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聚酯新工艺--二釜单线聚酯工艺流程 |
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作者：E. van Endert, 伍德 伊文达 菲瑟副总裁 来源：PT现代塑料 |
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多年的梦想变成现实:二釜单线聚酯工艺正式问世。它由命名为ESPREE的高塔反应釜，加上命名为 DISCAGE的终缩釜，或由ESPREE和固相增粘装置(SSP) 组成，与传统工艺相比，其加工成本降低20%， 质量却显著改善。
聚酯发展史
聚酯属通用树酯，发明于1941年。与聚酰胺(尼龙)发明的时间相接近。二次大战中，聚酯发明专利曾被列为顶级机密。1955年，经成功研发，第一条聚酯纤维生产线在英国ICI公司投产，产量为每年10,000吨。六十年代，随着专利保护的过期失效，聚酯被视为制造纤维、薄膜和其它工业应用的最通用的原材料。这就引发了全世界范围内大规模的科研与开发，世界聚酯产能每年递增8-14%。为满足产能的增长和填补市场缺口，聚酯单线生产能力也从最早的每天3吨不断提高到每天600吨。近期甚至有每天超1000吨的生产线投入运行。聚酯技术发展的领头人，不论是过去还是现在，都是那些一直致力于聚酯研发技术的工程公司以及生产聚合物的大公司。
然而，生产规模的不断增大和大量新装置的上马,引发了上世纪90年代聚酯市场的饱和，并直接导致生产切片、纤维和长丝的利润迅速下滑。尽管单线产能的迅速提高补偿了部分损失，但由于原料成本增至占产品价格的85%以上，所以边际利润还是下滑到只占销售总价的几个百分点。
面对这个处境，伍德 伊文达 菲瑟正致力于寻找新途径来优化下述生产成本：
◆设备及安装成本；
◆厂房成本；
◆人工成本；
◆原料消耗 ；
◆装置的产能；
◆能耗成本；
◆维护保养成本；
◆融资和营销成本。
较早以前，人们对聚酯反应机理认识比较有限。自上世纪九十年代以来，通过计算机对反应过程进行的模拟取得了很大的进展。比如，伍德 伊文达 菲瑟开发的电脑辅助软件COMPET就是一例。他成功地实施按比例放大设计，使改进后的方案产生了巨大的经济效益。优化后的工艺参数同时也提高了最终产品的质量水准和稳定性。聚酯过程也由原先的5至7釜被减少到4釜，甚至3釜。
伍德 伊文达 菲瑟，通过发展新工艺来确保聚酯及其同类产品应用领域(诸如PET, PBT, PTT和PEN)的不断扩展。从1995年该研发项目启动以来，至今已有三个PBT(聚对苯二甲酸丁二酯)树酯工厂和两条PET树酯生产线投入商业运行。相应的工艺及设备的国内和国际专利申请正在审理中。
研发目标
研发初始，曾想把目标定位于一釜工艺，类似于生产聚酰胺所采用的有名的“简化连续聚合管(VK管)”，显然这难以实现，因为聚酯反应的反应机理与之截然不同。生产聚酰胺时只发生聚合加成反应，而生产聚酯时则需发生酯化反应和缩聚反应。
显而易见，人们一直认为后缩聚设备是聚酯所必须的，且必须用专门的反应釜来调控聚合物特定的物理和化学特性。黏度为1500帕/秒的熔体可以在熔体状态下达到，而超过1500直至3000帕/秒 则需要在固态下进行处理。
应用于熔体缩聚的终缩釜DISCAGE ?以其高效且无中心轴的笼架结构而闻名全球。尤其是其加工出的产品黏度可以在大范围内进行调节。运用市场上提供的可靠的故相增粘设备，聚合物在低于熔点且由惰性气体进行加热，最终的聚酯物能满足大部分应用要求。
一般说来，预缩聚的条件对于有效的后缩聚及以后纤维和薄膜的成型特性至关重要, 经预缩聚后的缩聚物的分子量至少应介于 4000和8000之间.
