聚酯连续装置转产过程优化

赵永冰

（中国石化天津分公司化工部，天津 300271）

近十年来，我国聚酯（PET）工业发展迅猛，2021年总产能已突破6 560万t/a。荣盛石化、桐昆股份、恒力股份、恒逸石化、江苏盛虹、新凤鸣集团等民营企业在该领域及其上下游产业板块中迅猛崛起，而中石化聚酯产能目前占全国的比例已不足7%，在装置规模上不具有竞争优势。进一步挖掘装置潜力、生产过程适应绿色环保要求、产品差别化等已成为聚酯行业的发展趋势和内在要求。天津分公司现有聚酯业务主要包括PTA、聚酯和短丝三套装置，均于2000年建成投产。其中聚酯装置设计引进德国吉玛（ZIMMER）公司专利技术，采用五釜流程、直接酯化连续生产PET熔体，设计生产能力为20万t/a。单线设计生产能力为300 t/d（操作弹性

50%~110%）。

聚酯装置原设计产品为纤维级半消光聚酯切片/ 熔体，产品结构单一。随着近几年的摸索和创新，开发几款差别化新产品，形成切片品牌系列。但在不同产品牌号转产过程中存在过渡料较多的问题。对于吉玛五釜连续聚合装置，尽量减少转产过程中过渡料对生产的影响具有重要意义。

如图1所示，来自PTA日料仓16-T01的PTA粉末与EG经过计量之后，按工艺设定摩尔比连续进入浆料调制罐16-V01中搅拌，同时加入催化剂。浆料首先进入第一酯化反应釜28-R01，在一定的反应温度和压力条件下反应，同时副产物水生成经工艺塔排出，反应到一定程度的产物进入第二酯化反应釜28-R02进一步反应，然后依次送到预缩聚反应釜预聚I釜38-R01、预聚II釜48-R01、终聚釜68-R01，最后熔体出料，经切粒系统制得聚酯切片。

图1 酯化缩聚示意流程

1 空间时间估算

在聚酯连续生产中，PET切片品种的切换一般通过添加共聚改性剂或共混添加剂的方式进行。在两个品种的切换转产过程中必然产生质量指标均不符合前后两个品种的过渡料，对于德国吉玛工艺的五釜连续聚合装置来说，两次转产过渡料较多。

预聚I釜38-R01容积较小，物料停留时间短，对转产过程影响较小。预聚II釜48-R01、终聚釜68-R01均为卧式釜，其内部为分隔成多室的圆盘反应器，可近似认为是理想反应器中的平推流反应器（PFR）。而浆料罐16-V01、酯化I釜28-R01、酯化II釜28-R02均为连续进、出料且带搅拌的立式釜，可近似认为是理想连续全混流反应器（CSTR）。连续全混流反应器的空间时间ζ＝VR/Φ＝反应体积/物料体积流量，在连续流动体系中按反应器进口流量计算反应物在反应器中的平均停留时间。

据操作经验，采用降低各釜料位在转产初期加大三单体A添加量的方法可有效减少过渡时间，降低过渡料量。

为保证转产过程中关键工艺参数稳定，28-R01、28-R02两个酯化釜液位保持不变，浆料罐16-V01的液位可适当降低以利于减少过渡时间。16-V01自正常生产时80%液位降至某一安全液位，查标定曲线此液位下物料体积为32 m3。以28-R01、28-R02正常反应时液位查对应的标定曲线得：28-R01釜的物料体积为48 m3；28-R02釜的物料体积为 17 m3。在一定的生产负荷下，包括PTA、EG、催化剂、改性三单体A的物料一同加入浆料罐16-V01，其总体积流量为14 m3/h，物料在16-V01中的空间时间ζ＝VR/Φ＝32/14＝2.3 h；物料在28-R01中的空间时间ζ＝VR/Φ＝48/14＝3.4 h；酯化I釜28-R01进入酯化II釜28-R02的体积流量为12.6 m3/h，物料在28-R02中的空间时间ζ＝VR/Φ＝17/12.6＝1.3 h。

