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聚酯新工藝--二釜單線聚酯工藝流程
時間:2005-07-02
多年的夢想變成現(xiàn)實:二釜單線聚酯工藝正式問世。它由命名為ESPREE的高塔反應(yīng)釜，加上命名為 DISCAGE的終縮釜，或由ESPREE和固相增粘裝置(SSP) 組成，與傳統(tǒng)工藝相比，其加工成本降低20%， 質(zhì)量卻顯著改善。
聚酯發(fā)展史
聚酯屬通用樹酯，發(fā)明于1941年。與聚酰胺(尼龍)發(fā)明的時間相接近。二次大戰(zhàn)中，聚酯發(fā)明專利曾被列為頂級機密。1955年，經(jīng)成功研發(fā)，第一條聚酯纖維生產(chǎn)線在英國ICI公司投產(chǎn)，產(chǎn)量為每年10,000噸。六十年代，隨著專利保護的過期失效，聚酯被視為制造纖維、薄膜和其它工業(yè)應(yīng)用的最通用的原材料。這就引發(fā)了全世界范圍內(nèi)大規(guī)模的科研與開發(fā)，世界聚酯產(chǎn)能每年遞增8-14%。為滿足產(chǎn)能的增長和填補市場缺口，聚酯單線生產(chǎn)能力也從最早的每天3噸不斷提高到每天600噸。近期甚至有每天超1000噸的生產(chǎn)線投入運行。聚酯技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)頭人，不論是過去還是現(xiàn)在，都是那些一直致力于聚酯研發(fā)技術(shù)的工程公司以及生產(chǎn)聚合物的大公司。
然而，生產(chǎn)規(guī)模的不斷增大和大量新裝置的上馬,引發(fā)了上世紀(jì)90年代聚酯市場的飽和，并直接導(dǎo)致生產(chǎn)切片、纖維和長絲的利潤迅速下滑。盡管單線產(chǎn)能的迅速提高補償了部分損失，但由于原料成本增至占產(chǎn)品價格的85%以上，所以邊際利潤還是下滑到只占銷售總價的幾個百分點。
面對這個處境，伍德 伊文達 菲瑟正致力于尋找新途徑來優(yōu)化下述生產(chǎn)成本：
◆設(shè)備及安裝成本；
◆廠房成本；
◆人工成本；
◆原料消耗 ；
◆裝置的產(chǎn)能；
◆能耗成本；
◆維護保養(yǎng)成本；
◆融資和營銷成本。
較早以前，人們對聚酯反應(yīng)機理認(rèn)識比較有限。自上世紀(jì)九十年代以來，通過計算機對反應(yīng)過程進行的模擬取得了很大的進展。比如，伍德 伊文達 菲瑟開發(fā)的電腦輔助軟件COMPET就是一例。他成功地實施按比例放大設(shè)計，使改進后的方案產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。優(yōu)化后的工藝參數(shù)同時也提高了最終產(chǎn)品的質(zhì)量水準(zhǔn)和穩(wěn)定性。聚酯過程也由原先的5至7釜被減少到4釜，甚至3釜。
伍德 伊文達 菲瑟，通過發(fā)展新工藝來確保聚酯及其同類產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域(諸如PET, PBT, PTT和PEN)的不斷擴展。從1995年該研發(fā)項目啟動以來，至今已有三個PBT(聚對苯二甲酸丁二酯)樹酯工廠和兩條PET樹酯生產(chǎn)線投入商業(yè)運行。相應(yīng)的工藝及設(shè)備的國內(nèi)和國際專利申請正在審理中。
研發(fā)目標(biāo)
研發(fā)初始，曾想把目標(biāo)定位于一釜工藝，類似于生產(chǎn)聚酰胺所采用的有名的“簡化連續(xù)聚合管(VK管)”，顯然這難以實現(xiàn)，因為聚酯反應(yīng)的反應(yīng)機理與之截然不同。生產(chǎn)聚酰胺時只發(fā)生聚合加成反應(yīng)，而生產(chǎn)聚酯時則需發(fā)生酯化反應(yīng)和縮聚反應(yīng)。
顯而易見，人們一直認(rèn)為后縮聚設(shè)備是聚酯所必須的，且必須用專門的反應(yīng)釜來調(diào)控聚合物特定的物理和化學(xué)特性。黏度為1500帕/秒的熔體可以在熔體狀態(tài)下達到，而超過1500直至3000帕/秒 則需要在固態(tài)下進行處理。
應(yīng)用于熔體縮聚的終縮釜DISCAGE ?以其高效且無中心軸的籠架結(jié)構(gòu)而聞名全球。尤其是其加工出的產(chǎn)品黏度可以在大范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。運用市場上提供的可靠的故相增粘設(shè)備，聚合物在低于熔點且由惰性氣體進行加熱，最終的聚酯物能滿足大部分應(yīng)用要求。
一般說來，預(yù)縮聚的條件對于有效的后縮聚及以后纖維和薄膜的成型特性至關(guān)重要, 經(jīng)預(yù)縮聚后的縮聚物的分子量至少應(yīng)介于 4000和8000之間.
