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聚酯裝置簡介和重點部位及設(shè)備

  
評論: 更新日期:2013年07月08日

 一、裝置簡介

  (一)裝置發(fā)展及類型
  1.裝置發(fā)展
  聚酯工藝產(chǎn)生于20世紀40年代,在50年代實現(xiàn)了工業(yè)化,是利用基礎(chǔ)化工原料生產(chǎn)合成纖維的工藝技術(shù)。20世紀70年代以后,各國針對聚酯存在的吸水率低、不易染色、易產(chǎn)生靜電等缺點進行了改性研究,取得了較多成果,使聚酯工業(yè)有了飛速的發(fā)展。70年代末,我國從前西德引進了第一套直接酯化連續(xù)縮聚生產(chǎn)滌綸樹脂的工業(yè)化生產(chǎn)裝置。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,聚酯在我國三大合成纖維工業(yè)中已占有舉足輕重的地位。截止到2003年底,我國聚酯裝置的產(chǎn)能已經(jīng)達到1115X104t/a,占世界總產(chǎn)量的三分之一左右。進入21世紀,隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展,我國聚酯裝置正向工藝技術(shù)更先進、經(jīng)濟效益更好的方向發(fā)展。
  2,生產(chǎn)工藝路線
  聚酯通常是由二元酸和二元醇經(jīng)酯化和縮聚反應(yīng)而制得的一種高分子縮聚物。目前用途最廣的聚酯是由對苯二甲酸和乙二醇經(jīng)酯化和縮聚反應(yīng)所生成的聚對苯二甲酸乙二醇酯。生產(chǎn)聚酯的工藝技術(shù)主要取決于精對苯二甲酸、對苯二甲酸二甲酯及乙二醇的生產(chǎn)發(fā)展。用于合成聚對苯二甲酸乙二醇酯中間體的主要原料路線有以下幾種:一種是酯交換法(簡稱DMT法);另一種是直接酯化法(簡稱PTA法);第三種是環(huán)氧乙烷酯化縮聚路線(簡稱環(huán)氧乙烷法)。
  酯交換法(DMT法):是將以對苯二甲酸與甲醇反應(yīng)生成易于精制提純的對苯二甲酸二甲酯,或采用對二甲苯合并氧化、酯化制成對苯二甲酸二甲酯,再將提純的對苯二甲酸二甲酯與乙二醇進行酯交換反應(yīng)制得聚酯。該方法在聚酯工業(yè)化的初期,未找到有效提純對二甲苯的方法的時候得以廣泛應(yīng)用。
  直接酯化法(PTA法):是以精對苯二甲酸與乙二醇為原料,進行直接酯化連續(xù)縮聚的反應(yīng)制得聚酯。到90年代初期,PTA法的產(chǎn)量已經(jīng)超過了DMT法,成為聚酯工業(yè)的主流生產(chǎn)工藝。
  環(huán)氧乙烷法因為使用環(huán)氧乙烷代替乙二醇(EG),可省去環(huán)氧乙烷水解工序,合成反應(yīng)生成物為單一的對苯二甲酸雙盧—羥乙酯(BHET),不需要回收設(shè)備,工藝流程短,成本低,所以是較有前途的生產(chǎn)方法。
  從工藝流程上來看,PTA法連續(xù)化生產(chǎn)以前以六釜流程為主,即三段酯化,二段預(yù)縮,一段后縮,該流程技術(shù)較落后,物耗、能耗較高,已經(jīng)基本被淘汰。現(xiàn)在的生產(chǎn)流程是以吉瑪公司、鐘紡公司、伊文達公司為代表的五釜流程,或以杜邦公司、萊茵公司為代表的三釜流程為主。五釜流程即二段酯化,二段預(yù)縮,一段后縮,三釜流程即一段酯化,一段預(yù)縮,一段后縮。他們共同的特點是技術(shù)先進、工藝流程簡化、生產(chǎn)控制先進、裝置操作彈性大。(二)反應(yīng)原理及特點
  1.反應(yīng)原理
