新型聚酯液相增黏工艺技术浅析

张宇航，吕陈秋，贾志轩，曾文兵

(中国昆仑工程有限公司，北京 100037)

目前，中国已成为全球最大的聚酯生产国[1-2]。随着聚酯应用领域的拓展，聚酯工业丝、高黏丝和聚酯瓶片发展迅速，市场需求旺盛。国内外聚酯工业丝、高黏丝和聚酯瓶片的生产普遍采用固相缩聚(SSP)技术，该技术设备投资大、工艺路线长、生产能耗高[3]。相比较而言，液相增黏(LSP)技术由于其工艺路线短、投资小、高效节能及产品质量稳定等优点越来越受到关注[4-6]。

传统聚酯液相增黏技术往往通过增加反应器来实现增黏，造成熔体停留时间过长、副反应增加、产品品质不高。

作者介绍了一种新型聚酯液相增黏工艺技术，通过对聚酯四釜或五釜流程中的后缩聚反应器进行重新设计，并对真空系统进行优化，在不增加反应器和真空系统的情况下，可使聚酯熔体特性黏数从0.636 dL/g增加至0.805 dL/g。

1 传统液相增黏工艺流程

传统的聚酯增黏为固相增黏，又称固相缩聚，是将聚酯熔体切粒后风送至切片料仓，通入热氮气，聚酯切片在固体状态下进一步结晶和缩聚，黏度得到进一步提高[7]，固相缩聚工艺流程见图1。

图1 固相缩聚工艺流程Fig.1 Process flow of solid-state polycondensation

传统的聚酯液相增黏主要是以连续聚酯生产线生产的聚酯熔体为原料，经过液相增黏系统，进一步进行缩聚反应，得到高黏度聚酯熔体。该技术目前应用比较多的是在常规聚酯后缩聚反应器后面串联一个液相增黏反应器，高黏度聚酯熔体直接纺丝即可生产聚酯工业丝。如果生产聚酯瓶片，由于瓶片对聚酯中的乙醛含量要求较高，则再增加一台脱醛设备，使熔体中乙醛含量降至要求值后进行切粒即可得倒聚酯瓶片。传统液相增黏工艺流程见图2。

图2 传统液相增黏工艺流程Fig.2 Traditional liquid-state polycondensation process

与固相缩聚工艺流程相比，传统液相增黏工艺流程省略了风送系统、切片料仓、预结晶器、结晶器、流化床冷却器、静态冷却器，生产涤纶工业丝时更是省略了切粒系统、成品运输和熔融挤出机。从表1可知。对比200 kt/a固相缩聚装置和200 kt/a传统液相增黏装置，液相增黏装置不仅可以节省建设投资和占地，在能耗成本和人工成本等方面有着非常明显的优势。因此，液相直接增黏工艺是固相增黏工艺的技术跨越升级，可以预计在高黏聚酯生产的技术主流中，液相增黏技术必将替代现有固相增黏技术。

表1 固相缩聚装置和传统液相增黏装置对比Tab.1 Comparison between solid-state polycondensation unit and traditional liquid-state polycondensation unit

虽然传统液相增黏工艺可使熔体特性黏数从大概0.6 dL/g增加至0.8 dL/g以上，但预缩聚反应器之后又继续串联2～3个反应器，聚酯熔体的停留时间增加4～6 h，伴随而来的是副反应增加，长时间高温降解导致乙醛含量升高，产品色相b值升高，难以获得高品质的产品。另外，反应器的增加意味着需要增加2～3套真空系统和乙二醇喷淋系统及熔体输送系统，设备投资较大，流程长，占地面积大，尤其在现有聚酯装置上进行增黏技术改造特别困难。

2 新型液相增黏工艺流程及技术特点

新型液相增黏工艺流程包括酯化反应器、预缩聚反应器、后缩聚反应器、高真空系统、直纺拉丝系统/切粒系统。与传统液相增黏工艺相比，不需要再增加液相增黏反应器、脱醛设备及新的真空系统。因此不需要额外增加原有聚酯装置的占地面积和装置定员。

