聚酯装置酯化反应器的结构和国产化之路
本文详细介绍了聚酯装置的主反应釜--酯化反应器的常见结构型式，加热方式，工艺要求等。
1 酯化工艺对反应器的要求
酯化过程主要目标是达到缩聚工艺要求的酯化率, 不同的缩聚工艺对酯化率要求稍有差异(96 %～98 %) 。酯化反应是一个可逆平衡反应, 在一定工况条件下存在一个反应所能达到的最高酯化率, 即它的平衡酯化率。降低反应压力、增大原料量比, 可以提高平衡酯化率, 而温度变化对平衡酯化率影响很小。在压力高于常压条件下, 平衡酯化率只能达到95 %～96 % , 在反应压力降低到接近常压, 平衡酯化率可以提高到97 %以上。酯化过程需要从外界吸收大量热, 包括物料的升温, 水和乙二醇的蒸发以及酯化反应本身的吸热等。为此要求反应器提供相应热负荷。在酯化过程, 有大量的水和乙二醇从物系中脱除。不同酯化工艺下的蒸发强度不同, 对反应器中蒸发空间大小的要求也不同。高的原料量比、较低反应压力都会使反应器中蒸发强度大大增加。
2 反应器的个数
多为配置2个酯化反应器, 通过分段酯化(逐步降低反应压力) 达到工艺要求的酯化率。生产装置中有配置1 个酯化反应器的, 但它的酯化率只达到92 %～94 %。在它的下一个反应器下部(该反应器是塔式) , 主要进行的仍是酯化反应。为此需要向酯化物再加入乙二醇, 使酯化反应能继续进行。为在单个反应器中达到92 %～94 %酯化率, 采用了高温(285 ℃以上) 、高原料量比(～2. 0) 的酯化工艺, 为此付出的代价是增大副产物二甘醇和乙醛的生成, 并增大乙二醇循环量而使反应器热负荷增加。
3 反应器结构型式
3..1 搅拌槽反应器
酯化过程要脱除大量水和乙二醇, 搅拌槽反应器的结构型式是适合工艺要求的。搅拌槽中设盘管加热器, 管内侧热媒对流给热系数和管外侧搅拌给热系数在同一个数量级, 且管内侧给热系数的数值较小。第一酯化反应器的热负荷大, 在需要的热媒流量下, 盘管中热媒流速～3 m/s ,这一流速下盘管的阻力已达～300 kPa 。因为管道阻力是与流速的平方成正比, 所以不宜再通过增加管内流速提高总传热系数。另外, 不能忽视管外侧液体沸腾蒸发对传热的贡献. 酯化反应器搅拌桨首要功能是传热, 在满足传热要求下, 即可满足对搅拌的混合、悬浮功能的要求。鉴于传热阻力主要并不在盘管外侧, 所以搅拌装置更现实的要求是它的高效, 即用较低功率消耗满足工艺要求。
搅拌槽反应器作为第一酯化反应器有一定局限性。其一表现在它要求较长的反应时间。第一酯化反应器的热负荷很大, 需要相应的传热面积, 反应器中盘管本身就占据了相当大的空间, 物料覆盖盘管相应4 h 以上的停留时间。反应时间的延长将增加副产物生成量, 而由于上述对反应时间的限定, 给酯化工艺的优化带来局限。其二表现在设备体积大而给运输带来困难。以400 t/ d 搅拌槽反应器为例, 其筒体内径已达4. 6 m。而公路运输对超大设备是有 限制的。其三表现在它的功率消耗大, 指反应器的搅拌功率和盘管热媒输送泵的功率消耗。反应器的能力越大, 上述问题越突出。
3. 2 外热式反应器
这里称之为”外热式”的反应器是把加热器放在反应器之外, 它在结构上是一个加热器和一个反应器的串联, 物料在加热器和反应器之间作循环, 反应生成的水连同乙二醇进入到反应器脱除。与搅拌槽相比, 两个设备的单个体积小得多, 因此它的设备运输不存在上述问题。
加热器采用列管式, 物料走管程, 气相热媒在壳程。传热系数主要决定于管程中物料对流给热系数大小, 所以管程物料的流速对传热起关键作用。
这种”外热式”反应器, 根据物料流动动力区别, 又分为自循环和强制循环两种型式。自循环是依靠进入加热器前后物料的密度差而形成循环, 强制循环是通过设置循环泵使物料循环。显然, 强制循环可以使物料在管程获得高得多的流速, 因此它的传热系数要较自循环大得多。
