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。
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。
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
2.1.1 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。
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。
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。
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。
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。