新型聚酯液相增黏工藝技術淺析

張宇航，呂陳秋，賈志軒，曾文兵

(中國昆侖工程有限公司，北京 100037)

目前，中國已成為全球最大的聚酯生產國[1-2]。隨著聚酯應用領域的拓展，聚酯工業(yè)絲、高黏絲和聚酯瓶片發(fā)展迅速，市場需求旺盛。國內外聚酯工業(yè)絲、高黏絲和聚酯瓶片的生產普遍采用固相縮聚(SSP)技術，該技術設備投資大、工藝路線長、生產能耗高[3]。相比較而言，液相增黏(LSP)技術由于其工藝路線短、投資小、高效節(jié)能及產品質量穩(wěn)定等優(yōu)點越來越受到關注[4-6]。

傳統(tǒng)聚酯液相增黏技術往往通過增加反應器來實現(xiàn)增黏，造成熔體停留時間過長、副反應增加、產品品質不高。

作者介紹了一種新型聚酯液相增黏工藝技術，通過對聚酯四釜或五釜流程中的后縮聚反應器進行重新設計，并對真空系統(tǒng)進行優(yōu)化，在不增加反應器和真空系統(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送至切片料倉，通入熱氮氣，聚酯切片在固體狀態(tài)下進一步結晶和縮聚，黏度得到進一步提高[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)聚酯生產線生產的聚酯熔體為原料，經過液相增黏系統(tǒng)，進一步進行縮聚反應，得到高黏度聚酯熔體。該技術目前應用比較多的是在常規(guī)聚酯后縮聚反應器后面串聯(lián)一個液相增黏反應器，高黏度聚酯熔體直接紡絲即可生產聚酯工業(yè)絲。如果生產聚酯瓶片，由于瓶片對聚酯中的乙醛含量要求較高，則再增加一臺脫醛設備，使熔體中乙醛含量降至要求值后進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送系統(tǒng)、切片料倉、預結晶器、結晶器、流化床冷卻器、靜態(tài)冷卻器，生產滌綸工業(yè)絲時更是省略了切粒系統(tǒng)、成品運輸和熔融擠出機。從表1可知。對比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。因此，液相直接增黏工藝是固相增黏工藝的技術跨越升級，可以預計在高黏聚酯生產的技術主流中，液相增黏技術必將替代現(xiàn)有固相增黏技術。

表1 固相縮聚裝置和傳統(tǒng)液相增黏裝置對比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，但預縮聚反應器之后又繼續(xù)串聯(lián)2～3個反應器，聚酯熔體的停留時間增加4～6 h，伴隨而來的是副反應增加，長時間高溫降解導致乙醛含量升高，產品色相b值升高，難以獲得高品質的產品。另外，反應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)，設備投資較大，流程長，占地面積大，尤其在現(xiàn)有聚酯裝置上進行增黏技術改造特別困難。

2 新型液相增黏工藝流程及技術特點

新型液相增黏工藝流程包括酯化反應器、預縮聚反應器、后縮聚反應器、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器、脫醛設備及新的真空系統(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計的核心仍然是反應器和真空系統(tǒng)。通過重新設計后縮聚反應器和真空系統(tǒng)，使預聚物在后縮聚反應器中的特性黏數(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1 200 Pa·s，高黏熔體輸送也是新型液相增黏工藝中的一項關鍵技術，直接影響產品品質。

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

2.1 新型后縮聚反應器

2.1.1 反應器形式

目前常用的后縮聚反應器主要有兩種形式：立式降膜反應器和臥式圓盤反應器。

在立式降膜反應器中，預聚物從后縮聚反應器頂部或上部進入，反應器內部設有物料分布器，分布器下方設有導流板。通過在后縮聚反應器中設置導流板，將物料分成眾多的小股流束，使其在被引導狀態(tài)下自由流動，由于多層導流的持續(xù)引導，小股流束在流動中不斷通過分離、合并形成新的小股流束，小股流束的界面不斷地得到更新，從而給反應產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的進程[8〗。該類后縮聚反應器僅依靠重力，在能耗方面比較有優(yōu)勢[9-10]，但高黏度熔體流動性較差，在降膜反應器中容易造成相對分子質量分布不均勻，反應器容易存在死角或熔體滯留區(qū)。另外，降膜反應器在生產常規(guī)聚酯時也僅能用于較小產能的聚酯裝置。因此，大容量新型后縮聚反應器選擇帶攪拌的臥式反應器是比較合適的。然而常規(guī)臥式圓盤反應器并不能滿足增黏要求。

2.1.2 反應器設計要求

在設計新型反應器之前，首先需要分析反應器的操作條件，高溫低壓有利于聚酯縮聚反應的進行[11-12]，但是過高的溫度伴隨副反應的增加，所以后縮聚反應器內的溫度控制在283～287 ℃比較適合，為了得到黏度更高的熔體，需要進一步降低反應器內的壓力，根據(jù)出口熔體的黏度要求，壓力應控制在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器在設計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)合適的筒體長度，保證熔體增黏時間，過長的反應器不利于小分子脫出，也使熔體停留時間過長影響產品質量；(4)熔體均布器的設置，防止熔體在增黏過程中會出現(xiàn)相對分子質量分布不均勻；(5)更高強度和機械性能的攪拌器，尤其是反應器后端攪拌器；(6)反應器死角和熔體滯留區(qū)的消除。

