最新国产三釜聚酯装置介绍

最新国产三釜聚酯装置介绍
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【作者：未知】【发布时间：2006/10/24 14:36:32】【字体：大中小】【关闭】
该技术为中国聚酯技术的一个重大进步,作为聚酯技术的管理人员有必要向各位同行介绍一下，加强一下各位朋友对聚酯发展的新动向的了解。

新三釜聚酯装置是中国纺织机械（集团）有限公司（CTMC）北京英诺威逊聚合技术有限公司自主开发的拥有完整知识产权的新技术。

该装置包含新型双区酯化釜、新型多层预缩聚釜和原创性栅缝降膜终缩聚塔各一台，三者均不设机械搅拌。

双区酯化釜和多层预缩聚釜已成功用于宜兴市明阳化纤厂470吨/日聚酯工程。

栅缝降膜终缩聚塔中试结果令人耳目一新，不仅聚合速度显著高于传统的卧式圆盘或鼠笼搅拌釜，还能直接生产圆盘或鼠笼釜无法得到的高粘聚酯产品，取消SSP。

目前已有数家世界著名聚酯生产企业希望北京英诺威逊聚合技术有限公司向其授权或与其合作完成栅缝降膜塔直接生产高粘聚酯技术
商品化。

新型双区酯化釜
理想型酯化反应器优化设计原则：
◇酯化前期物料全混型流动，用酯化物溶解PTA粉末，避免非均相反应麻烦；酯化后期保持平推流动，提高酯化反应速度；
◇强化传热，以合理的方式满足酯化巨大的热量需求；
◇简化结构，降低建设投资和运行成本。

酯化反应器现状：
目前，国内外酯化反应器主要有两类：
Zimmer和Inventa配置两台搅拌釜串联，第二酯化釜采用内外室或多层结构向平推流靠近。

这种配置酯化率可达97%，能满足工艺要求，但占用空间大，制造维修运行成本较高。

DuPont采用单台自然循环酯化釜，无机械搅拌，结构简单，维修及运行成本较低。

该釜为外置循环，占用空间较大。

浆料注入外循环管后和回流的酯化物混合升温，浆料中水份和部分EG迅速蒸发，两相混合流体从下封头进入列管换热器。

与浮力相比，气泡水平运动的推动力十分微弱，较多气泡垂直上升进入进料管口上方区域列管，其余列管气泡含量较低，部分含气泡较少的列管内物料密度较高，可能向下倒流，影响传热和酯化速率。

DuPont单釜酯化率不足94%，必须与其特有的上流式预缩聚反应器（UFPP）配套，在UFPP中加入大量EG继续提高酯化率。

新型双区酯化釜简介：
遵循理想型酯化反应器优化设计原则并针对现行酯化反应器缺陷，北京英诺威逊聚合技术有限公司发明了新型双区酯化釜。

该釜由釜体、列管换热器、釜内区域分隔板及各区域内构件组成，其结构及釜内物料和蒸汽流动途径示意见图1。

图中“←”为液相流；“＜——”为气相流；“＜====”为气、液混合流；
釜体含上封头1、外筒2、下封头3和夹套4。

列管换热器含壳体5，环形上管板6，环形下管板7，多根换热列管8，内筒9，带直立段的底部小封头10和小封头中的内管11及置于小封头和内管间的环状静态混合器12以及未标代号的连接法兰、壳程挡板、拉杆等通用构件；为提供静态混合器12的安装位置，底部小封头10通常带直立段。

区域分隔板包括圆筒隔板13和圆台隔板14；上封头1、外筒2上段、圆台隔板14、圆筒隔板13、换热器壳体5及底部小封头10围成第一酯化区；外筒2下段、下封头3、圆筒隔板13和圆台隔板14围成第二酯化区。