  精對苯二甲酸(PTA)與乙二醇(EG)和催化劑(三醋酸銻或三氧化二銻)在一定的溫度和壓力下直縮聚成聚酯的化學(xué)反應(yīng)除副反應(yīng)外,主反應(yīng)為酯化和縮聚反應(yīng)。酯化反應(yīng)是直縮過程的起始反應(yīng),PTA與EG經(jīng)過這一反應(yīng)首先轉(zhuǎn)化為BHET單體即對苯二甲酸雙β—羥乙酯。其次是在一定溫度真空條件下進行縮聚反應(yīng),該反應(yīng)是聚酯合成過程中的鏈增長反應(yīng)。通過這一反應(yīng),單體與單體、單體與低聚物、低聚物與低聚物經(jīng)過初、中、終三個階段逐漸縮聚成聚酯即對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。在此必須指出,在化學(xué)反應(yīng)中加入三醋酸銻催化劑是為了改變正、逆反應(yīng)速度以提高反應(yīng)的選擇性。另外合成聚酯的縮聚反應(yīng)與聚合反應(yīng)是兩種不同的反應(yīng)過程,兩者之間有本質(zhì)的區(qū)別。聚合反應(yīng)是不可逆的反應(yīng)過程,而酯化、縮聚則是逐步完成的可逆平衡反應(yīng)過程。
  2.反應(yīng)的特點
  (1)酯化反應(yīng)特點:多相酯化反應(yīng)逐步向均相酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化。
  在實際生產(chǎn)條件下,溫度為220—300~C和EG/PTA摩爾比為1.0-2.0時,因PlA僅能部分溶解,反應(yīng)不是完全的均相反應(yīng),還伴有多相反應(yīng)。隨著反應(yīng)的進行,PTA粒子溶解速度加快,PTA在反應(yīng)物中的溶解度遠比在純EG中高,達到清晰點(PTA完全溶于液相時的酯化率)后,反應(yīng)速度隨PTA與EG濃度而改變,與EG濃度成正比關(guān)系,呈均相酯化反應(yīng)。
  (2)縮聚反應(yīng)特點:
 ?、倏s聚反應(yīng)是可逆的,在實際生產(chǎn)中,酯化反應(yīng)與縮聚反應(yīng)并不是截然分開的,當(dāng)酯化反應(yīng)進行到一定程度時,即乙二醇酯生成一定量時,兩種反應(yīng)同時存在。
  首先是初期階段,即縮聚物分子鏈開始形成的起始階段。該階段的特點是反應(yīng)處于中間體濃度較高的條件下進行,逆反應(yīng)速度很小,因此平衡反應(yīng)在此并不顯得重要。重點應(yīng)以防止單體揮發(fā)、分解和維持嚴格的官能團等摩爾比為主。
  其次是中期階段,即聚酯分子鏈增長階段。該階段的特點是縮聚反應(yīng)依靠打破平衡去逐步提高產(chǎn)物分子量。系統(tǒng)中的原料和單體濃度將隨著不斷轉(zhuǎn)化為不同聚合度的縮聚物而逐步降低,同時物料黏度相應(yīng)增大。
  最后是終期階段,反應(yīng)進行到了一定程度,縮聚物的分子量已經(jīng)達到規(guī)定要求需要把反應(yīng)及時終止的階段。
 ?、诳s聚反應(yīng)中,存在著一些影響反應(yīng)進行的副反應(yīng),主要是裂解作用,鏈交換反應(yīng)和熔體的熱降解等。
  裂解作用:縮聚反應(yīng)是一個可逆平衡反應(yīng),反應(yīng)所生成的縮聚物,小分子產(chǎn)物及尚未參與反應(yīng)的原料中間體是同時并存的混合物??s聚物兩端或小分子產(chǎn)物都具有能夠繼續(xù)反應(yīng)的官能團,尤其高分子縮聚物中含有與其他物質(zhì)作用時易發(fā)生斷裂的健。這些健與其他物質(zhì)作用時易發(fā)生裂解作用??s聚反應(yīng)中小分子產(chǎn)物是水,它與酯基能產(chǎn)生水解作用,這是縮聚反應(yīng)中最主要的裂解作用。為減小該作用對縮聚反應(yīng)的影響,在生產(chǎn)中常用提高真空的辦法盡量把水排除到最低限度。
