其核心是重新設(shè)計(jì)后縮聚反應(yīng)器、真空系統(tǒng)和熔體輸送系統(tǒng)。與傳統(tǒng)液相增黏工藝相比，不需要再增加液相增黏反應(yīng)器、脫醛設(shè)備及新的真空系統(tǒng)。

b.后縮聚反應(yīng)器采用三段式氣相空間結(jié)構(gòu)的臥式圓盤反應(yīng)器；真空系統(tǒng)采用四級(jí)乙二醇噴射泵和干式螺桿真空泵，控制乙二醇噴淋溫度(35～40 ℃)和液氣比(1 500～2 000)，可使后縮聚壓力達(dá)到小于50 kPa；熔體輸送系統(tǒng)中控制熔體溫度和流速分別為287～296 ℃和0.1～0.2 m/s，以防止高黏熔體在輸送過程中降解。

c.在100 kt/a聚酯裝置上，傳統(tǒng)聚酯工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品特性黏數(shù)為0.636 dL/g，而應(yīng)用新型液相增黏工藝可獲得特性黏數(shù)為0.805 dL/g的高黏聚酯產(chǎn)品。