第一酯化区内构件包括导流内管15、导流圆台16、导流环状栅板17以及气相导流圈18和旋风分离器19。

第二酯化区内构件包含2圈导流环板20以及加热盘管21。

第一酯化区设以下工艺管口：
小封头10下侧壁均布4个浆料进口a，半数运行，半数备用，运行口和备用口相间。

小封头10底部设第一酯化区酯化物出口b。

列管换热器壳体5设若干对热媒进口c和出口d。

上封头设蒸汽出口e。

第二酯化区设以下工艺介质管口：
外筒2开酯化物进口f，下封头3和圆筒隔板13交接处设酯化产物出口g。

外筒2和圆台隔板14交接处设蒸汽出口h，下封头3和外筒2开与加热盘管21相连的若干对热媒进口j、出口k。

列管换热器设热媒进出口c、d，釜体夹套设热媒进出口l、m。

此外，新型双区酯化釜还须开设温度、压力、液位等仪表接口及人孔或其它必要的附加接口。

新型双区酯化釜工作过程：
乙二醇（EG）和对苯二甲酸（TPA）摩尔比为1.6~1.8的浆料通过喷嘴从浆料进口a 进入第一酯化区小封头10和内管11间环状空间下部，和从小封头内管11循环回流的酯化物汇合升温，浆料中水份和部分EG迅速蒸发，两相混合流经静态混合器12使气泡均布，
由换热器环形下管板7进入
诸换热列管8，在列管中被壳程热媒加热升温进行酯化，反应生成的水及浆料中过量的EG蒸发，气液混合物穿过环形上管板6，沿以圆筒隔板13、圆台隔板14和外筒2为外缘，以导流内管15、导流圆台16、导流环状栅板17为内缘的通道继续上升至第一酯化区上部，液体穿过导流环状栅板栅缝从周边向中央汇聚，气体冲出液面后被气相导流圈18改变流动方向朝下冲，靠惯性除去雾沫夹带，再经旋风分离器19进一步除去雾沫后从e 口离釜。

导流环状栅板17内侧脱除气体后的酯化物熔体密度高于外侧气液混合物密度，受密度差驱使沿导流环状栅板17、导流圆台16、导流内管15、换热器内筒9、小封头内管11组成的内侧通道向下循环回流。

绝大多数循环回流酯化物经小封头内管11和小封头10底部间环隙流向小封头内管11外侧，和通过a口送进的浆料混合，继续下一个循环。

少部分酯化物从b口流出第一酯化区，通过连接管道进入第二酯化区f口。

从f口进入的酯化物在第二酯化区从外向内顺序流过各圈导流环板20呈平推流动，从加热盘管21补充热量维持工艺设定温度，酯化产物从g口离釜。

物料在第二酯化区流动途径见图2。

第二酯化区产生的蒸汽从h口离釜。

第一酯化区温度260~270oC，压力0.15~0.20MPa，停留时间120~180分钟，酯化率91~92%；第二酯化区温度265~275 oC，压力0.11~0.12MPa，停留时间45~75分钟，酯化率96.5~97%。

新型双区酯化釜优点：
显然，双区酯化釜完全满足理想型酯化反应器条件，与Zimmer或Inventa酯化技术比较，反应釜数少，无机械搅拌，制造维修及运行成本低，酯化后期更贴近平推流。

与DuPont酯化技术比较，浆料EG对PTA摩尔比降低，能耗低，酯化率达97%，不必在预缩聚过程补加EG，不仅节能，还可降低蒸汽中雾沫夹带。

双区酯化釜采用内置循环，比DuPont 的外置循环反应釜占据空间更小。

因小封头内静态混合器12改善了诸换热列管内气相分布均匀性，强化传热，加速酯化反应。

新型多层预缩聚釜
理想型预缩聚反应器设计原则：
◇物料呈平推流动
◇温度渐升，压力渐降
◇后期拥有较大气液界面
◇减小气相中雾沫夹带
◇结构简单，制造维修运行费用低
预缩聚反应器现状：
Zimmer及Inventa过去都采用两台反应器串联，近来倾向改用单台多层反应器。