自循环的动力是物料在加热器前后的密度差, 只有增大物料在加热器前后的温度差, 才能提高循环的流速。自循环式反应器酯化温度～285℃, 在这样高温度下, 酯化过程中副产物的生成量增加。比较计算生产装置中搅拌槽反应器和自循环外热式反应器工况数据和它们的加热面积, 可知后者的传热系数要较前者的小得多。
对于反应器内设的列管式加热器, 在酯化物在管内流速0. 6 m/ s (搅拌循环量) 、壳程为液相热媒条件下, 传热阻力主要来自管内, 而它的总传热系数与上述盘管的基本相同 。设置循环泵的强制循环”外热式”加热器, 可以使管内流速超过1 m/ s ,壳程采用气相热媒, 所以它的总传热系数会高于盘管加热器。
”外热式”反应器的功率消耗很小, 因为它无需设置搅拌装置和盘管热媒输送泵。而一个400 t/ d设内盘管的搅拌槽反应器, 上述两项的电机功率超过150 kW。
4 第二酯化反应器
槽式反应器和”外热式”反应器的物料流型都属于”全混釜”, 其特点是物料间停留时间的差异大, 且反应速率较低。采取串联全混釜方式可以克服上述弊端。多在第二酯化反应器结构上作文章, 使得一个反应器在流型上成为若干全混釜的串联。
其中一种型式是在搅拌槽中设置套筒, 物料流经套筒上的缝隙, 依次通过外室、内室。物料进入外室, 反应压力降低, 平衡酯化率提高, 反应推动力增大。进入内室, 受盘管加热使物料温度提高, 且消光剂加入内室增大物质的量的比, 反应速率增加。它的酯化段, 包括第一酯化反应器, 在流型上成为3个全混釜的串联。
另外一种型式是卧式搅拌槽, 用隔板分成若干个室, 物料自隔板溢流, 依次通过各室, 并在每个隔室设置搅拌装置。反应器中各个室的压力、温度相同, 分离塔回流的乙二醇和催化剂(消光剂) 加入后, 各室物料的量比仅稍有差异, 各室的平衡酯化率区别不大, 所以反应的推动力并没有相应增加。卧式反应器的料位是无法调节的, 它在结构上比立式槽复杂得多。
5 反应器的加热方式
反应器的加热可以采用气相热媒或液相热媒。
采用液相热媒, 可以通过调节热媒温度准确地控制物料温度。另外, 在生产负荷变化时, 可以通过改变热媒温度满足生产要求。这是液相热媒的优势。但使用液相热媒需设置输送泵。 搅拌槽反应器的加热盘管只能使用液相热媒。
气相热媒较液相热媒的优势, 一表现在它的传热效果好得多, 以反应器夹套的加热为例做比较, 夹套中气相热媒冷凝给热系数是液相热媒对流给热系数的约6倍, 对于一个400 t/ d 酯化反应器, 采用气相热媒的夹套可以承担反应器热负荷的～20 %. 二表现在可以降低反应器的设备造价, 包括以下几部分:盘管加热面积减少; 夹套的造价降低, 液相热媒夹套需要采用螺旋盘绕的”L ”形结构以提高它的传热效果, 这种结构加工复杂, 而气相热媒夹套的结构要简单得多; 反应器筒体壁厚可以减小, 特别是对于真空下操作的缩聚反应器, 筒体厚度决定于承受的外压大小, 而气相热媒的操作压力较液相热媒低得多。三表现在气相热媒无需输送设备, 它在系统内自身循环。
6 国内的设计和制造加工能力
国产化聚酯装置目前采用的是搅拌槽反应器(夹套采用液相热媒) , 已有设计和制造加工经验。据悉, 目前国内的科研与生产单位正在合作开展高效搅拌桨的研制。
国内生产装置使用的”外热式”反应器是自循环式, 它的列管换热器有上千根管子, 其制造加工质量的关键在于管板上管口的焊缝质量(有上千个接口) , 要保证在～300℃工作状态下不出现热载体的渗漏。
虽然在国内生产装置中还没有使用强制循环”外热式”反应器的, 但是在自循环反应器流程的基础上, 采用这种型式的反应器作第一酯化反应器, 基本不存在风险。
7 结论
推荐配置2台酯化反应器, 第一酯化反应器采用强制循环”外热式”, 第二酯化反应器采用带套筒的立式搅拌槽。
如若第一酯化反应器仍采用立式搅拌槽, 夹套加热应采用气相热媒, 并适当提高盘管的热媒温度, 这样可以减少盘管面积而缩短反应时间, 使反应器体积减小
本文来自：中国聚酯工业网 http://www.chinajuzhi.com/a/juhegongyi/2010/0428/43.html
