直接晶化瓶級PET生產工藝特點分析

劉 伯 韜

（中國昆侖工程有限公司，北京100037）

直接晶化瓶級PET生產工藝特點分析

劉 伯 韜

（中國昆侖工程有限公司，北京100037）

中國昆侖工程有限公司在原有瓶級 PET生產工藝的基礎上，開發(fā)出一種新型直接晶化瓶級 PET生產工藝。介紹了工藝和某實際工程案例進行分析，與傳統(tǒng)工藝從固定投資、運行成本等工程角度對比。

瓶級PET；直接晶化；固相縮聚；工藝對比

聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）自1953年實現(xiàn)工業(yè)化生產以來，經過幾十年的發(fā)展已經成為用途最為廣泛的聚合材料，目前全球PET的消費量已經接近9 000萬t，且仍在以每年5%～8%的速度增加。PET由于其優(yōu)異的機械性能、耐熱性、耐腐蝕性和透光性，廣泛用于纖維、包裝用瓶、薄膜和工業(yè)絲等領域。特別是近年來PET在飲料瓶，飲用水瓶和油瓶的應用，已經幾乎完全取代玻璃瓶，成為僅次于纖維領域的第二大消費市場。 2010年至2014年，國內瓶級PET的產能和產量年均增長率達到驚人的22%和28.6%，預計2017年底國內瓶級PET產能將達到1 100 t[1]。

長期以來，瓶級PET生產工藝一直存在流程較長，能耗較高的問題。瓶級PET的消費量不斷攀升促進了業(yè)內對其生產工藝優(yōu)化的研究，美國杜邦公司、瑞士UIF公司、德國吉瑪公司等都在加大研發(fā)力度，各家的研究各有特點[2]。中國昆侖工程有限公司，作為國內領先的 PET專利商，一直致力于PET生產工藝的不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，在原有的酯化-縮聚-固相縮聚工藝的基礎上，開發(fā)出直接晶化瓶級PET生產工藝。

1 兩種瓶級PET生產工藝介紹

1.1 傳統(tǒng)工藝路線

傳統(tǒng)瓶級PET生產工藝分兩步進行：

（1）精對苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）經過兩段酯化（酯化率約為 97%）[3]、兩段預縮聚和終縮聚最終生成特性粘度為0.59～0.64 dl/g的熔體[4]，經水下拉條切粒冷卻干燥至40 ℃以下，成為長度約為 2.5 mm的圓柱形切片，送至固相縮聚裝置（簡稱“SSP”）。

（2）PET切片在SSP裝置中經過預結晶、結晶、固相縮聚、冷卻除塵等工段，分子鏈進一步增長，最終成為特性粘度0.7～0.85 dl/g的瓶級PET切片。

整個工藝流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)瓶級PET生產工藝流程示意圖Fig.1 Traditional bottle grade PET production process flow diagram

1.2 直接晶化瓶級PET生產工藝路線

直接晶化瓶級PET工藝與傳統(tǒng)PET生產工藝的前半部分相似，均是采用酯化+預縮聚+終縮聚的工藝生產聚酯熔體，不同的地方在后半部分，主要有以下兩點:

（1）造粒采用新型高溫水下切粒機，熔體經旋轉刀片在切割室內 90 ℃左右水相環(huán)境中切粒，同時熔體固化，生產出球形顆粒（顆粒直徑 3 mm左右），隨后切片干燥后送至后續(xù)工段。這具有兩個優(yōu)點：首先，PET切片在80～90 ℃的水相環(huán)境中結晶度可以達到30%左右，沈希軍等人的實驗已經證實了這一點[5]；另外，提高基礎切片的結晶度可以有效防止切粒團聚粘連，有利于后續(xù)的固相縮聚反應的發(fā)生；再次，切片粒徑越小，固相縮聚反應常數(shù)越大[6]。

因此認為該設備從工藝的角度有利于固相縮聚反應。此外，從工程的角度上說，該設備具有占地小，易操作，刀具磨損小，運維成本低等特點，與傳統(tǒng)拉條式切粒機相比優(yōu)勢明顯，在PET生產行業(yè)具有廣闊的前景[7]。

另外進切粒機前的熔體過濾器采用碟片過濾器，取代傳統(tǒng)雙聯(lián)式過濾器，減小占地面積，節(jié)省過濾器清洗系統(tǒng)，維護成本大幅降低。

（2）因為在高溫水下造粒的基礎切片已經具備一定的結晶度，所以SSP裝置不必設置預結晶器。

基礎切片經高溫水下切粒機后被快速送到結晶器，在空氣環(huán)境下進一步結晶，結晶度達到42%左右。

隨后切片在氮氣環(huán)境中被送到預熱器（因為溫度超過 180 ℃切片會發(fā)生氧化，故預熱工段直至SSP反應工段都在氮氣環(huán)境下進行），在預熱器中加熱至210 ℃左右，結晶度達到52%，同時會發(fā)生初步的固相縮聚反應，在預熱器中聚酯分子量會增長20%左右。