据Zimmer介绍，采用单台预缩聚釜的四釜流程比原采用两台预缩聚釜串连的五釜流程设备投资省6.4%，工程设计省2.4%，安装省10.7%，建筑成本省40.0%，劳动力成本及维修保养费用省1.7%，公用工程消耗省2.3%，生产成本总体下降5.2%(1)。

无论Zimmer或Inventa，其多层预缩聚釜底部均设机械搅拌。

机械搅拌不仅使设备结构复杂，制造维修运行费用增加，而且与平推流原则相悖。

但如不设搅拌，底层物料会出现严重沟流及死区，设置搅拌乃不得已而为之。

DuPont采用单台上流式预缩聚反应釜（UFFP），釜数少，无机械搅拌，结构简单，投资省。

但釜内塔盘存在较多死区，必须依靠剧烈鼓泡来自洁，否则会严重结焦。

UFPP原本为酯交换路线设计。

EG和DMT进行酯交换反应后，物系中存留大量游离EG，酯交换生成物进入UFPP，所含游离EG恰好可用作鼓泡自洁，应属合理设计。

随着技术发展进步，直接酯化法取代酯交换法。

酯化齐聚物中游离EG极少，无法完成鼓泡自洁。

为避免结焦，只有向齐聚物中补加大量EG。

预缩聚工序本应及时移出反应生成的EG以促使平衡向右移动，釜内补加大量EG和反应原理冲突，而且会额外增加能耗，加剧蒸汽中雾沫夹带。

实际上，DuPont工艺中UFPP兼具第二酯化反应器功能，DuPont的酯化反应器和其预缩聚反应器配套属合理配置，但如将其分拆，用DuPont的酯化和其他形式的预缩聚或其他形式的酯化和DuPont的预缩聚配套，恐怕都不是很好的选择。

新型多层预缩聚釜简介：
遵循理想型预缩聚反应器优化设计原则并针对Zimmer和Inventa底层设机械搅拌的多层反应器缺陷，北京英诺威逊聚合技术有限公司发明了无机械搅拌的新型多层预缩聚釜。

该釜包含釜体、釜内区域分隔板和各区域内构件，其结构及物料流向示意见图3。

釜体包含上封头1，外筒体2，下封头3和夹套4；下封头3通常做成锥形以利于物料流动。

区域分隔板包含2块环状隔板5.1、5.2和一根中央管6，它们将釜内空间分割成上、中、下3层反应区及一个中央蒸汽通道区。

上层反应区以上封头1为顶，上层环状隔板5.1为底；中层反应区以上层环状隔板5.1为顶，第二层环状隔板5.2为底，
上层和中层反应区均以其顶和底之间的外筒体2和中央管6为本区域外壁和内壁。

底层反应区以下层环状隔板5.2为顶，以下封头3为底，以其顶和底之间的外筒体2下段为外壁。

各区域内构件包括：上层和中层反应区各自底部环状隔板5上设置的导流螺旋板7，其结构及物流方向见图4；导流螺旋板7之间设加热盘管9。

底层反应区上方设锥形伞板10，为将锥形伞板10固定在下封头3上，设3或4根立柱11；伞板锥顶设小挡圈12，小
挡圈底部和伞板间有环状间隙；伞板边缘设若干导流针13；锥形伞板面上开设多个菱形或橄榄型孔并在其上方设折流通道14。