新型液相增黏工艺设计的核心仍然是反应器和真空系统。通过重新设计后缩聚反应器和真空系统，使预聚物在后缩聚反应器中的特性黏数从0.28～0.32 dL/g增加至0.70～0.84 dL/g。新型液相增黏工艺流程见图3。此外，由于熔体增黏后黏度超过600 Pa·s，甚至高达1 200 Pa·s，高黏熔体输送也是新型液相增黏工艺中的一项关键技术，直接影响产品品质。

图3 新型液相增黏工艺流程Fig.3 Novel liquid-state polycondensation process

2.1 新型后缩聚反应器

2.1.1 反应器形式

目前常用的后缩聚反应器主要有两种形式：立式降膜反应器和卧式圆盘反应器。

在立式降膜反应器中，预聚物从后缩聚反应器顶部或上部进入，反应器内部设有物料分布器，分布器下方设有导流板。通过在后缩聚反应器中设置导流板，将物料分成众多的小股流束，使其在被引导状态下自由流动，由于多层导流的持续引导，小股流束在流动中不断通过分离、合并形成新的小股流束，小股流束的界面不断地得到更新，从而给反应产生的小分子的快速脱离提供了非常有利的条件，明显加快了缩聚反应的进程[8〗。该类后缩聚反应器仅依靠重力，在能耗方面比较有优势[9-10]，但高黏度熔体流动性较差，在降膜反应器中容易造成相对分子质量分布不均匀，反应器容易存在死角或熔体滞留区。另外，降膜反应器在生产常规聚酯时也仅能用于较小产能的聚酯装置。因此，大容量新型后缩聚反应器选择带搅拌的卧式反应器是比较合适的。然而常规卧式圆盘反应器并不能满足增黏要求。

2.1.2 反应器设计要求

在设计新型反应器之前，首先需要分析反应器的操作条件，高温低压有利于聚酯缩聚反应的进行[11-12]，但是过高的温度伴随副反应的增加，所以后缩聚反应器内的温度控制在283～287 ℃比较适合，为了得到黏度更高的熔体，需要进一步降低反应器内的压力，根据出口熔体的黏度要求，压力应控制在80 Pa(绝压)以下。

根据以上分析，高黏高真空的新型后缩聚反应器在设计过程中需要满足如下要求：(1)足够的气相空间，高真空下气相的体积流量增大3～5倍，需要考虑足够的小分子脱除空间；(2)足够的传热面积和合适的搅拌速率，保证熔体受热均匀，并形成液膜；(3)合适的筒体长度，保证熔体增黏时间，过长的反应器不利于小分子脱出，也使熔体停留时间过长影响产品质量；(4)熔体均布器的设置，防止熔体在增黏过程中会出现相对分子质量分布不均匀；(5)更高强度和机械性能的搅拌器，尤其是反应器后端搅拌器；(6)反应器死角和熔体滞留区的消除。

2.1.3 反应器设计

1.加快国家反恐怖情报中心信息平台建设。建立完善涉恐活动组织与人员专业数据库；完善关注人群活动轨迹监测工作；拓展线索研判分析，完善情侦联动机制并与基层情报部门对接机制，有效提升虚拟身份变现能力；探索建立基础数据；汇聚分析和关注人群滚动筛查系统，开发线索处理核查系统和智能情报分析研判模块。全力汇集各类数据资源，强化案件线索、涉案线人员（打击处理人员）信息采集和串并分析、综合研判。

根据以上设计要求，高黏高真空的新型后缩聚反应器在外观上设计成气相空间结构反应器，反应器筒体内腔的横截面为顶部向上凸起的非圆形，此设计可以增大小分子气体流道的过流面积，降低脱挥气速。设计的新型后缩聚反应器示意见图4。

图4 新型后缩聚反应器简图示意Fig.4 Schematic diagram of new post polycondensation reactor1—预聚物入口；2—低黏段；3—中黏段；4—高黏段； 5—熔体出口；6—气相出口