由于經高溫水下造粒的基礎切片溫度高于傳統(tǒng)切粒機生產出的切片溫度，預熱器的負荷較傳統(tǒng)工藝也顯著降低。

預熱后的切片被送到固相縮聚反應器上方入口，靠重力下落，在210 ℃左右的環(huán)境中與下方通入的氮氣逆向接觸，進一步發(fā)生縮聚反應，同時上升的氮氣帶走副產乙醛、乙二醇和水等揮發(fā)物，后經冷卻至60 ℃生產出瓶級PET切片，此時結晶度在53%左右，粘度達到0.8～0.85 dl/g，乙醛含量在1 ppm以下。

圖2為直接晶化瓶級PET生產工藝示意圖。

圖2 直接晶化瓶級PET生產工藝流程示意圖Fig.2 Direct-crystallization bottle grade PET production process flow diagram

通過以上工藝優(yōu)化，實現(xiàn)縮短流程，降低運行成本的目的。下面以一個實際案例從工程角度將兩種工藝路線進行對比。

2 案例分析

該項目為某擬建日產1 200 t瓶級PET切片裝置，基礎切片生產采用一頭兩尾五釜流程，即兩段酯化反應器、兩段預縮聚反應器為1 200 t反應器，預聚物產物分兩路，后接兩臺600 t終縮聚臥式反應器。該PET裝置生產能力僅次于國內單線最大生產能力（日產1 500 t），為中國昆侖工程有限公司自主開發(fā)的成熟的五釜PET成產工藝。后續(xù)造粒工段配置六臺新型高溫水下切粒機（四用兩備），造粒后不再設置切片料倉，基礎切片直接被送到兩條獨立的日產600 t瓶級PET切片的固相縮聚生產線。以下從產品質量、固定投資、運行成本三個角度進行分析比較。

2.1 產品質量

兩種工藝路線均能生產出優(yōu)等瓶級 PET聚酯產品，特性粘度在(0.85±0.02)dl/g，b值小于 2.5，乙醛含量在1 ppm以下。

2.2 固定投資

直接晶化工藝可省略切片中間料倉兩個和成品料倉三個、切粒除鹽水系統(tǒng)一套、過濾器清洗系統(tǒng)一套，預結晶器兩臺，終聚物熔體雙聯(lián)過濾器八臺改為六臺碟片過濾器，共計各類設備13臺/套，大幅度降低了設備材料采購成本。兩種工藝路線的設備對比見表1。

表1 設備對比表Table 1 Equipment comparison

由于設備配置不同，因此相應的管道、儀表、電氣、土建方案均發(fā)生變化，例如取消三臺公稱容積約1 000 m3的成品料倉，采用碟片過濾器取代雙聯(lián)過濾器，取消預結晶器等大型設備，因此節(jié)省土建投資約人民幣200萬元。經過核算，采用新型直接晶化工藝，固定投資（包括設備、電氣、儀表、管道材料、土建費用等）可節(jié)省人民幣近1 100萬元。另外需要特別說明的是，目前國內仍不能加工制造用于PET行業(yè)的高溫水下球切機，該設備需從國外進口，價格昂貴，如若能將該設備國產化，裝置投資可進一步大幅度降低。

2.3 運行成本

運行成本的變化應考慮節(jié)省的公用工程費用，以及易損易耗件維護的費用，具體從以下幾個角度考慮：

（1）采用高溫水下球切機，是熔體狀態(tài)下直接切粒，比傳統(tǒng)切粒機凝固后切粒大幅節(jié)省了電能和刀具的損耗。

（2）采用碟片過濾器取代雙聯(lián)過濾器，節(jié)省占地，大幅降低了濾芯維護更換費用。另外由于取消了切粒除鹽水系統(tǒng)和過濾器清洗系統(tǒng)，用水和蒸汽顯著節(jié)省，。

（3）避免了基礎切片溫度過低，到SSP裝置再升溫的換熱浪費，降低了SSP裝置預熱器的熱負荷。

可見新型直接晶化工藝，能夠大幅節(jié)省運行成本，兩種工藝公用工程消耗分析見表2。

綜合以上公用工程消耗節(jié)省情況，年產40萬t瓶級PET裝置采用直接晶化工藝比傳統(tǒng)工藝每年可節(jié)約公用工程成本人民幣420余萬元，經濟效益明顯。若再考慮節(jié)省的切粒機刀具損耗以及過濾器濾芯的維護更換費用，運行成本會進一步下降。