由以上计算可得：在一定的生产负荷下稳定生产时各罐/釜液位确定情况下，反应物料在16-V01、28-R01、28-R02总停留时间约为7.0小时。

2 建立三单体A质量分数数学模型

2.1 16-V01出口A质量分数

将16-V01浆料罐近似认为是理想连续全混流反应器，16-V01出口处A的质量分数C1与时间t关系见式（1）：

上式中，W1为加入16-V01的三单体A的量，kg/h；M1为16-V01罐的出料量，kg/h；C1为16-V01罐出料中A的质量分数，%；V1为实际生产时16-V01液位下所持有的物料量，kg。

假设转产前后16-V01出口处A质量分数变化趋势为0→C11→C12；A进料量的变化趋势为0→W11→W12；时间变化过程为0→t11→ts→∞。其中C11为t11时刻时16-V01出口A的质量分数；C12为转产稳定后16-V01出口A的质量分数；W11 为转产初期优化调整期间A的加入流量；W12为转产后A的正常加入流量，对应转产后的质量分数C12；t11为优化调整时间；ts为停止加入三单体A的 时刻点。

2.2 28-R01出口A质量分数

同上，将28-R01近似认为是理想连续全混流反应器，28-R01出口处A的质量分数C2与时间t关系见式（2）：

上式中，W2为加入28-R01的三单体A的量，kg/h；M2为28-R01罐的出料量，kg/h；C2为28-R01罐出料中A的质量分数，%；V2为实际生产时28-R01液位所持有的物料量，kg。

（2）式中的W2也就是离开16-V01出料中所含的三单体A的流量，W2＝M1·C1。

转产前后28-R01出口A的质量分数变化过程为0→C21→C22；其中C21为t11时刻28-R01出口A的质量分数，C22为转产稳定后28-R01出口A的质量分数。

2.3 28-R02出口A的质量分数

同上，将28-R02近似认为是理想连续全混流反应器，28-R02出口处A的质量分数C3与时间t关系见式（3）：

上式中，W3为进入28-R02的三单体A的量，kg/h；M3为28-R02罐的出料量，kg/h；C3为28-R02罐出料中A的质量分数，%；V3为实际生产时28-R02液位所持有的物料量，kg。

（3）式中的W3也就是离开28-R01出料中所含的三单体A的流量，W3＝M2·C2。

转产前后28-R02出口A的质量分数变化过程为0→C31→C32；其中C31为t11时刻时28-R02出口A的质量分数，C32为转产稳定后28-R02出口A的质量分数。

特别说明：因该文主要讨论品种转换过程中向反应系统加入改性单体后，其加入量—时间—过渡料量的变化趋势，故在以上2.2和2.3章节中对于三单体A的质量分数变化的讨论忽略了A在实际生产中参加酯化缩聚反应的消耗，以及随工艺水排出系统之外的微量A，总体上模糊认定A在整个反应系统中仅发生共混行为。

2.4 三单体A质量分数与时间t的关系

利用微积分方程求解，可得在t∈（0，t11]、t∈（t11，ts）、t∈[ts，∞）三个时间段内浆料罐16-V01、酯化I釜28-R01、酯化II釜28-R02出口处三单体A质量分数随时间t变化的关系式。

3 实践应用

在某次聚酯差别化产品转产中，全过程总共使用20吨三单体A加入浆料罐中与PTA、EG按一定比例共混后进入酯化—缩聚釜参加共聚反应。转产前装置调整到适宜生产负荷，提前分多种情况进行预测模拟。

3.1 不经优化调整情况下转产

28-R02罐出料中A的质量分数C3在20吨三单体A加入浆料罐全过程中接近C3目标值，但未完全达到。以达到C3目标值90%~110%来定义达预定目标的产品，在加入三单体A后16小时28-R02罐出料中A的质量分数C3合格，21小时停进A，第23小时C3不合格。产品合格时间共计7小时。详见图2。

