聚酯工业节能技术的进展及其应用

常规聚酯切片黏度为 016～017 dL / g,就现有 聚酯设备和生产线而言 ,可生产聚酯切片的最高 黏度为 017～0175 dL / g,生产高黏度聚酯切片必 须进一步增黏 。增黏通过两种途径来实现 :熔融 缩聚增黏和固相增黏 。固相缩聚就是对已切粒的 聚酯切片在固体状态下进行的缩聚反应 ,将具有 一定分子质量的聚酯预聚体加热到其熔点以下玻 璃化温度以上 (通常为熔点以下 10 ～40 ℃) ,通 过抽真空或惰性气体 (如 N2 、CO2 、He等 )的保护 并带走小分子产物 ,使缩聚反应得到继续 ,此工艺 为二步法工艺 。
在传统的生产工艺中 ,酯化分离塔顶排出的 蒸汽需要耗费大量冷却水来冷凝 ,如果能利用 ,该
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部分低压余热就可以成为“热源 ”。而装置中的 循环 EG系统和切粒机冷却水系统在运转时又需 要大量的冷冻水 ,是系统中的“冷阱 ”。如果能用 “热源 ”来填补“热阱 ”,将大大降低聚酯装置的能 源消耗 。
自动升压双室酯化反应器是低温短流程平推 流塔式聚酯技术的核心节能技术 ,双室结构相对 延长了反应物流道长度 ,使停留时间分布变窄 ;水 蒸气在外室得到分离 ,内室的压力增加了反应物 外循环动力 ,由此减少 EG蒸气消耗 ,减少了原料 EG / PTA 的物质的量的比 。独特的反应器结构使 酯化反应温度大大降低 ,副产物减少 ,原料消耗降 低。
332
综合能耗 (标油 ) / ( kg·t- 1 )
85
860 337 12611
862 336 10912
112 就地闪蒸热媒加热技术 [ 3 ] 虽然不管采用何种技术 ,所有聚酯装置理论
上的化学反应热都是相同的 ,但热能转换效率不 同 ,结果造成能耗差别很大 。
就地闪蒸热媒加热系统技术是一种新型热媒 系统 ,整个系统包括热媒加热炉 、闪蒸釜和管道系 统及控制系统 。将热媒闪蒸釜布置在生产区域内 (简称“就地 ”) ,就近设置闪蒸釜 ,闪蒸产生的气 相热媒用于反应器加热 ,闪蒸后的冷凝液作为二 次热媒循环系统的热源 ,对温度要求低的设备和 管道进行加热和保温 。通过能级的分级利用 ,提 高热能的利用效率 。
高温短流程外循环聚酯技术的最大特点是反 应器中无搅拌器 ,终聚釜中的笼筐网盘的作用不 是搅拌而是拉膜 ;在平推流 (或称柱塞流 )状态下 原料与产物返混 ,实现了“先进先出 ”;反应器单 容积效率高 ,反应时间仅有 315 ～415 h。其缺点 是只能靠提高温度一种手段来提高反应速度 。
低温短流程平推流塔式聚酯技术是在高温短 流程外循环聚酯技术基础上开发形成的一种新型 聚酯技术 ,以 2个无搅拌的平推流型酯化 、预缩聚 塔式反应器替代带搅拌器的全混型酯化 、预缩聚 反应器 ,加上 1个带笼筐式拉膜器的终缩聚反应
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2008 年 12 月
器 。通过采取对物流沿流动方向进行精细的分段 处理和设置不同分室的技术 ,在不同阶段及时脱 出产物小分子 ,使整个过程始终保持平推流 ,加快 了酯化和聚合反应速率 ,整个工艺停留时间短 (小于 5 h) ,反应体系温度较低 ( < 275 ℃) ,不出 现传统的 、由搅拌形成的全混流动状态 ,反应物及 产物不出现返混流动 ,从而降低了原料的消耗和 能耗 ,同时减少了动设备台数和部件 ,降低运行和 维修成本 。
熔融缩聚增黏也称作液相增黏 ,主要是直接 通过提高缩聚后聚酯熔体反应温度和脱挥面积使 分子链之间进一步缩聚来实现增黏 。采用液相增 黏工艺较两步法固相增黏工艺减少了工序 ,具有 明显的经济技术优势 ,其产品质量稳定性高 ,生产 成本低 ,同等规模的装置 ,采用液相增黏工艺每吨 高黏度聚酯切片可降低生产成本 500元以上 。液 相增黏技术因其高效 、节能以及产品质量稳定等 优点 ,在国内外已有广泛研究 ,但到目前为止只有
