摘要：近年來，粉末涂料用聚酯樹脂需求越來越大，本文介紹了聚酯生產(chǎn)裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化措施，能夠極大的提高單條生產(chǎn)線的產(chǎn)能；并通過選用特定的固體輸送設(shè)備，解決反應(yīng)釜密閉操作的問題，有效改善車間的生產(chǎn)環(huán)境、提高安全操作性。
粉末涂料是一種100%固體成分、以粉末形態(tài)進(jìn)行涂裝的涂料，它最大的優(yōu)勢(shì)就在于不需要使用有機(jī)溶劑或者水作為分散介質(zhì)。因此其在使用過程中無溶劑揮發(fā)，安全環(huán)保，符合國(guó)際上通認(rèn)的“4E” 法則：經(jīng)濟(jì)（Economical)、環(huán)保（Environmental）、高效（Effectiveness） 和性能卓越（Excellence），成為市場(chǎng)上備受歡迎的涂料品種。而聚酯樹脂是聚酯型粉末涂料里面最重要、比例最大的組成部分，近年來其市場(chǎng)規(guī)模快速增長(zhǎng)，相關(guān)企業(yè)大多面臨產(chǎn)品供不應(yīng)求的境況，新建工廠、擴(kuò)大產(chǎn)能成為必然的選擇。中國(guó)《聚酯工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)聚酯工廠設(shè)計(jì)的技術(shù)要求做出了規(guī)定，但該規(guī)范適用于采用對(duì)苯二甲酸和乙二醇為原料、生產(chǎn)對(duì)苯二甲酸乙二醇酯的工廠，對(duì)采用新戊二醇等其他單體作為原料的聚酯工廠設(shè)計(jì)僅有一定借鑒意義。曹銀波針對(duì)聚酯樹脂出料的工藝和操作步驟進(jìn)行了分析，但是，鮮有針對(duì)粉末涂料用聚酯樹脂生產(chǎn)裝置的工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選型進(jìn)行介紹的論文。本文從某聚酯生產(chǎn)裝置的實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，介紹工藝優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)和主要設(shè)備選型，供工程設(shè)計(jì)人員參考。粉末涂料用聚酯樹脂的主要生產(chǎn)工藝是由對(duì)苯二甲酸、間苯二甲酸、新戊二醇為主要原料，經(jīng)過加熱酯化反應(yīng)和真空脫水縮聚而制得。聚酯樹脂生產(chǎn)裝置主要包括配料加料、加熱酯化、縮聚脫水、冷卻破碎和包裝入庫(kù)等五個(gè)工序，其工藝流程簡(jiǎn)圖如圖１。一般來說，聚酯樹脂生產(chǎn)裝置采用單釜流程、間歇操作，酯化和縮聚兩步反應(yīng)均在一個(gè)反應(yīng)釜內(nèi)完成，制得聚酯產(chǎn)品后送入雙鋼帶機(jī)冷卻破碎，最后包裝入庫(kù)。反應(yīng)釜的投料、酯化和縮聚反應(yīng)和放料所需時(shí)間決定了生產(chǎn)周期，與反應(yīng)釜的容積一起決定了整條生產(chǎn)線的年產(chǎn)能。以一個(gè)30m3 的反應(yīng)釜為例，每批可生產(chǎn)聚酯產(chǎn)品約22t，每批耗時(shí)32h，按年操作8000h計(jì)，單條生產(chǎn)線年產(chǎn)能僅為5500t。正因?yàn)槿绱?，目前?guó)內(nèi)粉末涂料用聚酯樹脂的主要生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)能都十分有限，除安徽神劍擁有多處工廠、產(chǎn)能超過100000t/a外，其余前十大企業(yè)的產(chǎn)能都在15000～35000t/4之間，難以滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。項(xiàng)目業(yè)主擬擴(kuò)大產(chǎn)能，新建80000t/a生產(chǎn)裝置，若采用產(chǎn)能5500t/a的生產(chǎn)線，則需要安排生產(chǎn)線多達(dá)15條，這顯然是不經(jīng)濟(jì)的。