聚酯装置酯化反应器的结构和国产化之路
本文详细介绍了聚酯装置的主反应釜--酯化反应器的常见结构型式，加热方式，工艺要求等。
1 酯化工艺对反应器的要求
酯化过程主要目标是达到缩聚工艺要求的酯化率, 不同的缩聚工艺对酯化率要求稍有差异(96 %～98 %) 。酯化反应是一个可逆平衡反应, 在一定工况条件下存在一个反应所能达到的最高酯化率, 即它的平衡酯化率。降低反应压力、增大原料量比, 可以提高平衡酯化率, 而温度变化对平衡酯化率影响很小。在压力高于常压条件下, 平衡酯化率只能达到95 %～96 % , 在反应压力降低到接近常压, 平衡酯化率可以提高到97 %以上。酯化过程需要从外界吸收大量热, 包括物料的升温, 水和乙二醇的蒸发以及酯化反应本身的吸热等。为此要求反应器提供相应热负荷。在酯化过程, 有大量的水和乙二醇从物系中脱除。不同酯化工艺下的蒸发强度不同, 对反应器中蒸发空间大小的要求也不同。高的原料量比、较低反应压力都会使反应器中蒸发强度大大增加。
2 反应器的个数
多为配置2个酯化反应器, 通过分段酯化(逐步降低反应压力) 达到工艺要求的酯化率。生产装置中有配置1 个酯化反应器的, 但它的酯化率只达到92 %～94 %。在它的下一个反应器下部(该反应器是塔式) , 主要进行的仍是酯化反应。为此需要向酯化物再加入乙二醇, 使酯化反应能继续进行。为在单个反应器中达到92 %～94 %酯化率, 采用了高温(285 ℃以上) 、高原料量比(～2. 0) 的酯化工艺, 为此付出的代价是增大副产物二甘醇和乙醛的生成, 并增大乙二醇循环量而使反应器热负荷增加。
3 反应器结构型式
3..1 搅拌槽反应器
酯化过程要脱除大量水和乙二醇, 搅拌槽反应器的结构型式是适合工艺要求的。搅拌槽中设盘管加热器, 管内侧热媒对流给热系数和管外侧搅拌给热系数在同一个数量级, 且管内侧给热系数的数值较小。第一酯化反应器的热负荷大, 在需要的热媒流量下, 盘管中热媒流速～3 m/s ,这一流速下盘管的阻力已达～300 kPa 。因为管道阻力是与流速的平方成正比, 所以不宜再通过增加管内流速提高总传热系数。另外, 不能忽视管外侧液体沸腾蒸发对传热的贡献. 酯化反应器搅拌桨首要功能是传热, 在满足传热要求下, 即可满足对搅拌的混合、悬浮功能的要求。鉴于传热阻力主要并不在盘管外侧, 所以搅拌装置更现实的要求是它的高效, 即用较低功率消耗满足工艺要求。
搅拌槽反应器作为第一酯化反应器有一定局限性。其一表现在它要求较长的反应时间。第一酯化反应器的热负荷很大, 需要相应的传热面积, 反应器中盘管本身就占据了相当大的空间, 物料覆盖盘管相应4 h 以上的停留时间。反应时间的延长将增加副产物生成量, 而由于上述对反应时间的限定, 给酯化工艺的优化带来局限。其二表现在设备体积大而给运输带来困难。以400 t/ d 搅拌槽反应器为例, 其筒体内径已达4. 6 m。而公路运输对超大设备是有 限制的。其三表现在它的功率消耗大, 指反应器的搅拌功率和盘管热媒输送泵的功率消耗。反应器的能力越大, 上述问题越突出。
3. 2 外热式反应器
这里称之为”外热式”的反应器是把加热器放在反应器之外, 它在结构上是一个加热器和一个反应器的串联, 物料在加热器和反应器之间作循环, 反应生成的水连同乙二醇进入到反应器脱除。与搅拌槽相比, 两个设备的单个体积小得多, 因此它的设备运输不存在上述问题。
加热器采用列管式, 物料走管程, 气相热媒在壳程。传热系数主要决定于管程中物料对流给热系数大小, 所以管程物料的流速对传热起关键作用。
这种”外热式”反应器, 根据物料流动动力区别, 又分为自循环和强制循环两种型式。自循环是依靠进入加热器前后物料的密度差而形成循环, 强制循环是通过设置循环泵使物料循环。显然, 强制循环可以使物料在管程获得高得多的流速, 因此它的传热系数要较自循环大得多。
