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,近年來其市場規(guī)模快速增長,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《聚酯工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》對聚酯工廠設(shè)計(jì)的技術(shù)要求做出了規(guī)定,但該規(guī)范適用于采用對苯二甲酸和乙二醇為原料、生產(chǎn)對苯二甲酸乙二醇酯的工廠,對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等五個工序,其工藝流程簡圖如圖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。反應(yīng)釜的投料、酯化和縮聚反應(yīng)和放料所需時間決定了生產(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)槿绱耍壳皣鴥?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,難以滿足日益增長的市場需求。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)兩個步驟占據(jù)了絕大多數(shù)時間,但這兩個反應(yīng)的時長由化學(xué)反應(yīng)動力學(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,耗時較長;倘若采用投料斗投料,利用反應(yīng)釜反應(yīng)的時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)可將初始投料時間縮短至0.5h。而出料時長受下一環(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),則出料時間可以縮短至2h。
通過縮短投料及放料時間,僅可以提高產(chǎn)能不到10%,顯然難以滿足要求。針對酯化反應(yīng)和縮聚反應(yīng)所需時間比較接近的情況,若能將兩步反應(yīng)同時進(jìn)行,則能大大縮短批次時間。因此,增加一臺反應(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)分別在兩個反應(yīng)釜中完成,當(dāng)?shù)谝粋€反應(yīng)釜(預(yù)聚釜)進(jìn)行酯化反應(yīng)的同時,第二個反應(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,二者時間相差無幾;最終整個生產(chǎn)流程的瓶頸在預(yù)聚釜,單批次耗時僅為15h。綜上,通過縮短單批生產(chǎn)時間,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)釜的放大是一個非常復(fù)雜的問題,反應(yīng)釜的容積變化會從傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞(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量傳遞,反應(yīng)釜的長徑比、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)目對預(yù)聚釜和終聚釜均采用密閉設(shè)計(jì),即在整個生產(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)動輪和被動輪組成,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。本項(xiàng)目為對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)兩種物料從倉庫到聚酯車間的水平-垂直-水平的輸送,并最終放料至投料倉中。同時,對苯二甲酸還設(shè)置了1000m3原料倉一臺、配套投料用管鏈輸送機(jī)一套,對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)庾鳛閯恿Γ筛材V袋過濾器、壓縮空氣反吹裝置、氣動放料門裝置、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。