因此，本項(xiàng)目流程優(yōu)化的主要任務(wù)就是擴(kuò)大項(xiàng)目的年產(chǎn)能。除設(shè)置多條生產(chǎn)線外，還需要從另外兩條路徑出發(fā)擴(kuò)大產(chǎn)能：一是縮短單批生產(chǎn)時(shí)間；二是增大反應(yīng)釜容積、增加單批產(chǎn)量。根據(jù)分析，單批耗時(shí)32h主要由以下步驟組成：初始投料1.5h，加熱及酯化反應(yīng)14h，二次投料0.5h，縮聚反應(yīng)12h，出料4h。其中酯化反應(yīng)、縮聚反應(yīng)兩個(gè)步驟占據(jù)了絕大多數(shù)時(shí)間，但這兩個(gè)反應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)由化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制，調(diào)整空間不大；初始投料需要投入13袋固體對(duì)苯二甲酸原料及10m390%新戊二醇液體，固體投料過程涉及運(yùn)料、起吊、就位、放料等一系列步驟，基本都由人工完成，耗時(shí)較長(zhǎng)；倘若采用投料斗投料，利用反應(yīng)釜反應(yīng)的時(shí)間將所有固體原料投至一投料斗中，則向反應(yīng)釜的投料過程則很快可以完成，預(yù)計(jì)可將初始投料時(shí)間縮短至0.5h。而出料時(shí)長(zhǎng)受下一環(huán)節(jié)雙鋼帶機(jī)產(chǎn)能控制，如果采用兩條雙鋼帶機(jī)生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)，則出料時(shí)間可以縮短至2h。
通過縮短投料及放料時(shí)間，僅可以提高產(chǎn)能不到10%，顯然難以滿足要求。針對(duì)酯化反應(yīng)和縮聚反應(yīng)所需時(shí)間比較接近的情況，若能將兩步反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，則能大大縮短批次時(shí)間。因此，增加一臺(tái)反應(yīng)釜、將間歇流程改為半連續(xù)流程就十分必要了。所謂半連續(xù)流程，就是將酯化反應(yīng)和縮聚反應(yīng)分別在兩個(gè)反應(yīng)釜中完成，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)反應(yīng)釜（預(yù)聚釜）進(jìn)行酯化反應(yīng)的同時(shí)，第二個(gè)反應(yīng)釜（終聚釜）在進(jìn)行前一批次的縮聚反應(yīng)，兩步反應(yīng)交替進(jìn)行。其中初始投料（0.5h）、酯化反應(yīng)（14h）、轉(zhuǎn)料（0.5h）合計(jì)占據(jù)預(yù)聚釜15h，而二次投料（0.5h）、縮聚反應(yīng)（12h）、放料（2h）合計(jì)占據(jù)終聚釜14.5h，二者時(shí)間相差無幾；最終整個(gè)生產(chǎn)流程的瓶頸在預(yù)聚釜，單批次耗時(shí)僅為15h。綜上，通過縮短單批生產(chǎn)時(shí)間，采用30m3反應(yīng)釜的生產(chǎn)線產(chǎn)能從5500t/a可提高至11700t/a，提高幅度達(dá)112%。反應(yīng)釜的放大是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，反應(yīng)釜的容積變化會(huì)從傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞（攪拌）等方面影響反應(yīng)的進(jìn)行。其中反應(yīng)釜的容積主要影響動(dòng)量傳遞，反應(yīng)釜的長(zhǎng)徑比、面積體積比則主要影響傳熱和傳質(zhì)。