反应器从进料端到出料端依次分为低黏区、中黏区、高黏区。低黏区内，由于聚合物黏度较小，可采用组合式孔盘，各个圆孔盘通过与搅拌轴平行的连接杆相连。当熔体黏度在低黏区增至0.45～0.51 dL/g后，进入中黏区，中黏区搅拌轴连接有筐式搅拌器，筐式搅拌器由网状筒组成，各网状筒通过若干均匀分布的径向连接杆连接，可提供较大的更新面积，提高小分子的挥发速率。随着熔体黏度持续增大，熔体流动性越来越差，高黏熔体易滞留在网上，熔体黏度在中黏区达到0.62～0.66 dL/g，继而进入高黏区。

高黏区搅拌轴上连接加强拉膜圆环盘，盘体设3～5个辐条，并设有螺旋角刮刀。在搅拌轴旋转过程中，辐条不仅对物料起搅拌作用，还会不断破坏和刮除附在内壁和搅拌轴表面的滞留层，使物料难以在筒体内壁和主轴表面上长时间附着。高黏段筒体底部在相邻圆盘的间隔处设有隔板，可以防止物料返混，也能保证熔体相对分子质量分布均匀。高黏段筒体邻近气相出口处，同样设置气相挡板组。气相挡板承受气流的冲击，在冲击过程中，气流夹带的低聚物会因惯性作用而黏附在挡板上，从而减少了气体夹带的低聚物。

经过高黏段后，熔体特性黏数可增至0.70～0.84 dL/g，运动黏度达到600～1 200 Pa·s。当熔体运动黏度大于800 Pa·s时，反应器出口处还需设置螺杆出料。

2.2 真空系统

新型后缩聚反应器的真空系统由刮板冷凝器、液封槽、乙二醇冷却器、乙二醇循环泵、乙二醇喷射泵、真空泵等设备组成，其工艺流程如图5所示。

图5 真空系统工艺流程Fig.5 Process flow of vacuum system1—刮板冷凝器；2,6—液封槽；3,7—乙二醇循环泵； 4,8—乙二醇冷却器；5—乙二醇喷射泵；9—真空泵

后缩聚反应器的气相首先进入刮板冷凝器，在低温乙二醇喷淋下，气相中的乙二醇和低聚物被捕集，不凝气进入乙二醇喷射泵。乙二醇喷射泵以乙二醇蒸气为动力蒸气，低温乙二醇为喷淋介质，最后一级喷射泵尾气进入真空泵，从真空泵出来的气相接至尾气淋洗系统。

反应器压力要求在50 kPa以上时，传统的乙二醇三级喷射泵和液环泵配置尚且能满足真空要求，当反应器压力小于等于50 kPa时，需要采用乙二醇四级喷射泵和干式螺杆真空泵才能满足真空要求，喷射泵的喷淋温度也需降低至35～40 ℃。在高真空下，反应器产生的乙醛量增加，尾气与液环泵工作液直接接触，乙醛容易在液环泵中积聚，造成液环泵的效率下降，而干式螺杆真空泵则是利用一对螺杆，在泵壳中作同步高速反向旋转而产生的吸气和排气作用，不存在乙醛积聚的情况。

2.3 熔体输送系统

高黏聚酯熔体需要经过熔体输送系统送至纺丝装置或者切粒系统。熔体输送系统包括熔体泵、熔体过滤器、熔体冷却器、热媒冷却器、热媒泵。熔体输送系统工艺流程如图6所示，高黏聚酯熔体经过熔体泵增压后进入熔体冷却器，继而通过熔体过滤器过滤杂质，然后需要进一步增压再冷却。

图6 熔体输送系统工艺流程Fig.6 Process flow of melt conveying system1,4—熔体泵；2,5—熔体冷却器；3—熔体过滤器； 6,8—热媒冷却器；7,9—热媒循环泵