表2 公用工程消耗對比表Table 2 Utility consumption comparison

3 結 論

通過以上案例分析可以看出，新型直接晶化工藝采用新型高溫水下切粒技術，在較高的溫度下使聚酯熔體在造粒及輸送的過程中發(fā)生預結晶，從而使PET-SSP生產工藝流程及能量利用大幅優(yōu)化，節(jié)省設備一次性投資及操作運行成本。該種工藝與傳統(tǒng)工藝相比，具有先進性，代表了瓶級PET固相縮聚生產工藝的發(fā)展方向。

［1］ 龍燕，謝俊彪.國內外瓶級聚酯的市場及應用[J].合成樹脂及塑料，2015，32(5)：82-83.

［2］ 王偉. 瓶級PET生產技術進展[J].合成樹脂與塑料， 2016, 33(1)：79-81.

［3］ 周華堂，許賢文，張慧書,等.預縮聚反應器：中國，102775584[P].2012-11-14.

［4］ 周華堂，羅文德，顧愛軍,等.高效多段式終縮聚反應器：中國，101612546[P].2009-12-30.

［5］ 沈希軍,等，聚醋切片結晶行為與固相縮聚過程新流程方案[J]. 高分子材料科學與工程，2008, 24(8)：156-157.

［6］ 張健，謝文健. PET固相縮聚的主要影響因素[J]. 聚酯工業(yè)，2009，22(6)：18-19.

［7］ 李彩虹，徐年富，屠嶺,等. 直切式水下切粒機的技術特點與應用前景分析[J]. 輕工機械，2005(3)：115-116.

環(huán)氧樹脂：環(huán)保影響需求 市場延續(xù)弱勢

據(jù)悉，在兩會期間，環(huán)境保護部部長陳吉寧透露，2017年環(huán)保部將完成環(huán)保督查各省份全覆蓋，4月起將對湖南、安徽、新疆、西藏、貴州、四川、山西、山東、天津、海南、遼寧、吉林、浙江、上海、福建等15個省進行督察。去年我國高達3 000多家小微型涂料企業(yè)，因違反了國家相關政策法規(guī)，而被淘汰關閉。在環(huán)保監(jiān)管越來越嚴的今天，江蘇、山東、湖南、四川等省相繼出臺了一些政策，這些政策都會對涂料等相關行業(yè)造成一定的影響。

由上圖可知，我國環(huán)氧樹脂最大的消費群體以涂料為主，占需求總量的 39%左右。而其他下游終端如電子電器、膠黏劑行業(yè)等需求低迷，進而導致環(huán)氧樹脂市場供應方向調整及需求量削減。復合材料行業(yè)屬于新興產業(yè)，但受技術工藝制約以及國內“棄風限電”等制約，經過了2015年的突飛猛進的發(fā)展后進入了為期3-5年的平緩過度期，國內環(huán)保壓力的增加也對膠黏劑等行業(yè)帶來了沖擊，而其他較為環(huán)保的新興產品如水性涂料受到技術制約發(fā)展仍處于起步階段，對環(huán)氧樹脂的需求預期相對平穩(wěn)。 我國固體環(huán)氧樹脂是粉末涂料的主要原料，主要應用在防腐管道、家電表面噴涂等，液體環(huán)氧樹脂主要應用于汽車底漆、集裝箱及船舶噴涂。隨著國家環(huán)保檢查力度的不斷施壓，部分小型粉涂工廠因排污設施不完善被勒令停產整改，更有部分面臨淘汰風險，開工負荷的降低，也就意味著整體需求的收縮，且環(huán)保檢查并不是一時三刻就能結束的，所以對環(huán)氧樹脂的需求也將保持淡弱格局。

Analysis on Process Characteristics of Bottle Grade PET Production by Direct-crystallization Method

LIU Bo-tao

（China Kunlun Contracting & Engineering Co., Ltd., Beijing 100037, China）

China Kunlun Contracting & Engineering Co., Ltd (CKCEC) has developed a direct-crystallization bottle grade PET production process based on the traditional process. In this paper, the newly developed process was introduced. Afterwards, a real case was studied, the process was compared with traditional process from the perspective of investment and operating cost.

Bottle grade PET; Direct-crystallization; SSP; Process comparison

TQ 325

A

1671-0460（2017）04-0715-03

2017-03-10

劉伯韜（1984-），男，山東省東營市人，工程師，碩士研究生，畢業(yè)于大連理工大學化學工程專業(yè)。目前任職于中國昆侖工程有限公司，從事聚酯裝置工程設計和項目管理等工作。E-mail：liu_botao@cnpc.com.cn。