  鏈交換反應(yīng):高分子縮聚物的端基和另一高分子縮聚物的鏈節(jié)進行鏈交換反應(yīng)。該反應(yīng)并不影響產(chǎn)物分子量總數(shù),所以數(shù)均分子量不會有什么變化,但是產(chǎn)物黏度會下降,這說明產(chǎn)物的重均分子量發(fā)生了改變。重均分子量對聚酯合成特別重要,必須給予高度重視。
  熔體的熱降解:縮聚反應(yīng)是在高溫下進行的,反應(yīng)物和生成物在反應(yīng)末期均處于熔融狀態(tài)。溫度越高或停留時間越長,熔體發(fā)生熱分解的傾向越大。熱分解一旦產(chǎn)生會導(dǎo)致產(chǎn)物發(fā)生熱降解,是分子量降低。生產(chǎn)中為防止這種副反應(yīng)的發(fā)生,有時加入部分穩(wěn)定劑,使分子量不發(fā)生明顯的變化。
  (三)裝置單元組成與工藝流程
  從技術(shù)經(jīng)濟方面看,PTA法具有:PTA消耗定額低,生產(chǎn)能力大;EG配料比低,回收系統(tǒng)??;無須甲醇回收工序;生產(chǎn)控制平穩(wěn);酯化反應(yīng)過程沒有催化劑沉積現(xiàn)象;原料、公用工程消耗較低;建設(shè)投資低;操作安全等優(yōu)點,因此本文對聚酯工藝敘述均以PTA法為主。
  1.裝置單元的組成
  聚酯裝置一般由主裝置單元和輔助裝置單元組成。
  聚酯主裝置單元主要包括:漿料配置單元、催化劑及助劑配置單元、酯化單元、縮聚單元、切粒及成品輸送系統(tǒng)和清洗單元等。
  輔助裝置單元主要包括:中間罐區(qū)、熱媒站、冷凍站、PTA、PET輸送系統(tǒng)和公用工程系統(tǒng)。
  2.工藝流程簡述
  以吉瑪公司聚酯工藝為例,聚酯裝置的組成是由漿料配制、酯化、縮聚及切片生產(chǎn)等主要單元組成并附有EG全回用系統(tǒng)和熱媒站送來330~C一次熱媒和裝置內(nèi)二次熱媒循環(huán)系統(tǒng)等。
 ?、贊{料配制單元
  日料倉中的PTA原料經(jīng)計量稱量連續(xù)加入到漿料配制槽,并由PYA的加入量控制EG的加入量,配置成恒定摩爾比(PTA/EG)的漿料,隨著催化劑(三醋酸銻)溶液的加入,經(jīng)攪拌合格的漿料通過莫諾泵(即螺桿泵)送到第一酯化反應(yīng)器。
  ②酯化單元
  漿料在第一酯化釜中酯化率達到91%,依靠反應(yīng)器間的壓差物料由第一酯化反應(yīng)器進入第二酯化反應(yīng)器,在第二酯化反應(yīng)器中酯化率達到96%以上時,自流進入第一預(yù)縮反應(yīng)器。第一酯化反應(yīng)器由于熱負荷大,為裝置所需加熱的總熱量的53%,因此該反應(yīng)器有兩個熱媒回路向其供熱。一路用于內(nèi)加熱盤管,一路用于筒體夾套和汽相夾套的供熱。兩個酯化反應(yīng)器的汽相物進人工藝塔,重組分乙二醛被分離出來,又回到兩個酯化反應(yīng)器內(nèi)。輕組分乙醛等去尾氣洗滌后進人污水預(yù)處理系統(tǒng)。
  ③預(yù)縮聚單元
  物料進入第一預(yù)縮不帶攪拌的反應(yīng)器,然后靠位差進入臥式帶圓盤攪料器的第二預(yù)縮反應(yīng)器。每臺反應(yīng)器的汽相生成物進入刮板冷凝器,用新鮮的乙二醇進行噴淋,使汽相中大部分乙二醇蒸汽冷凝,在收集、降溫后在系統(tǒng)中循環(huán)使用。兩反應(yīng)器的真空是由第一預(yù)縮系統(tǒng)的液環(huán)真空泵和第二預(yù)縮與后縮反應(yīng)器合用一套三級乙二醇蒸汽噴射系統(tǒng)分別完成的。反應(yīng)物從第二預(yù)縮反應(yīng)器出口經(jīng)夾套齒輪泵,通過預(yù)縮熔體過濾器后進入后縮聚反應(yīng)器。
