粉末涂料用聚酯樹脂生產裝置的工藝優化和設備選型

李 恬，李俊宏

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230)

粉末涂料是一種100% 固體成分、以粉末形態進行涂裝的涂料，它最大的優勢就在于不需要使用有機溶劑或者水作為分散介質。因此其在使用過程中無溶劑揮發，安全環保，符合國際上通認的“4E”法則：經濟(Economical)、環保(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，近年來其市場規模快速增長，相關企業大多面臨產品供不應求的境況，新建工廠、擴大產能成為必然的選擇。

中國《聚酯工廠設計規范》[2]對聚酯工廠設計的技術要求做出了規定，但該規范適用于采用對苯二甲酸和乙二醇為原料、生產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裝置的工藝設計和設備選型進行介紹的論文。

本文從某聚酯生產裝置的實際設計經驗出發，介紹工藝優化經驗和主要設備選型，供工程設計人員參考。

1 工藝流程介紹

粉末涂料用聚酯樹脂的主要生產工藝是由對苯二甲酸、間苯二甲酸、新戊二醇為主要原料，經過加熱酯化反應和真空脫水縮聚而制得。聚酯樹脂生產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，聚酯樹脂生產裝置采用單釜流程、間歇操作，酯化和縮聚兩步反應均在一個反應釜內完成，制得聚酯產品后送入雙鋼帶機冷卻破碎，最后包裝入庫。反應釜的投料、酯化和縮聚反應和放料所需時間決定了生產周期，與反應釜的容積一起決定了整條生產線的年產能。以一個30m3的反應釜為例，每批可生產聚酯產品約22t，每批耗時32h，按年操作8000h計，單條生產線年產能僅為5500t。正因為如此，目前國內粉末涂料用聚酯樹脂的主要生產企業產能都十分有限，除安徽神劍擁有多處工廠、產能超過100000 t/a外，其余前十大企業的產能都在15000～35000t/a之間[4]，難以滿足日益增長的市場需求。

2 工藝優化

2.1 流程優化

項目業主擬擴大產能，新建80000t/a生產裝置，若采用產能5500t/a的生產線，則需要安排生產線多達15條，這顯然是不經濟的。因此，本項目流程優化的主要任務就是擴大項目的年產能。除設置多條生產線外，還需要從另外兩條路徑出發擴大產能：一是縮短單批生產時間；二是增大反應釜容積、增加單批產量。

根據分析，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14h，二次投料0.5h，縮聚反應12h，出料4h。其中酯化反應、縮聚反應兩個步驟占據了絕大多數時間，但這兩個反應的時長由化學反應動力學控制，調整空間不大；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，利用反應釜反應的時間將所有固體原料投至一投料斗中，則向反應釜的投料過程則很快可以完成，預計可將初始投料時間縮短至0.5h。而出料時長受下一環節雙鋼帶機產能控制，如果采用兩條雙鋼帶機生產線進行生產，則出料時間可以縮短至2h。

通過縮短投料及放料時間，僅可以提高產能不到10%，顯然難以滿足要求。針對酯化反應和縮聚反應所需時間比較接近的情況，若能將兩步反應同時進行，則能大大縮短批次時間。因此，增加一臺反應釜、將間歇流程改為半連續流程就十分必要了。所謂半連續流程，就是將酯化反應和縮聚反應分別在兩個反應釜中完成，當第一個反應釜(預聚釜)進行酯化反應的同時，第二個反應釜(終聚釜)在進行前一批次的縮聚反應，兩步反應交替進行。其中初始投料(0.5h)、酯化反應(14h)、轉料(0.5h)合計占據預聚釜15h，而二次投料(0.5h)、縮聚反應(12h)、放料(2h)合計占據終聚釜14.5h，二者時間相差無幾；最終整個生產流程的瓶頸在預聚釜，單批次耗時僅為15h。

綜上，通過縮短單批生產時間，采用30m3反應釜的生產線產能從5500t/a可提高至11700t/a，提高幅度達112%。

反應釜的放大是一個非常復雜的問題，反應釜的容積變化會從傳熱、傳質、動量傳遞(攪拌)等方面影響反應的進行，其中反應釜的容積主要影響動量傳遞，反應釜的長徑比、面積體積比則主要影響傳熱和傳質[5]。放大的主要方法[6-7]包括：(1)工程規模的直接試驗；(2)已知放大關聯的放大；(3)根據放大原理的放大；(高放大比例)(4)根據經驗的放大(低放大比例)。本項目已有成功的反應釜，但尚未掌握科學的放大原理或已知放大關聯，因此從穩妥起見，選用了低的放大比例，將原有30 m3的反應釜放大到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釜以下參數與原反應釜一致：反應釜高度/容積、攪拌漿直徑/反應釜直徑和攪拌漿離釜底距離/反應釜高度。

通過放大反應釜的容積，單批產能可以提高23%，結合半連續工藝，單條生產線產能提高至14400 t/a，建設6條生產線即可滿足80000 t/a的產能要求。

2.2 反應釜密閉設計

常規粉末涂料用聚酯樹脂生產裝置中，反應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，本項目對預聚釜和終聚釜均采用密閉設計，即在整個生產過程中，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，反應釜通過放空管道集中至放空總管，并通過尾氣處理系統放空，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境。

2.3 設備選型

本項目主要設備均采用業主現有的成熟設備類型，但在部分設備選型上有一定的創新，以滿足擴大產能、日益嚴格的安全、環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輸送設備，在聚酯纖維行業應用較為廣泛。管鏈輸送機由管道、管道內部的鏈條和刮板、驅動輪和被動輪組成，通過鏈條和刮板的旋轉實現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，物料在密閉的設備中運轉，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，并放料至反應釜中。整個操作過程快速、可靠，杜絕粉塵污染，實現反應釜密閉操作。

3 結語

(1)通過將單釜間歇操作改為雙釜半連續操作、反應釜低比例放大的工藝優化措施，成功將粉末涂料用聚酯樹脂單條生產線產能從5500 t/a提高至14400 t/a。

(2)選用管鏈輸送機和真空上料機設備，可以分別實現固體物料的大批量和小批量投料，使聚酯反應釜在完全密閉狀態下操作，避免了粉塵逸散和高溫蒸汽揮發，改善了車間環境。