高黏聚酯熔体黏度较大，必须控制熔体在管道中的流速，流速太慢熔体发生滞留，流速太快则引起熔体温升过快，控制熔体流速在0.1～0.2 m/s较为合适。由于黏度较高，熔体在输送过程中压降较大，800 Pa·s的高黏熔体在每米管道的压降为0.2～0.3 MPa，为了缩短熔体管道长度并降低压降，在设备布置时可以考虑将后缩聚反应器放置在纺丝装置中，做成聚纺一体化。

另外，熔体增压泵的压力越高，熔体的温升越高。对于常规聚酯熔体，黏度在250～350 Pa·s，熔体增压泵经常选用20～25 MPa，熔体温升小于3 ℃；而对于高黏熔体，熔体增压泵选型需要在30 MPa以上，30 MPa的增压泵对于高黏熔体的温升在10～15 ℃。熔体温度过高导致熔体降解较快，影响纺丝质量，因此，在输送过程中需要不断对熔体进行冷却，控制熔体的输送温度在287～296 ℃。高黏熔体通过熔体冷却器冷却，熔体冷却器带冷却夹套和冷却盘管，夹套和盘管中通入液相热媒进行换热，液相热媒与熔体换热后通过翅片式热媒冷却器再次换热。对于熔体过滤器选型，由于高黏熔体压降较大，过滤器面积需要比常规聚酯熔体过滤器大15%，切换压差为6 MPa，滤芯精度为10～15 μm。

3 新型液相增黏工艺技术的应用

以100 kt/a聚酯装置为例，装置进料为精对苯二甲酸(10.7 t/h)、乙二醇(4.4 t/h)、乙二醇锑(5.6 kg/h)，采用五釜流程工艺，传统聚酯装置(A)和新型液相增黏装置(B)的各个反应器操作参数如表2所示。

表2 传统聚酯装置和新型液相增黏装置操作参数对比Tab.2 Comparison of operating parameters between traditional polyester unit and new liquid-state polycondensation unit

与传统聚酯装置相比，新型液相增黏装置操作参数有如下特点：(1)反应温度稍高，酯化反应器温度调高2～3 ℃，缩聚反应器温度调高5～7 ℃；(2)压力降低，尤其是缩聚阶段，后缩聚反应器的压力需达到50 kPa(绝压)；(3)缩聚反应器停留时间加长，后缩聚反应器增加了1.3 h，总停留时间增加了1.8 h；(4)反应器出口黏度增加，后缩聚反应器出口黏度能到达810 Pa·s，对应特性黏数为0.805 dL/g，而传统聚酯装置后缩聚反应器出口黏度为320 Pa·s，对应特性黏数为0.636 dL/g。

另外，传统聚酯装置热量消耗为30 310 MJ/h，生产高黏聚酯产品时还需要在后面增加传统液相增黏装置，总热量消耗达34 510 MJ/h；而采用新型液相增黏装置生产高黏聚酯产品时热量消耗为31 190 MJ/h，总热量消耗降低9.6%。 其次是公用工程的消耗，传统聚酯装置吨产品能耗为3 279 MJ，增黏装置吨产品产生的能耗为1 370 MJ，吨产品总能耗达4 649 MJ；而新型液相增黏装置吨产品能耗为3 666 MJ，能耗降低20%以上。

4 结论

a.在新型液相增黏工艺中，其核心是重新设计后缩聚反应器、真空系统和熔体输送系统。与传统液相增黏工艺相比，不需要再增加液相增黏反应器、脱醛设备及新的真空系统。

b.后缩聚反应器采用三段式气相空间结构的卧式圆盘反应器；真空系统采用四级乙二醇喷射泵和干式螺杆真空泵，控制乙二醇喷淋温度(35～40 ℃)和液气比(1 500～2 000)，可使后缩聚压力达到小于50 kPa；熔体输送系统中控制熔体温度和流速分别为287～296 ℃和0.1～0.2 m/s，以防止高黏熔体在输送过程中降解。

c.在100 kt/a聚酯装置上，传统聚酯工艺生产的产品特性黏数为0.636 dL/g，而应用新型液相增黏工艺可获得特性黏数为0.805 dL/g的高黏聚酯产品。