  ④后縮聚單元
  預(yù)聚物進入臥式雙驅(qū)動后縮圓盤反應(yīng)器,反應(yīng)器由三級乙二醇蒸汽噴射泵加液環(huán)真空泵實現(xiàn)高真空度。通過反應(yīng)器真空度的調(diào)節(jié),圓盤攪拌轉(zhuǎn)速以及液位控制,合格的聚合物熔體出來經(jīng)夾套齒輪泵進入后縮熔體過濾器通過鑄帶頭后進行水下切粒。汽相生成物進入冷凍水噴淋的刮板冷凝器進行回收乙二醇,實現(xiàn)其循環(huán)使用。
 ?、萸辛0b系統(tǒng)
  從水下切粒機出來的合格切片經(jīng)水預(yù)分離器后通過干燥、振動篩進入成品料庫。經(jīng)檢驗、打包即可運輸出廠。
  (四)主要操作條件及工藝技術(shù)特點
  1.主要操作條件
  因不同的工藝操作條件不盡相同,表3—61列出PTA法聚酯生產(chǎn)裝置的主要工藝操作條件:
  2.工藝技術(shù)特點
  我國自20世紀80年代初引進的第一套聚酯裝置至今,在工藝技術(shù)及設(shè)備國產(chǎn)化開發(fā)過程中,逐步形成如下特點:
 ?、脔セに嚥粩鄡?yōu)化,以較低的反應(yīng)溫度260℃和較低的摩爾比1.08,它與高溫280℃、高漿料摩爾比1.90—2.0的酯化工藝相比,既減少了反應(yīng)器中的蒸發(fā)量,又降低了能耗。第一酯化反應(yīng)器能達到91%較高的酯化率,接近在工藝操作條件下的平衡酯化率,反應(yīng)過程比較平穩(wěn),產(chǎn)品質(zhì)量好。
 ?、趦蓚€酯化反應(yīng)器共用一個分離含水乙二醇的工藝塔。該工藝塔不但承擔(dān)了兩臺酯化反應(yīng)器汽相物的分離,在乙二醇全回用流程中承擔(dān)了縮聚反應(yīng)器汽相物的分離,采用分離效率高的新型浮閥塔盤。
 ?、壅婵障到y(tǒng)采用乙二醇蒸氣噴射泵。與用水蒸氣噴射方式相比:一是能耗低,二是能使EG蒸氣冷凝液回收以便循環(huán)使用。
 ?、芤叶荚谘b置中全回用是聚酯裝置工藝路線設(shè)計的一大特點。它使兩個酯化、兩個預(yù)縮反應(yīng)器中EG蒸氣經(jīng)過工藝塔脫水后與后縮反應(yīng)器以及噴射泵的EG凝液均可直接加入漿料配置,無須設(shè)置專用的EG回收系統(tǒng),降低了EG的單耗。
 ?、菰O(shè)置尾氣淋洗塔,使排放達到環(huán)保要求。聚酯裝置的主要污染物是反應(yīng)過程的副產(chǎn)物乙醛,它存在五個反應(yīng)器的工藝尾氣中,但該裝置設(shè)置了尾氣洗滌塔,用20℃的水噴淋。吸收尾氣中的乙醛,洗滌后的尾氣達到環(huán)保標(biāo)準后排放。淋洗液直接送廠區(qū)污水處理站。
 ?、薏捎昧斯伟迨嚼淠鳎鉀Q了縮聚真空系統(tǒng)的堵塞問題。各級縮聚噴淋冷凝器加裝自動刮板裝置,將低聚物收集于靜置槽中,有效的解決了齊聚物堵塞真空系統(tǒng)管道的問題,提高了裝置的運行周期。
  (五)催化劑
  催化劑的種類及用量對聚酯產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率都有影響,加入催化劑是為了提高目的反應(yīng)的速度,降低反應(yīng)所需的活化能,在最短的時間內(nèi)使縮聚反應(yīng)充分進行,達到理想的分子量分布。目前,國內(nèi)常用的是醋酸銻為主的銻系催化劑,主要是醋酸銻或三氧化二銻。

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