图2 未经优化调整条件下A的质量分数变化趋势

3.2 仅降低浆料罐液位情况下转产

将浆料罐自80%降至某一安全液位，A保持恒定进料流量。浆料罐16-V01、酯化I釜28-R01、酯化II釜28-R02出口A质量分数变化趋势见图3。

图3 仅降低浆料液位条件下A的质量分数变化趋势

28-R02罐出料中A的质量分数C3在20吨三单体A加入浆料罐全过程中接近C3目标值，但未达到。以达到C3目标值90%~110%来定义达预定目标的产品，在加入三单体A后14小时28-R02罐出料中A的质量分数C3合格，21小时停进A，第23小时C3不合格。产品合格时间共计9小时。

3.3 降低浆料罐液位，优化调整4小时情况下转产

将浆料罐自80%降至某一安全液位，A先提高进料量达某值维持4小时，再降至恒定进料流量并保持。浆料罐16-V01、酯化I釜28-R01、酯化II釜28-R02出口A质量分数变化趋势如图4所示。

图4 降低浆料液位、优化调整4小时条件下 A的质量分数变化趋势

28-R02罐出料中A的质量分数C3在20吨三单体A加入浆料罐全过程中达到并超越C3目标值。以达到C3目标值90%~110%来定义达预定目标的产品，在加入三单体A后7小时28-R02罐出料中A的质量分数C3合格，17小时停进A，第19小时C3不合格。产品合格时间共计12小时。

3.4 降低浆料罐液位，优化调整2.5小时情况下转产

将浆料罐自80%降至某一安全液位，A先提高进料量达某值维持2.5小时再降至恒定进料流量并保持。浆料罐16-V01、酯化I釜28-R01、酯化II釜28-R02出口的A质量分数变化趋势如图5所示。

图5 降低浆料液位、优化调整2.5小时条件下 A的质量分数变化趋势

28-R02罐出料中A的质量分数C3在20吨三单体A加入浆料罐全过程中基本达到C3目标值。以达到C3目标值90%~110%来定义达预定目标的产品，在加入三单体A后9小时28-R02罐出料中A的质量分数C3合格，19小时停进A，第21小时C3不合格。产品合格时间共计12小时。

3.5 降低浆料罐液位，优化调整3小时情况下转产

将浆料罐自80%降至某一安全液位，A先提高进料量达某值维持3小时再降至恒定进料流量并保持。浆料罐16-V01、酯化I釜28-R01、酯化II釜28-R02出口A质量分数变化趋势如图6所示。

图6 降低浆料液位、优化调整3小时条件下 A的质量分数变化趋势

28-R02罐出料中A的质量分数C3在20吨三单体A加入浆料罐全过程中达到C3目标值。以达到C3目标值90%~110%来定义达预定目标的产品，在加入三单体A后8小时28-R02罐出料中A的质量分数C3合格，18小时停进A，第20小时C3不合格。产品合格时间共计12小时。

从以上五种转产模式综合分析：降低浆料罐液位，优化调整3小时条件下转产过渡时间较短，产品合格时间较长，28-R02罐出料中A的质量分数C3契合预期C3目标值情况最佳。

采用该模式条件下进行转产比不采取优化调整模式下转产可提前8个小时得到合格产品，产品合格区间总时长增加5个小时。此模拟结果在100 kt/a五釜连续聚合生产线的具体实践中得到印证，其模拟结果与生产实际相符性高，十分精准。

4 总结

在实际生产中采用降低浆料罐液位，优化调整进料量方式进行转产，产品过渡变化趋势与数学模型模拟情况基本一致。使用模型模拟对转产过程优化具有指导意义。

数学模型是以理想连续全混流反应器为假设前提进行计算，与实际生产情况有一定差异，尚需进一步修正优化。

数学模型仅考虑酯化反应部分，缩聚阶段近似认为平推流过程，与生产实际有区别。精确计算全流程转产过渡情况尚需进一步修正优化。