中央蒸汽通道区域的中央管6内设内管15，6和15组成一台旋风分离器。

新型多层预缩聚釜含以下工艺管口：
第一第二层反应区设物料进口a，物料出口b。

进料管通常伸进釜内，物料从导流螺旋板的内端上方流入，从导流螺旋板外端最低处流出。

釜底层进料管伸进釜内从上方进入伞板锥顶档圈内，出料口b设在下封头底部。

第一第二层反应区均在中央管6管壁处开蒸汽入口c，c口设一导向管引导蒸汽从切线方向进入6和15的环隙，首层蒸汽入口c1设有阻尼阀K，上封头顶部设蒸汽出口d。

各层反应区开设若干对加热盘管热媒进口e，出口f。

釜体夹套设若干对热媒进口g，出口h。

此外，多层预缩聚釜还开设有温度、压力、液位等仪表接口以及人孔和其它必要的附加管口。

新型多层预缩聚釜工作过程如下：
来自酯化釜的齐聚物用泵或靠位差喂入新预缩聚釜上层反应区物料进口a1，顺导流螺旋板流动，从物料出口b1流出，通过外部接管进入中层反应区物料进口a2，顺导流螺旋板流动，从物料出口b2流出，通过外部接管进入釜底反应区物料进口a3，流进伞板锥顶挡圈，穿过挡圈底部和伞板间环隙或越过挡圈顶溢流，均匀地沿伞板降膜，至伞板边缘处被导流针引向釜壁均匀降膜，在底层反应区由上向下、由四周向中央呈平推流流动，最后从下封头物料出口b3出釜。

上层反应区产生的蒸汽经阻尼阀k由该层c1沿切线方向进入中央管6和其内管15之间的环状空间，即旋风分离器外圈上段；阻尼阀k控制上层和中、下层反应区压差；中层反应区产生的蒸汽经该层c2沿切线方向进中央管6和其内管15间的环状空间，即旋风分离器外圈中段，蒸汽在旋风分离器中除去夹带雾沫后沿中央内管15上升从d离釜。

下层反应区产生的蒸汽穿过伞板上诸菱形或橄榄形孔经折流通道14除雾沫后直接进入中央旋风分离器内管15。

连接上层反应区b1和中层反应区a2或中层反应区b2和下层反应区a3的外部接管可设置调节阀控制各层反应区液位。

各层反应区加热盘管热媒进口或出口可设调节阀分别控制其反应区温度。

上层反应区温度265~270oC，压力10~20kPa；中层和下层反应区温度270~280oC，压力600~1000Pa，釜内物料停留时间80~120分钟，出釜预聚物IV0.25~0.30。

新型多层聚酯预缩聚釜优点：
新型多层预缩聚釜完全满足理想型预缩聚反应器条件，与Zimmer或Inventa釜底设置搅拌的多层釜比，新型多层预缩聚釜以锥形伞板取代机械搅拌，制造费用和运行成本低，预缩聚后期预聚物熔体顺伞板和釜壁呈薄膜状降落，既提供了足够的脱挥面积，加快熔体中EG脱除，又能始终保持平推流动，工艺过程优化。

