摘要：中国昆仑工程有限公司在原有瓶级PET生产工艺的基础上，开发出一种新型直接晶化瓶级PET生产工艺。介绍了工艺和某实际工程案例进行分析，与传统工艺从固定投资、运行成本等工程角度对比。
关键词：瓶级PET；直接晶化；固相缩聚；工艺对比
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）自1953年实现工业化生产以来，经过几十年的发展已经成为用途最为广泛的聚合材料，目前全球PET的消费量已经接近9000万t，且仍在以每年5%~8%的速度增加。PET由于其优异的机械性能、耐热性、耐腐蚀性和透光性，广泛用于纤维、包装用瓶、薄膜和工业丝等领域。特别是近年来PET在饮料瓶，饮用水瓶和油瓶的应用，已经几乎完全取代玻璃瓶，成为仅次于纤维领域的第二大消费市场。2010年至2014年，国内瓶级PET的产能和产量年均增长率达到惊人的22%和28.6%，预计2017年底国内瓶级PET产能将达到1100t[1]。长期以来，瓶级PET生产工艺一直存在流程较长，能耗较高的问题。瓶级PET的消费量不断攀升促进了业内对其生产工艺优化的研究，美国杜邦公司、瑞士UIF公司、德国吉玛公司等都在加大研发力度，各家的研究各有特点[2]。中国昆仑工程有限公司，作为国内领先的PET专利商，一直致力于PET生产工艺的不断优化和创新，在原有的酯化-缩聚-固相缩聚工艺的基础上，开发出直接晶化瓶级PET生产工艺。
1两种瓶级PET生产工艺介绍
1.1传统工艺路线传统瓶级PET生产工艺分两步进行：（1）精对苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）经过两段酯化（酯化率约为97%）[3]、两段预缩聚和终缩聚最终生成特性粘度为0.59~0.64dl/g的熔体[4]，经水下拉条切粒冷却干燥至40℃以下，成为长度约为2.5mm的圆柱形切片，送至固相缩聚装置（简称“SSP”）。（2）PET切片在SSP装置中经过预结晶、结晶、固相缩聚、冷却除尘等工段，分子链进一步增长，最终成为特性粘度0.7~0.85dl/g的瓶级PET切片。整个工艺流程如图1所示。1.2直接晶化瓶级PET生产工艺路线直接晶化瓶级PET工艺与传统PET生产工艺的前半部分相似，均是采用酯化+预缩聚+终缩聚的工艺生产聚酯熔体，不同的地方在后半部分，主要有以下两点:（1）造粒采用新型高温水下切粒机，熔体经旋转刀片在切割室内90℃左右水相环境中切粒，同时熔体固化，生产出球形颗粒（颗粒直径3mm左右），随后切片干燥后送至后续工段。这具有两个优点：首先，PET切片在80~90℃的水相环境中结晶度可以达到30%左右，沈希军等人的实验已经证实了这一点[5]；另外，提高基础切片的结晶度可以有效防止切粒团聚粘连，有利于后续的固相缩聚反应的发生；再次，切片粒径越小，固相缩聚反应常数越大[6]。因此认为该设备从工艺的角度有利于固相缩聚反应。此外，从工程的角度上说，该设备具有占地小，易操作，刀具磨损小，运维成本低等特点，与传统拉条式切粒机相比优势明显，在PET生产行业具有广阔的前景[7]。另外进切粒机前的熔体过滤器采用碟片过滤器，取代传统双联式过滤器，减小占地面积，节省过滤器清洗系统，维护成本大幅降低。（2）因为在高温水下造粒的基础切片已经具备一定的结晶度，所以SSP装置不必设置预结晶器。基础切片经高温水下切粒机后被快速送到结晶器，在空气环境下进一步结晶，结晶度达到42%左右。随后切片在氮气环境中被送到预热器（因为温度超过180℃切片会发生氧化，故预热工段直至SSP反应工段都在氮气环境下进行），在预热器中加热至210℃左右，结晶度达到52%，同时会发生初步的固相缩聚反应，在预热器中聚酯分子量会增长20%左右。由于经高温水下造粒的基础切片温度高于传统切粒机生产出的切片温度，预热器的负荷较传统工艺也显著降低。预热后的切片被送到固相缩聚反应器上方入口，靠重力下落，在210℃左右的环境中与下方通入的氮气逆向接触，进一步发生缩聚反应，同时上升的氮气带走副产乙醛、乙二醇和水等挥发物，后经冷却至60℃生产出瓶级PET切片，此时结晶度在53%左右，粘度达到0.8~0.85dl/g，乙醛含量在1ppm以下。图2为直接晶化瓶级PET生产工艺示意图。通过以上工艺优化，实现缩短流程，降低运行成本的目的。下面以一个实际案例从工程角度将两种工艺路线进行对比。