分子质量是高聚物最基本的两大结构参数之 一 ,对高分子材料的性能和用途有直接的影响。 为了满足某些特殊的需要 ,经常会要求聚合物有 高的分子质量 (以特性黏度表示 ) 。例如 , PET用 于生产常规纺织纤维时 , 其特性黏度只需 0164 dL / g,而用于生产饮料瓶时 ,其特性黏度必须达到 0173 dL / g以上 ,生产工业丝则须达到 0185 dL / g 以上 。随着 PET聚酯应用领域的不断拓展及后 加工技术的发展 ,高特性黏度聚酯切片的市场需 求量剧增 。
真空系统是聚酯生产装置的一个重要组成部 分 。在聚酯生产过程的缩聚阶段 ,缩聚反应释放 出许多低分子质量的 EG及其他化合物 ,为了确保 缩聚反应顺利进行 ,缩聚反应通常在 011～10 kPa 的减压真空条件下进行 ,以保证低分子物质的抽 出。
大型聚酯生产装置的真空发生装置主要采用 流体喷射真空泵 。20世纪 90年代引进的大型聚 酯装置都采用蒸汽喷射泵 ,它具有设计可靠 ,动力 源蒸汽易于取得 ,比机械真空泵运转稳定和维修 工作量较小等诸多优点 。但也有不足之处 :因为 在聚酯生产的缩聚反应过程中 ,要及时地抽出 EG、水 、乙醛和不凝性气体等低分子物质 ,同时也 夹带着少量低聚物的抽出 ,即便采取各种减少夹 带的方法和措施 ,仍难以除尽 。这些夹带物附着 于管道 、真空发生装置内 ,造成抽气不足 、真空波 动 ,影响生产能力和产品质量 ,从而不得不停车清 理 。另外 ,抽出的 EG、乙醛和少量低聚物与动力 蒸汽直接混合 ,不仅增加了物料消耗量 ,还产生大 量的废水 。
就地闪蒸热媒加热系统技术的闪蒸釜布置在 生产过程的装置区域内 ,有效地利用了循环液相 热媒的蓄能作用 ,克服了现有技术输送气相热媒 压力和温度过高的缺点 。因此热媒炉出口温度与
同类引进装置相比可以降低 35～45 ℃,操作温度 小于 325 ℃,同时减小了有机热载体的分解和损 耗。
与引进装置采用的热媒液相加热或气相加热 技术相比 ,该技术具有节能 、简化流程和精确控制 加热过程的优势 。采用此项节能技术 ,每吨产品 的燃料油消耗小于 50 kg,与同类引进技术相比 , 采用此项节能技术 , 每吨产品可节能 20 ～29kg (标油 ) / t。 113 EG 蒸气喷射泵与机械液环泵的真空获得 系统技术 [ 4～5 ]
摘 要 : 概述了国内外聚酯行业一些最新的节能技术的发展动态和开发现状 ,重点分析了低温短流程聚 酯合成 、热媒就地闪蒸 、乙二醇蒸气喷射泵真空获得系统 、液相增黏 、熔体侧线共混改性等行业最新节能降 本技术 。结合中国石化上海石油化工股份有限公司早期引进的聚酯装置特点 ,对聚酯节能新技术的应用提 出了建议 。 关键词 : 聚酯 新技术 节能 应用 文章编号 : 1674 - 1099 (2008) 06 - 0057 - 06 中图分类号 : TQ342 + 121 文献标识码 : A
聚酯是制造纤维 、瓶类 、薄膜以及工程塑料的 重要原料 ,经过 60多年的发展 ,聚酯产业已步入 成熟期 ,行业的竞争日益加剧 。由于聚酯产品的 利润水平正逐年递减 ,降低生产成本 ,增加产品附 加值 ,拓展全新应用领域成为聚酯技术发展的动 力和目标 ,以节能降本为目标的大容量 、短流程 、 低温平推流 、柔性化等特点已成为世界聚酯工程 技术发展的趋势 。
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2 4卷
第
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石 油 化 工 技 术 与 经 济
2008 年 12 月
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国内外行业发展动态
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聚酯工业节能技术的进展及其应用
徐 浩
(中国石化上海石油化工股份有限公司涤纶事业部 , 200540)
3种代表性的聚酯技术的物耗和能耗比较见 表 1。
表 1 3种代表性的聚酯技术的物耗和能耗比较
工艺流程
低温短流程 高温短流程 低温长流程 平推流塔式 外循环三釜 全混五釜
单线生产能力 / ( t·d - 1 )
450
600
600
单耗
PTA / ( kg·t - 1 )
857
EG / ( kg·t - 1 )