此外，新预缩聚釜巧妙地设置中央旋风分离器及折流通道除去蒸汽中夹带雾沫，有利长期稳定操作。

栅缝降膜终缩聚塔
理想型终缩聚反应器优化设计原则：
◇缩聚是可逆反应，必须及时移走反应生成的EG才能打破平衡，继续提高聚合物分子量。

但是，缩聚后期熔体粘度高达数十万厘泊，熔体内部的EG分子向膜面扩散速度很
慢，成为制约分子链增长的主要矛盾。

因此，终缩聚反应器应拥有尽可能大的气液界面并使其及时更新。

◇欲提高EG脱除效率，终缩聚须在高真空条件下操作，为避免熔体层底部静压头负面影响，应尽量减小熔体层深度，使全部熔体都处薄膜状态。

◇应保证熔体在缩聚釜内呈平推流动，特别要避免死角并消除釜内熔体径向温度梯度，保证良好的分子量分布。

◇应杜绝终缩聚釜漏入空气隐患，以免聚合物氧化裂解影响色泽及其它品质。

◇停车时釜内熔体应易排空，以免重开车时大量排废。

◇应能直接生产高粘聚酯产品。

◇结构简单，降低制造维修运行成本。

终缩聚反应釜现状：
目前，全球聚酯终缩聚反应器均采用带搅拌的卧式釜，Zimmer采用圆盘式搅拌器，称为圆盘釜；DuPont采用笼式搅拌器，称为鼠笼釜。

受熔体网架桥限制，圆盘或网片必须保持较大距离，致使单位体积熔体拥有的表面积不足，圆盘釜约50M2/M3，鼠笼釜约80M2/M3。

现行圆盘釜和鼠笼釜都是依靠下部沉浸于熔体层内的盘或网旋转时将熔体带起成膜，釜底熔体层液位通常在1/3半径处。

釜底熔体受静压头影响，压力比膜面处高出数拾倍。

这部分熔体除发生本应避免的副反应外，对分子链增长并无积极贡献。

但是，如降低釜底熔体层液位则无法拉成膜，令人左右为难，十分无奈。

由于搅拌器自重加之附着于盘或网上熔体重量，搅拌器产生相当挠度，盘或网外缘离釜内壁距离如太小容易刮釜壁造成机械事故，该距离太大则釜底会出现死区。

据报道，现行终缩聚釜内约存在0~18%的死区 (2)。

现行卧式釜设夹套，釜壁附近熔体流动状况不佳，存在温度梯度。

现行卧式釜水平安装，停车时大量熔体无法排净，需用EG洗釜，否则重新开车时需耗费大量新料将残料完全置换。

现行卧式釜在高真空条件下操作，轴封处可能漏入空气影响产品质量。

每隔1~2年必须停车，修复或更换机械密封，制约装置运行周期。

现行卧式釜无法直接生产高粘熔体，必须后续固相缩聚（SSP）。

不仅流程冗长，投资及生产成本高企，而且，SSP切片存在皮芯结构，皮层分子量较高，芯部分子量较低，分子量分布较宽。

现行卧式釜结构复杂，制造维修运行成本高。

显然，高效传质脱挥设备是终缩聚过程顺利进行的保障，目前并无完美的设备结构型式，因此各制造厂家和设计研究单位都在不断进行改进，探索更加合理的结构(3)。

但因思路未能跳出旧有模式，至今仍难见显著成效。

栅缝降膜终缩聚塔简介：
遵循理想型终缩聚反应器优化设计原则并针对现行圆盘釜和鼠笼釜缺陷，北京英诺威逊聚合技术有限公司发明了原创性栅缝降膜终缩聚塔。

栅缝降膜塔由塔体(1)、预聚物分配器(2)和塔芯(3)组成，其结构见图5。

塔体(1)包括顶盖1-1，塔体1-2、塔底1-3和夹套1-4。

塔顶、塔身、塔底用法兰连接。

塔体的功能是为终缩聚过程提供工艺要求的温度、压力环境，塔顶设预聚物进口A和蒸汽出口C，塔底设聚合物出口B和排废口D，B上方连接料锥斗1-3-1。

夹套设热媒进出口。

预聚物分配器(2)置于塔顶内，其功能是使预聚物均匀分布在首层栅板上。

塔芯3是栅缝降膜塔的核心，其功能是使熔体获得EG蒸出的巨大界膜面积并使膜面充分更新。

塔芯截面为正方形，包括4根角钢或其它型钢制成的立柱3-1和多层栅板3-2。

立柱3-1上部设挂耳3-1-1，塔身1-2上部设支撑架1-2-1，挂耳置于支撑架上方，用螺栓连接，把塔芯固定在塔体内，便于拆卸。