自循环的动力是物料在加热器前后的密度差, 只有增大物料在加热器前后的温度差, 才能提高循环的流速。自循环式反应器酯化温度～285℃, 在这样高温度下, 酯化过程中副产物的生成量增加。比较计算生产装置中搅拌槽反应器和自循环外热式反应器工况数据和它们的加热面积, 可知后者的传热系数要较前者的小得多。
对于反应器内设的列管式加热器, 在酯化物在管内流速0. 6 m/ s (搅拌循环量) 、壳程为液相热媒条件下, 传热阻力主要来自管内, 而它的总传热系数与上述盘管的基本相同 。设置循环泵的强制循环”外热式”加热器, 可以使管内流速超过1 m/ s ,壳程采用气相热媒, 所以它的总传热系数会高于盘管加热器。
”外热式”反应器的功率消耗很小, 因为它无需设置搅拌装置和盘管热媒输送泵。而一个400 t/ d设内盘管的搅拌槽反应器, 上述两项的电机功率超过150 kW。
4 第二酯化反应器
槽式反应器和”外热式”反应器的物料流型都属于”全混釜”, 其特点是物料间停留时间的差异大, 且反应速率较低。采取串联全混釜方式可以克服上述弊端。多在第二酯化反应器结构上作文章, 使得一个反应器在流型上成为若干全混釜的串联。
其中一种型式是在搅拌槽中设置套筒, 物料流经套筒上的缝隙, 依次通过外室、内室。物料进入外室, 反应压力降低, 平衡酯化率提高, 反应推动力增大。进入内室, 受盘管加热使物料温度提高, 且消光剂加入内室增大物质的量的比, 反应速率增加。它的酯化段, 包括第一酯化反应器, 在流型上成为3个全混釜的串联。
另外一种型式是卧式搅拌槽, 用隔板分成若干个室, 物料自隔板溢流, 依次通过各室, 并在每个隔室设置搅拌装置。反应器中各个室的压力、温度相同, 分离塔回流的乙二醇和催化剂(消光剂) 加入后, 各室物料的量比仅稍有差异, 各室的平衡酯化率区别不大, 所以反应的推动力并没有相应增加。卧式反应器的料位是无法调节的, 它在结构上比立式槽复杂得多。
5 反应器的加热方式
反应器的加热可以采用气相热媒或液相热媒。
采用液相热媒, 可以通过调节热媒温度准确地控制物料温度。另外, 在生产负荷变化时, 可以通过改变热媒温度满足生产要求。这是液相热媒的优势。但使用液相热媒需设置输送泵。 搅拌槽反应器的加热盘管只能使用液相热媒。
气相热媒较液相热媒的优势, 一表现在它的传热效果好得多, 以反应器夹套的加热为例做比较, 夹套中气相热媒冷凝给热系数是液相热媒对流给热系数的约6倍, 对于一个400 t/ d 酯化反应器, 采用气相热媒的夹套可以承担反应器热负荷的～20 %. 二表现在可以降低反应器的设备造价, 包括以下几部分:盘管加热面积减少; 夹套的造价降低, 液相热媒夹套需要采用螺旋盘绕的”L ”形结构以提高它的传热效果, 这种结构加工复杂, 而气相热媒夹套的结构要简单得多; 反应器筒体壁厚可以减小, 特别是对于真空下操作的缩聚反应器, 筒体厚度决定于承受的外压大小, 而气相热媒的操作压力较液相热媒低得多。三表现在气相热媒无需输送设备, 它在系统内自身循环。
6 国内的设计和制造加工能力
国产化聚酯装置目前采用的是搅拌槽反应器(夹套采用液相热媒) , 已有设计和制造加工经验。据悉, 目前国内的科研与生产单位正在合作开展高效搅拌桨的研制。
国内生产装置使用的”外热式”反应器是自循环式, 它的列管换热器有上千根管子, 其制造加工质量的关键在于管板上管口的焊缝质量(有上千个接口) , 要保证在～300℃工作状态下不出现热载体的渗漏。
虽然在国内生产装置中还没有使用强制循环”外热式”反应器的, 但是在自循环反应器流程的基础上, 采用这种型式的反应器作第一酯化反应器, 基本不存在风险。
7 结论
推荐配置2台酯化反应器, 第一酯化反应器采用强制循环”外热式”, 第二酯化反应器采用带套筒的立式搅拌槽。
如若第一酯化反应器仍采用立式搅拌槽, 夹套加热应采用气相热媒, 并适当提高盘管的热媒温度, 这样可以减少盘管面积而缩短反应时间, 使反应器体积减小
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