新思路的形成
對于伍德 伊文達 菲瑟研發(fā)人員來說，就是要設(shè)計同時發(fā)生分子量介于200至250之間的酯化反應(yīng)并發(fā)生預(yù)縮聚反應(yīng)，并通過降低反應(yīng)壓力、提高反應(yīng)溫度并充分利用反應(yīng)產(chǎn)生的工藝氣體來加速反應(yīng)過程的一釜工藝流程。
另外，正如生產(chǎn)任何其它有機產(chǎn)品，尤其是對于生成長鏈聚合物，還必須考慮的其它先決條件是：
◆合適的壓力和溫度條件
◆合適的停留時間，同時必須考慮降低副產(chǎn)物的生成，色值，以及可逆和分解反應(yīng)
◆此外，應(yīng)盡量避免使用攪拌裝置。也就是說，整個過程自動利用反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體或者外面加入的惰性氣體形成完全的內(nèi)部攪拌，以便加速從熔體中去除副產(chǎn)品，同時應(yīng)防止形成死區(qū)，確保最佳的分子分布。
◆當(dāng)然還需要滿足前面所論及的降低生產(chǎn)成本的要求。經(jīng)過這樣的一個大型評估方案的實施，最終誕生了塔式反應(yīng)釜ESPREE ?。該反應(yīng)釜以其有效的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，達到了所有預(yù)期目標(biāo)。這是一個創(chuàng)新的產(chǎn)物，將使聚酯生產(chǎn)工藝發(fā)生革命性變化。
工藝過程
最初，經(jīng)過準(zhǔn)確計量的對二酸和二醇被攪拌成漿料，經(jīng)密度計測量并按一定流量進入一個裝有脫水旋流器的循環(huán)蒸發(fā)器。旋流器位于塔式反應(yīng)釜ESPREE最底部。在這里主要發(fā)生酯化反應(yīng)，同時單分子開始成鏈。形成的低聚物經(jīng)由反應(yīng)釜底部的再循環(huán)管道在壓力泵的作用下，被推入后續(xù)的靜態(tài)混合器。在與被注入的二醇進行混合，并經(jīng)過一定的停留時間后，被提升至反應(yīng)釜的頂部區(qū)域。反應(yīng)釜頂部區(qū)域的輸送管被設(shè)計呈盤管狀。此時，聚合物處在較低壓力環(huán)境中，以有利于二醇和酸的進一步反應(yīng)。
根據(jù)所采用的原料和生產(chǎn)不同產(chǎn)成品的需要，相應(yīng)的反應(yīng)由三至五個相互串聯(lián)的反應(yīng)單元來實現(xiàn)。在此過程中，反應(yīng)壓力逐漸降低，同時反應(yīng)溫度則逐步提高。壓力的降低，一方面受浸沒在低聚物中的氣提管的影響。另一方面還可以通過向系統(tǒng)內(nèi)加入惰性氣體進行調(diào)節(jié)。其中的飽和氣體最后經(jīng)由最底層的反應(yīng)單元進入冷凝系統(tǒng)或冷凝塔進行冷凝。反應(yīng)產(chǎn)生的氣體由底部通過，除了起到強化混合效果之外，還有另一個明顯的優(yōu)點，也就是說被蒸發(fā)和夾帶穿過低聚物低沸點的單酯、雙酯，又被強制重新參與反應(yīng)，這樣就提高了原料的轉(zhuǎn)化率。