立柱下部设定位块3-1-2，塔体下部设配套限位装置1-2-2，限制塔芯底部摆动，但允许温度变化引起塔芯胀缩时立柱上下滑动。

栅板包括横梁3-2-1、上栅条3-2-2、下栅条3-2-3和导流梳3-2-4。

横梁固定在立柱上，上下栅条及导流梳固定在横梁上。

下栅条和两侧导流梳组成一栅斗。

横梁、上栅条、下栅条和导流梳立面图见图5。

相邻两栅板层栅条方向交互垂直。

底层栅板向内折边成天方地圆，圆直径略小于塔底接料锥斗1-3-1顶圆直径。

栅缝降膜塔工作过程：
预聚体从A口进塔顶经预聚物分配器均布在首层栅板，穿过上栅条间缝隙落入下栅条和导流梳组成的栅斗。

部分熔体穿过下栅条和导流梳间缝隙，部分熔体越过导流梳顶溢流，沿导流梳降膜至下一栅板层，穿过该层上栅条之间隙落入下栅条和导流梳组成的栅斗，部分熔体穿过栅条和导流梳间缝隙，部分熔体越过导流梳顶溢流，沿导流梳降膜……因相邻两层栅板栅条方向交互垂直，膜面充分更新。

从上至下，各栅板层栅缝加宽，导流梳丝距加大，适应熔体粘度变化。

至末层栅板，熔体顺天方地圆落入塔底接料锥斗，由出料泵输
出。

缩聚生成的EG从膜面蒸出后沿相邻两膜间通道汇至塔芯和塔体间弓形区域，再向上流动，从塔顶C口出釜。

蒸汽可能夹带的雾沫沉降或附于塔壁再降落至塔底，定期从排废口D排出。

控制热媒温度与塔芯内熔体温度一致。

可采用多个塔芯并联，制造大容量反应器。

栅缝降膜终缩聚塔优点：
不受熔体架桥限制，膜距大大小于卧式搅拌釜。

单位熔体拥有的界面达200M2/M3，为圆盘釜4倍或鼠笼釜2.5倍。

相邻两栅板层栅条交互垂直，膜面更新充分。

全部物料均处薄膜状态，无静压头负面影响。

夹套温度和塔芯温度一致，传热温差趋于零，塔体和塔芯间为高真空，传热系数趋于零。

终缩聚实际上处于绝热状态，任何截面温度梯度为零，仅沿轴向有很小温度梯度。

计算和实验显示， IV从0.25增至0.65，温度降约3oC；从0.60增至0.90，温度降不足1 oC，属工艺可接受范围。

取消了搅拌，无动态密封面，静态密封可采用唇焊，杜绝漏气隐患。

停车时，只须降低真空阻聚，塔内物料可基本排尽。

结构简单，运行成本低。

中试验证，可直接生产高粘聚酯熔体，有望取代SSP。

栅缝降膜塔生产中试情况：
规模：
1、125kg/hr
2、10kg/hr
塔芯高度：4m
栅板层数：62层
操作压力：100~150Pa
操作温度：285 oC
停留时间：约30min
入塔预聚体粘度：IV0.45
出塔聚合物粘度：IV0.82
小结：
目前，世界聚酯生产主流技术包括以Zimmer和Inventa为代表的五釜流程和以DuPont 为代表的三釜流程。

我国近年来实现国产化的聚酯装置与上述国外技术因缘极深，已具大致相当的水准。

北京英诺威逊聚合技术有限公司克服思维惯性，从化学反应工程基本原理出发，深入剖析国内外聚酯装置的优点和缺陷，取其所长，舍其所短，切实按理想型反应器的条件优化设计，发明了全新的新三釜聚酯装置。

新型双区酯化釜和新型多层预缩聚釜已成功用于470吨/日生产线（实际能力可达520~540吨/日），连续运行一年有余，状况良好。

比传统反应器具有明显优势，栅缝降膜终缩聚塔是一种全新概念的原创性发明，中试结果表明，该项技术可望成为终缩聚反应
器的一次革命性进步。

新型双区酯化釜和新型多层预缩聚釜已分别向国家知识产权局申请发明专利和实用新型专利，栅缝降膜终缩聚塔已获国家发明专利授权，国际专利已获WIPO核准，进入具体国家注册阶段。

通过进一步完善技术，加强商务推广，新三釜聚酯装置能尽快成为世界聚酯行业主流。

（本技术主要发明人是北京英诺威逊聚合技术有限公司刘兆彦总经理）。