2.1.3 反應器設計

1.加快國家反恐怖情報中心信息平臺建設。建立完善涉恐活動組織與人員專業(yè)數(shù)據(jù)庫；完善關注人群活動軌跡監(jiān)測工作；拓展線索研判分析，完善情偵聯(lián)動機制并與基層情報部門對接機制，有效提升虛擬身份變現(xiàn)能力；探索建立基礎數(shù)據(jù)；匯聚分析和關注人群滾動篩查系統(tǒng)，開發(fā)線索處理核查系統(tǒng)和智能情報分析研判模塊。全力匯集各類數(shù)據(jù)資源，強化案件線索、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)以上設計要求，高黏高真空的新型后縮聚反應器在外觀上設計成氣相空間結構反應器，反應器筒體內腔的橫截面為頂部向上凸起的非圓形，此設計可以增大小分子氣體流道的過流面積，降低脫揮氣速。設計的新型后縮聚反應器示意見圖4。

圖4 新型后縮聚反應器簡圖示意Fig.4 Schematic diagram of new post polycondensation reactor1—預聚物入口；2—低黏段；3—中黏段；4—高黏段； 5—熔體出口；6—氣相出口

反應器從進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，由于聚合物黏度較小，可采用組合式孔盤，各個圓孔盤通過與攪拌軸平行的連接桿相連。當熔體黏度在低黏區(qū)增至0.45～0.51 dL/g后，進入中黏區(qū)，中黏區(qū)攪拌軸連接有筐式攪拌器，筐式攪拌器由網狀筒組成，各網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，熔體流動性越來越差，高黏熔體易滯留在網上，熔體黏度在中黏區(qū)達到0.62～0.66 dL/g，繼而進入高黏區(qū)。

高黏區(qū)攪拌軸上連接加強拉膜圓環(huán)盤，盤體設3～5個輻條，并設有螺旋角刮刀。在攪拌軸旋轉過程中，輻條不僅對物料起攪拌作用，還會不斷破壞和刮除附在內壁和攪拌軸表面的滯留層，使物料難以在筒體內壁和主軸表面上長時間附著。高黏段筒體底部在相鄰圓盤的間隔處設有隔板，可以防止物料返混，也能保證熔體相對分子質量分布均勻。高黏段筒體鄰近氣相出口處，同樣設置氣相擋板組。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。

經過高黏段后，熔體特性黏數(shù)可增至0.70～0.84 dL/g，運動黏度達到600～1 200 Pa·s。當熔體運動黏度大于800 Pa·s時，反應器出口處還需設置螺桿出料。

2.2 真空系統(tǒng)

新型后縮聚反應器的真空系統(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

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

反應器壓力要求在50 kPa以上時，傳統(tǒng)的乙二醇三級噴射泵和液環(huán)泵配置尚且能滿足真空要求，當反應器壓力小于等于50 kPa時，需要采用乙二醇四級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，反應器產生的乙醛量增加，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螺桿，在泵殼中作同步高速反向旋轉而產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，高黏聚酯熔體經過熔體泵增壓后進入熔體冷卻器，繼而通過熔體過濾器過濾雜質，然后需要進一步增壓再冷卻。

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度并降低壓降，在設備布置時可以考慮將后縮聚反應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。對于常規(guī)聚酯熔體，黏度在250～350 Pa·s，熔體增壓泵經常選用20～25 MPa，熔體溫升小于3 ℃；而對于高黏熔體，熔體增壓泵選型需要在30 MPa以上，30 MPa的增壓泵對于高黏熔體的溫升在10～15 ℃。熔體溫度過高導致熔體降解較快，影響紡絲質量，因此，在輸送過程中需要不斷對熔體進行冷卻，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的應用

以100 kt/a聚酯裝置為例，裝置進料為精對苯二甲酸(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)的各個反應器操作參數(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：(1)反應溫度稍高，酯化反應器溫度調高2～3 ℃，縮聚反應器溫度調高5～7 ℃；(2)壓力降低，尤其是縮聚階段，后縮聚反應器的壓力需達到50 kPa(絕壓)；(3)縮聚反應器停留時間加長，后縮聚反應器增加了1.3 h，總停留時間增加了1.8 h；(4)反應器出口黏度增加，后縮聚反應器出口黏度能到達810 Pa·s，對應特性黏數(shù)為0.805 dL/g，而傳統(tǒng)聚酯裝置后縮聚反應器出口黏度為320 Pa·s，對應特性黏數(shù)為0.636 dL/g。

另外，傳統(tǒng)聚酯裝置熱量消耗為30 310 MJ/h，生產高黏聚酯產品時還需要在后面增加傳統(tǒng)液相增黏裝置，總熱量消耗達34 510 MJ/h；而采用新型液相增黏裝置生產高黏聚酯產品時熱量消耗為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)聚酯裝置噸產品能耗為3 279 MJ，增黏裝置噸產品產生的能耗為1 370 MJ，噸產品總能耗達4 649 MJ；而新型液相增黏裝置噸產品能耗為3 666 MJ，能耗降低20%以上。

4 結論

a.在新型液相增黏工藝中，其核心是重新設計后縮聚反應器、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器、脫醛設備及新的真空系統(tǒng)。

b.后縮聚反應器采用三段式氣相空間結構的臥式圓盤反應器；真空系統(tǒng)采用四級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)聚酯工藝生產的產品特性黏數(shù)為0.636 dL/g，而應用新型液相增黏工藝可獲得特性黏數(shù)為0.805 dL/g的高黏聚酯產品。