瑞士布勒公司涤纶工业丝用聚酯切片固相聚合技术和设备

摘要：近年来，德国吉玛公司推出了液相增粘的先进方法，对于直接纺工业丝可降低生产成本，而且聚合物的分子量分布更加均匀。但也存在产能调节不灵活等缺点，一般要求整套装置必须在75%设计产能负荷以上进行生产。到目前液相增粘还没有真正实现工业化。文章阐述了涤纶工业丝用聚酯切片固相聚合技术和设备的相关特性、工作原理以及涤纶工业丝用聚酯切片增粘有固相聚合和液相增粘的途径。

关键词：涤纶工业；液相增粘；丝用聚酯切片；固相聚合技术；液相增粘

中图分类号：TQ342 文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）15-0051-03

一、涤纶工业丝用聚酯切片增粘途径简介

涤纶工业丝用聚酯切片增粘有固相聚合和液相增粘两种途径。

近年来，德国吉玛公司推出了液相增粘的先进方法，对于直接纺工业丝可降低生产成本，而且聚合物的分子量分布更加均匀。但也存在产能调节不灵活等缺点，一般要求整套装置必须在75%设计产能负荷以上进行生产。到目前液相增粘还没有真正实现工业化。

固相聚合是将分子量较低的PET切片（特性粘数约为0.675dL/g）加热至玻璃化温度以上，在大约低于其熔点30℃～60℃的条件下，于真空或氮气等惰性气氛下经固相缩聚使相对分子质量增大。聚酯的特性粘度增加到0.95dL/g以上，其目的是为了提高纤维的断裂强度。特别是采用一步法，高粘度几乎是提高纤维断裂强度的最直接方法。由于反应温度低于熔融温度，因而降解作用变缓，羟基和醛基含量较低，副产物乙二醇和水可借助真空或惰性气体除去，产品热稳定性好。

固相聚合分为间歇式和连续式，间歇式固相聚合借助抽真空除去小分子副产物，其工艺流程短，操作灵活方便，设备投资少，适于小批量多品种生产，但对真空度要求甚严，切片传热效率和生产效率欠佳，批与批之间质量存在差异。连续式固相聚合借助惰性气（多使用氮气）体除去小分子副产物，其工艺流程长，设备投资大，但切片传热效率和生产效率均提高，切片质量均匀，可实现连续化生产。

瑞士布勒（BUHLER）公司、美国HOSOKAWA BEPEX公司和意大利UOP SINCO公司都具有非常成熟的聚酯切片连续固相聚合设备和技术。中国大多数涤纶工业丝生产厂家普遍采用瑞士布勒（BUHLER）公司和美国HOSOKAWA BEPEX公司设备和技术，两个厂家的工艺路线和设备各有特点，但是都可以很好的满足涤纶工业丝生产的需要。

平顶山神马实业股份有限公司是河南省唯一一家全套引进瑞士布勒固相聚合和德国巴马格高速纺丝牵伸卷绕设备生产HMLS（高模量低收缩）涤纶工业丝的公司。

二、固相聚合内容介绍

现主要以瑞士布勒公司固相聚合设备为例来对连续式固相聚合的设备和工作原理进行分析。

1．瑞士布勒（BUHLER）公司聚酯切片固相增粘聚合工艺流程图，如图1所示：

01，06，23：旋转阀；02：结晶器；03：旋风分离器；04，17，13：风机；05，10，16，18，19，20，21，22：电加热器；07：反应器；08：过滤器；09：热交换器；11：铂催化剂反应器；12，14：冷却器；15：干燥器。