用 EG蒸气喷射泵取代原来的蒸汽喷射泵 , 可以使整个装置主过程不再使用蒸汽 ,这样可以 减少热损失和蒸汽的跑冒滴漏 ; EG蒸气喷射泵可 以把真空抽出的 EG全部回收使用 ,可使 EG单耗 降低 ,又不产生废水污染 ;由于 EG的气化潜热仅 为水蒸气汽化潜热的 1 /215,所以 EG气化和冷凝 消耗的能量也仅为水汽化和冷凝消耗能量的 1 / 215,仅此一项 , 生产每吨聚酯可节约标油 4 ～5 kg,少产生 0112 t蒸汽喷射泵冷凝废水 。 114 溴化锂制冷机回收酯化废蒸汽技术
1 聚酯节能技术的最新进展 近几年来国内外聚酯工程技术界对聚酯装置
进行了一系列的技术优化 ,开发出了先进的聚酯 技术 ,聚酯装置投资进一步降低的同时 ,由于采用 了更为节能和环保的新工艺和新技术 ,装置物耗 、 能耗大大减少 ,运行成本显著降低 。下面介绍其 中一些具有代表性的聚酯节能新技术 。 111 低温短流程平推流塔式聚酯技术 [ 1～2 ]
收稿日期 : 2008 2 07 208。 作者简介 :徐浩 ,男 , 1956年出生 , 1981 年毕业于上海纺织工 业高等专科学校化学纤维专业 ,工程师 ,现从事聚酯合成 、纺 丝技术以及生产管理工作 。
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第
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第
6期
温短流程工艺 (杜邦聚酯技术为代表 ) 、低温短流 程工艺 (上海石化和聚友低温短流程塔式聚酯技 术为代表 ) 。
低温长流程全混聚酯技术的最大特点是在每 个反应器中通过搅拌来更新反应界面 ,提高反应 速度 。这类技术的优点是反应温度低 ,酯化温度 在 260～275 ℃,缺点是由于反应物与产物不断的 返混加大了逆向反应速度 ,反应时间长达 8～11 h, 每个反应器都使用搅拌器 ,设备单容积效率低 ,导 致电耗和副产物含量偏高 。
杜邦 、吉玛等国外少数几家大公司研制成功并实 现了工业化 。
德国吉玛公司开发了将缩聚后的熔体经“高 黏自净反应器 ”( HVSR )制成高黏熔体生产高模 低收缩涤纶工业丝的新技术 ,特性黏度达到 0192 ～0198 dL / g。杜邦公司采用笼式缩聚反应器进 行聚酯熔融增黏用于工程塑料 。 116 熔体侧线共混改性技术 [ 7 ]
利用酯化产生的副产水蒸气推动溴化锂制冷 机组 ,再用溴化锂制冷机组制备冷冻水用于真空 获得系统和切粒机冷却水系统 ,以一套年产 150 kt 的聚酯装置为例 ,酯化工序产生的 8 t/ h 废蒸汽 中可回收 12155 GJ / h的热能 ,生产 600 t/ h降温 幅度为 5℃的冷冻水 ,替代公用工程提供的冷冻 水 ,由此 ,生产一吨切片可少消耗 11184 kg标油 。 115 液相增黏技术 [ 6 ]
众所周知 ,聚酯生产的主要化学反应包括酯 化反应和聚合反应两个阶段 。原料对苯二甲酸 ( PTA )和乙二醇 ( EG)先在酯化反应器中完成酯 化反应 ,生成的酯化产物 (低聚物 )进一步在聚合 反应器中完成聚合反应 ,生成聚对苯二甲酸乙二 酯 ( PET)切片 。看似简单的两步化学反应在实际 生产中可以通过各种不同的途径得以实现 。目前 世界聚酯技术的主导工艺可以概括为三类 :低温 长流程工艺 (吉玛和伊文达聚酯技术为代表 ) 、高
在熔体中添加添加剂的方法一般采用以下几 种途径 :
( 1 )在纺丝前通过特殊注射计量螺杆将无机 或有机添加剂注射到熔体管道中 。例如德国的吉 玛公司采用在纺丝计量泵前注射添加剂的方法对 熔体进行添加剂改性 ,其添加的品种一般是色料 (有色纤维 ) 、增白剂 、无机阻燃剂等 。解决了大 容量聚合装置对应直接纺和切片共同生产的多品 种柔性化共存的技术生产难题 。
聚酯熔体改性和在熔体中添加添加剂的手段 是 20世纪 80年代起随着聚酯工业的发展特别是 聚酯在线添加剂品种要求而开发研究的技术 ,其 主要目的是通过在聚合后熔体中添加无机 、有机 添加剂 ,使聚酯熔体具有某些特性的改变或增加 新的功能 。特别是直接纺丝过程 ,熔体中添加无 机 、有机添加剂是纤维改性和新产品开发中比较 经济合理和高效的手段 。