放大的主要方法包括：（１）工程規(guī)模的直接試驗(yàn)；（２）已知放大關(guān)聯(lián)的放大；（３）根據(jù)放大原理的放大；（高放大比例）（４）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的放大（低放大比例）。本項(xiàng)目已有成功的反應(yīng)釜，但尚未掌握科學(xué)的放大原理或已知放大關(guān)聯(lián)，因此從穩(wěn)妥起見，選用了低的放大比例，將原有30m3的反應(yīng)釜放大到38m3。在放大過程中盡量保持相似的幾何形狀，即保證放大后的反應(yīng)釜以下參數(shù)與原反應(yīng)釜一致：反應(yīng)釜高度/容積、攪拌漿直徑/反應(yīng)釜直徑和攪拌漿離釜底距離/反應(yīng)釜高度。通過放大反應(yīng)釜的容積，單批產(chǎn)能可以提高23%，結(jié)合半連續(xù)工藝，單條生產(chǎn)線產(chǎn)能提高至14400t/a，建設(shè)６條生產(chǎn)線即可滿足80000t/a的產(chǎn)能要求。2.2 反應(yīng)釜密閉設(shè)計(jì)常規(guī)粉末涂料用聚酯樹脂生產(chǎn)裝置中，反應(yīng)釜多采用開放式投料，其原因是主要原料、助劑、催化劑大多為固體，通常都是使用投料孔或者人孔進(jìn)行投料。在投料過程中，粉塵逸散比較嚴(yán)重，同時(shí)散發(fā)高溫、有害有機(jī)蒸汽，危害操作人員的身體健康和人身安全。為解決開蓋投料問題，本項(xiàng)目對(duì)預(yù)聚釜和終聚釜均采用密閉設(shè)計(jì)，即在整個(gè)生產(chǎn)過程中，不需要打開投料孔或人孔。液體原料采用管道輸送，主要固體原料采用投料倉(cāng)和管道投料，少量固體助劑和催化劑采用真空上料機(jī)密閉投料；反應(yīng)釜通過放空管道集中至放空總管，并通過尾氣處理系統(tǒng)放空，做到全程無粉塵和高溫有害蒸汽逸散，提高了操作安全性，改善了工人的工作環(huán)境。本項(xiàng)目主要設(shè)備均采用業(yè)主現(xiàn)有的成熟設(shè)備類型，但在部分設(shè)備選型上有一定的創(chuàng)新，以滿足擴(kuò)大產(chǎn)能、日益嚴(yán)格的安全、環(huán)保和降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的要求。管鏈輸送機(jī)是一種輸送粉狀、小顆粒等散裝物料的連續(xù)輸送設(shè)備，在聚酯纖維行業(yè)應(yīng)用較為廣泛。管鏈輸送機(jī)由管道、管道內(nèi)部的鏈條和刮板、驅(qū)動(dòng)輪和被動(dòng)輪組成，通過鏈條和刮板的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)固體物料的水平和垂直移動(dòng)。本項(xiàng)目為對(duì)苯二甲酸和間苯二甲酸分別選用3條管鏈輸送機(jī)，實(shí)現(xiàn)兩種物料從倉(cāng)庫(kù)到聚酯車間的水平－垂直－水平的輸送，并最終放料至投料倉(cāng)中。同時(shí)，對(duì)苯二甲酸還設(shè)置了1000m3原料倉(cāng)一臺(tái)、配套投料用管鏈輸送機(jī)一套，對(duì)苯二甲酸通過槽車密閉投料至管鏈機(jī)并垂直輸送至原料倉(cāng)中。在此過程中，物料在密閉的設(shè)備中運(yùn)轉(zhuǎn)，最大限度的避免了粉塵逸散。真空上料機(jī)使用真空泵或壓縮空氣、氮?dú)庾鳛閯?dòng)力，由覆膜濾袋過濾器、壓縮空氣反吹裝置、氣動(dòng)放料門裝置、真空料斗和不銹鋼吸料槍、輸送軟管等部件組成。真空料斗采用法蘭與反應(yīng)釜相連，通過負(fù)壓將少量固體物料吸入真空料斗，并放料至反應(yīng)釜中。整個(gè)操作過程快速、可靠，杜絕粉塵污染，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜密閉操作。（1）通過將單釜間歇操作改為雙釜半連續(xù)操作、反應(yīng)釜低比例放大的工藝優(yōu)化措施，成功將粉末涂料用聚酯樹脂單條生產(chǎn)線產(chǎn)能從5500t/a提高至14400t/a。（2）選用管鏈輸送機(jī)和真空上料機(jī)設(shè)備，可以分別實(shí)現(xiàn)固體物料的大批量和小批量投料，使聚酯反應(yīng)釜在完全密閉狀態(tài)下操作，避免了粉塵逸散和高溫蒸汽揮發(fā)，改善了車間環(huán)境。