接著，預(yù)聚物被引入急驟蒸發(fā)區(qū)域。這里的工作原理與旋流器相似。通過中央信道，氣體被導(dǎo)入第二個反應(yīng)區(qū)域，兩個反應(yīng)區(qū)域的壓力差也因此產(chǎn)生。這個使得聚合物鏈能夠不斷延伸且避免了夾帶低聚合物現(xiàn)象的發(fā)生。
在接下來的垂掛薄膜反應(yīng)區(qū)里，縮聚進程迅速加快。低聚合物被分布在管板上，依靠經(jīng)過獨特的設(shè)計的垂直圓柱管，實現(xiàn)了低聚物的均勻下料。低聚合物在溢入管內(nèi)壁形成往下流淌的垂掛薄膜，這樣就形成了一個大的反應(yīng)表面，同時管外壁又被加熱升溫，由此加快了二醇從低聚合物薄膜中的分離，進而加速了縮聚進程。
經(jīng)這一道縮聚后，低聚合物被積聚并引入第二個垂掛的圓形薄膜反應(yīng)區(qū)。接著，下面的預(yù)聚物被搜集并導(dǎo)入氣液分離器。蒸汽從氣液分離器上部，在真空動力下進入冷凝器。
最終，預(yù)聚物被收集后，由輸送泵輸往DISCAGE ?終縮釜。在那里按通常的方法形成高分子產(chǎn)品，經(jīng)卸料泵輸出，然后切片、直接紡絲或制成薄膜。作為另一個可能的工藝方案，經(jīng)塔式反應(yīng)釜加工后的預(yù)聚物，其聚合度已經(jīng)達到40左右。這樣，也可以直接形成切片。在固態(tài)下，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)固相后縮聚裝置處理，獲得所需的高黏度產(chǎn)品。
質(zhì)量
研究人員在進行研發(fā)新工藝經(jīng)濟可行性的論證時，也把產(chǎn)品質(zhì)量作為主要考慮的因素之一。眾所周知，有很多因素影響產(chǎn)品的質(zhì)量，下面列出其中幾個：摩爾比、壓力、溫度、停留時間、反應(yīng)釜的設(shè)計以及流動形式、反應(yīng)物表面的更新程度、熱交換，主物料管線的設(shè)計，原料的選擇，二醇的再利用，原料、催化劑和添加劑的純度。
設(shè)計的基本原則以最少的反應(yīng)時間，獲得接近一致的最終產(chǎn)品，同時在確保反應(yīng)的溫度下，力求反應(yīng)溫度盡可能地低。一般說來，常規(guī)工廠，從投料到出產(chǎn)品的時間介于5至10小時之間，而在新型工藝下，整個反應(yīng)時間降低到3到4小時。
如果采用固相增粘工藝，其反應(yīng)時間則僅僅只有1至1.5小時。這將意味著產(chǎn)品的熱負(fù)荷(受熱分解)將減少30%。而對有機聚和物來說，熱負(fù)荷被如此大量減輕，以致于幾乎不生成副產(chǎn)物，諸如羧基化合物和引發(fā)色澤差異的物質(zhì)。
另外，由于能迅速排除反應(yīng)產(chǎn)生的水和其它低沸點生成物，副反應(yīng)被相應(yīng)地抑制，也就是副產(chǎn)物即二甘醇(DEG)、乙醛(AA)或四氫呋喃(THF)的生成率被顯著降低。
二斧生產(chǎn)線能在高、低負(fù)荷運轉(zhuǎn)之間輕松切換，并且能生產(chǎn)熔體黏度介于150帕/秒和1500 帕/秒之間的七種不同產(chǎn)品，這一切讓人感到驚喜。高科技二釜工藝，以其創(chuàng)新的工藝、不同尋常的塔式反應(yīng)釜ESPREE與終縮釜DISCAGE的組合，為聚酯發(fā)展作出了貢獻。
