粉末涂料用聚酯樹脂生產(chǎn)裝置的工藝優(yōu)化和設(shè)備選型

李 恬，李俊宏

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230)

粉末涂料是一種100% 固體成分、以粉末形態(tài)進行涂裝的涂料，它最大的優(yōu)勢就在于不需要使用有機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，符合國際上通認的“4E”法則：經(jīng)濟(Economical)、環(huán)保(Environmental)、高效(Effectiveness)和性能卓越(Excellence)[1]，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)?？焖僭鲩L，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、擴大產(chǎn)能成為必然的選擇。

中國《聚酯工廠設(shè)計規(guī)范》[2]對聚酯工廠設(shè)計的技術(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)計僅有一定借鑒意義。曹銀波[3]針對聚酯樹脂出料的工藝和操作步驟進行了分析，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)計和設(shè)備選型進行介紹的論文。

本文從某聚酯生產(chǎn)裝置的實際設(shè)計經(jīng)驗出發(fā)，介紹工藝優(yōu)化經(jīng)驗和主要設(shè)備選型，供工程設(shè)計人員參考。

1 工藝流程介紹

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。

圖1 聚酯樹脂工藝流程簡圖

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，單條生產(chǎn)線年產(chǎn)能僅為5500t。正因為如此，目前國內(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100000 t/a外，其余前十大企業(yè)的產(chǎn)能都在15000～35000t/a之間[4]，難以滿足日益增長的市場需求。

2 工藝優(yōu)化

2.1 流程優(yōu)化

項目業(yè)主擬擴大產(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15條，這顯然是不經(jīng)濟的。因此，本項目流程優(yōu)化的主要任務(wù)就是擴大項目的年產(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10 m390%新戊二醇液體，固體投料過程涉及運料、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)雙鋼帶機產(chǎn)能控制，如果采用兩條雙鋼帶機生產(chǎn)線進行生產(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)進行酯化反應(yīng)的同時，第二個反應(yīng)釜(終聚釜)在進行前一批次的縮聚反應(yīng)，兩步反應(yīng)交替進行。其中初始投料(0.5h)、酯化反應(yīng)(14h)、轉(zhuǎn)料(0.5h)合計占據(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)[5]。放大的主要方法[6-7]包括：(1)工程規(guī)模的直接試驗；(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)驗的放大(低放大比例)。本項目已有成功的反應(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30 m3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14400 t/a，建設(shè)6條生產(chǎn)線即可滿足80000 t/a的產(chǎn)能要求。

2.2 反應(yīng)釜密閉設(shè)計

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行投料。在投料過程中，粉塵逸散比較嚴重，同時散發(fā)高溫、有害有機蒸汽，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，本項目對預(yù)聚釜和終聚釜均采用密閉設(shè)計，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。

2.3 設(shè)備選型

本項目主要設(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，以滿足擴大產(chǎn)能、日益嚴格的安全、環(huán)保和降低工人勞動強度的要求。

管鏈輸送機是一種輸送粉狀、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)實現(xiàn)固體物料的水平和垂直移動。本項目為對苯二甲酸和間苯二甲酸分別選用3條管鏈輸送機，實現(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一套，對苯二甲酸通過槽車密閉投料至管鏈機并垂直輸送至原料倉中。在此過程中，物料在密閉的設(shè)備中運轉(zhuǎn)，最大限度的避免了粉塵逸散。

真空上料機使用真空泵或壓縮空氣、氮氣作為動力，由覆膜濾袋過濾器、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，實現(xiàn)反應(yīng)釜密閉操作。

3 結(jié)語

(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5500 t/a提高至14400 t/a。

(2)選用管鏈輸送機和真空上料機設(shè)備，可以分別實現(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。