2案例分析
该项目为某拟建日产1200t瓶级PET切片装置，基础切片生产采用一头两尾五釜流程，即两段酯化反应器、两段预缩聚反应器为1200t反应器，预聚物产物分两路，后接两台600t终缩聚卧式反应器。该PET装置生产能力仅次于国内单线最大生产能力（日产1500t），为中国昆仑工程有限公司自主开发的成熟的五釜PET成产工艺。后续造粒工段配置六台新型高温水下切粒机（四用两备），造粒后不再设置切片料仓，基础切片直接被送到两条独立的日产600t瓶级PET切片的固相缩聚生产线。以下从产品质量、固定投资、运行成本三个角度进行分析比较。2.1产品质量两种工艺路线均能生产出优等瓶级PET聚酯产品，特性粘度在(0.85±0.02)dl/g，b值小于2.5，乙醛含量在1ppm以下。2.2固定投资直接晶化工艺可省略切片中间料仓两个和成品料仓三个、切粒除盐水系统一套、过滤器清洗系统一套，预结晶器两台，终聚物熔体双联过滤器八台改为六台碟片过滤器，共计各类设备13台/套，大幅度降低了设备材料采购成本。两种工艺路线的设备对比见表1。由于设备配置不同，因此相应的管道、仪表、电气、土建方案均发生变化，例如取消三台公称容积约1000m3的成品料仓，采用碟片过滤器取代双联过滤器，取消预结晶器等大型设备，因此节省土建投资约人民币200万元。经过核算，采用新型直接晶化工艺，固定投资（包括设备、电气、仪表、管道材料、土建费用等）可节省人民币近1100万元。另外需要特别说明的是，目前国内仍不能加工制造用于PET行业的高温水下球切机，该设备需从国外进口，价格昂贵，如若能将该设备国产化，装置投资可进一步大幅度降低。2.3运行成本运行成本的变化应考虑节省的公用工程费用，以及易损易耗件维护的费用，具体从以下几个角度考虑：（1）采用高温水下球切机，是熔体状态下直接切粒，比传统切粒机凝固后切粒大幅节省了电能和刀具的损耗。（2）采用碟片过滤器取代双联过滤器，节省占地，大幅降低了滤芯维护更换费用。另外由于取消了切粒除盐水系统和过滤器清洗系统，用水和蒸汽显著节省，。（3）避免了基础切片温度过低，到SSP装置再升温的换热浪费，降低了SSP装置预热器的热负荷。可见新型直接晶化工艺，能够大幅节省运行成本，两种工艺公用工程消耗分析见表2。综合以上公用工程消耗节省情况，年产40万t瓶级PET装置采用直接晶化工艺比传统工艺每年可节约公用工程成本人民币420余万元，经济效益明显。若再考虑节省的切粒机刀具损耗以及过滤器滤芯的维护更换费用，运行成本会进一步下降。
3结论
通过以上案例分析可以看出，新型直接晶化工艺采用新型高温水下切粒技术，在较高的温度下使聚酯熔体在造粒及输送的过程中发生预结晶，从而使PET-SSP生产工艺流程及能量利用大幅优化，节省设备一次性投资及操作运行成本。该种工艺与传统工艺相比，具有先进性，代表了瓶级PET固相缩聚生产工艺的发展方向。
参考文献：
［1］龙燕，谢俊彪.国内外瓶级聚酯的市场及应用[J].合成树脂及塑料，2015，32(5)：82-83.
［2］王伟.瓶级PET生产技术进展[J].合成树脂与塑料，2016,33(1)：79-81.
［3］周华堂，许贤文，张慧书,等.预缩聚反应器：中国，102775584[P].2012-11-14.
［4］周华堂，罗文德，顾爱军,等.高效多段式终缩聚反应器：中国，101612546[P].2009-12-30.
［5］沈希军,等，聚醋切片结晶行为与固相缩聚过程新流程方案[J].高分子材料科学与工程，2008,24(8)：156-157.
［6］张健，谢文健.PET固相缩聚的主要影响因素[J].聚酯工业，2009，22(6)：18-19.
预防医学论文［7］李彩虹，徐年富，屠岭,等.直切式水下切粒机的技术特点与应用前景分析[J].轻工机械，2005(3)：115-116.
作者：刘伯韬 单位：中国昆仑工程有限公司