新思路的形成
对于伍德 伊文达 菲瑟研发人员来说，就是要设计同时发生分子量介于200至250之间的酯化反应并发生预缩聚反应，并通过降低反应压力、提高反应温度并充分利用反应产生的工艺气体来加速反应过程的一釜工艺流程。
另外，正如生产任何其它有机产品，尤其是对于生成长链聚合物，还必须考虑的其它先决条件是：
◆合适的压力和温度条件
◆合适的停留时间，同时必须考虑降低副产物的生成，色值，以及可逆和分解反应
◆此外，应尽量避免使用搅拌装置。也就是说，整个过程自动利用反应所产生的气体或者外面加入的惰性气体形成完全的内部搅拌，以便加速从熔体中去除副产品，同时应防止形成死区，确保最佳的分子分布。
◆当然还需要满足前面所论及的降低生产成本的要求。经过这样的一个大型评估方案的实施，最终诞生了塔式反应釜ESPREE ?。该反应釜以其有效的内部结构，达到了所有预期目标。这是一个创新的产物，将使聚酯生产工艺发生革命性变化。
工艺过程
最初，经过准确计量的对二酸和二醇被搅拌成浆料，经密度计测量并按一定流量进入一个装有脱水旋流器的循环蒸发器。旋流器位于塔式反应釜ESPREE最底部。在这里主要发生酯化反应，同时单分子开始成链。形成的低聚物经由反应釜底部的再循环管道在压力泵的作用下，被推入后续的静态混合器。
二釜反应流程工艺图解
在与被注入的二醇进行混合，并经过一定的停留时间后，被提升至反应釜的顶部区域。反应釜顶部区域的输送管被设计呈盘管状。此时，聚合物处在较低压力环境中，以有利于二醇和酸的进一步反应。
根据所采用的原料和生产不同产成品的需要，相应的反应由三至五个相互串联的反应单元来实现。在此过程中，反应压力逐渐降低，同时反应温度则逐步提高。压力的降低，一方面受浸没在低聚物中的气提管的影响。另一方面还可以通过向系统内加入惰性气体进行调节。其中的饱和气体最后经由最底层的反应单元进入冷凝系统或冷凝塔进行冷凝。反应产生的气体由底部通过，除了起到强化混合效果之外，还有另一个明显的优点，也就是说被蒸发和夹带穿过低聚物低沸点的单酯、双酯，又被强制重新参与反应，这样就提高了原料的转化率。
接着，预聚物被引入急骤蒸发区域。这里的工作原理与旋流器相似。通过中央信道，气体被导入第二个反应区域，两个反应区域的压力差也因此产生。这个使得聚合物链能够不断延伸且避免了夹带低聚合物现象的发生。
在接下来的垂挂薄膜反应区里，缩聚进程迅速加快。低聚合物被分布在管板上，依靠经过独特的设计的垂直圆柱管，实现了低聚物的均匀下料。低聚合物在溢入管内壁形成往下流淌的垂挂薄膜，这样就形成了一个大的反应表面，同时管外壁又被加热升温，由此加快了二醇从低聚合物薄膜中的分离，进而加速了缩聚进程。
经这一道缩聚后，低聚合物被积聚并引入第二个垂挂的圆形薄膜反应区。接着，下面的预聚物被搜集并导入气液分离器。蒸汽从气液分离器上部，在真空动力下进入冷凝器。
最终，预聚物被收集后，由输送泵输往DISCAGE ?终缩釜。在那里按通常的方法形成高分子产品，经卸料泵输出，然后切片、直接纺丝或制成薄膜。
塔式反应釜ESPREE -Tower
作为另一个可能的工艺方案，经塔式反应釜加工后的预聚物，其聚合度已经达到40左右。这样，也可以直接形成切片。在固态下，经过标准固相后缩聚装置处理，获得所需的高黏度产品。
质量
研究人员在进行研发新工艺经济可行性的论证时，也把产品质量作为主要考虑的因素之一。众所周知，有很多因素影响产品的质量，下面列出其中几个：摩尔比、压力、温度、停留时间、反应釜的设计以及流动形式、反应物表面的更新程度、热交换，主物料管线的设计，原料的选择，二醇的再利用，原料、催化剂和添加剂的纯度。
设计的基本原则以最少的反应时间，获得接近一致的最终产品，同时在确保反应的温度下，力求反应温度尽可能地低。一般说来，常规工厂，从投料到出产品的时间介于5至10小时之间，而在新型工艺下，整个反应时间降低到3到4小时。
如果采用固相增粘工艺，其反应时间则仅仅只有1至1.5小时。这将意味着产品的热负荷(受热分解)将减少30%。而对有机聚和物来说，热负荷被如此大量减轻，以致于几乎不生成副产物，诸如羧基化合物和引发色泽差异的物质。 
另外，由于能迅速排除反应产生的水和其它低沸点生成物，副反应被相应地抑制，也就是副产物即二甘醇(DEG)、乙醛(AA)或四氢呋喃(THF)的生成率被显着降低。
二斧生产线能在高、低负荷运转之间轻松切换，并且能生产熔体黏度介于150帕/秒和1500 帕/秒之间的七种不同产品，这一切让人感到惊喜。高科技二釜工艺，以其创新的工艺、不同寻常的塔式反应釜ESPREE与终缩釜DISCAGE的组合，为聚酯发展作出了贡献。
依汶达菲瑟化纤设备（上海）有限公司
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(投稿)
(12/21/2004) |
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