图1聚酯切片固相增粘聚合工艺流程图

2．沸腾床结晶器结构图和工作原理，如图2所示：

（1）聚酯切片干燥结晶的主要目的：一是除去切片中的水分，避免聚酯切片在进入反应器后在高温条件下发生水解。二是提高切片的结晶度和软化点，避免切片在进入反应器后发生粘结，从而防止物料在反应器内结块和因为物料粘连造成粘度不匀。由于原料切片在加工时，聚合物熔体的挤出铸带，是在水中急剧冷却的，所以原料切片基本上为无定形结构，软化点较低，70℃～80℃便开始变软和粘连。如果不提高其结晶度，进入反应器后，便软化粘连，造成阻料。三是布勒沸腾床流化床结晶器的最具特色的作用，热空气可以带走原料切片中大部分的粉尘并在旋风分离器中分离。由于粉尘较正常切片具有非常大的比表面积，所以可以在反应后具有非常高的粘度和结晶度，所以会严重的影响到纺丝的可纺性以及丝条结构和物性的均匀性。

（2）工作原理：无定形聚酯切片进入到结晶器的第1室，与此同时，热空气经过器室底部的多孔板向上喷流，这样在结晶器1室内，既有向上喷涌的预结晶切片，也有连续向下进入一室的无定形切片。由于在器室内，无定形切片和预结晶切片之间激烈的沸腾碰撞，所以不会出现切片的粘连。

当无定形切片被加热到超过90℃以上时，便开始发生结晶，并释放出能量。无定形的切片是清澈透明的，而结晶的切片模糊不透明的。

预结晶的切片在沸腾跳跃时超越第1室上部可调节高度的堰板进入第2室。物料在2室内也处于沸腾状态，但是只能通过2室的底部进入3室。切片依此向后流动，物料在进入5室后，处于沸腾跳跃状态的结晶切片超越5室上部的堰板进入6室，完成结晶过程。

工艺气体通过加热器（05）被加热到所需要的工艺温度，气体通过风机（04）再循环，粉尘被旋风分离器（03）分离去除。结晶器热空气循环系统设有补气和排气口，在系统循环气体中逐步增加的水分和从切片中逸出的乙醛，通过排气保持在一个合适的水平。

切片在结晶器1室的停留时间约10～15分钟，结晶器内总停留时间约是23分钟；在结晶度达到40%以后即可以进入反应器继续反应。

3．固相聚合屋脊式反应器工作原理。布勒公司的屋脊式固相聚合反应器是最具有特色的反应器设计形式，其它公司的生产技术，一般都采用圆筒式反应器。因为布勒反应器内部的棚架导流结构类似于屋脊而得名。一般情况下，屋脊式反应器本体分为进料段（无屋脊）、反应段（有屋脊，可分为若干节）、冷却段、出料段四部分。

（1）固相聚合屋脊式反应器工作原理图及介绍，如图4、图5、图6所示：

在第一节仓中，右风道为进风道，左风道为出风道，中间有六组风管。其中1、3、5与右风道相通（左端密封），称为进风管；2、4、6与左风道相通（右端密封），称为出风管。干热空气流从进风口入右风道，分三路同时进入1、3、5风管内，并从这些管的底部长条形开口缝溢出，转向上，穿透切片层而上升（图5），继而从2、4、6出风管下部长条形开口处进入，汇集于左风道，并进入第二节仓。第二节仓与第一节相同，但风向进出与第一节的相反，即左风道是进风道，右风道为出风道。以下各节则依此类推。在整个反应器中，干热空气流向在同节仓中呈并联流动；而在节与节之间则为串联流动（图4）。

（2）布勒固相聚合反应器的特点：1）由于切片在反应器内向下流动过程中，不停的在横向进行移动和混合，所以基本上可以保证切片在反应器内先进先出，停留时间基本一致，反应的均匀性更高；2）和在圆筒式反应器中物料互相挤压相比，布勒反应器由于有屋脊式棚架结构进行支撑，所以切片之间的堆积密度更小，流动氮气在反应器截面上分布更均匀，更容易带走反应产物，而且在出现异常情况（如停电）等导致物料不流动的状况时，可以最大程度避免出现切片结块现象；3）氮气加热使用电加热器，和其它公司技术使用联苯相比，工作环境条件较好；4）工艺流程非常简单，操作方便，维护成本低。

（3）切片在反应器内发生的反应

4．铂催化燃烧反应器（10）。从固相聚合反应器上部出来的氮气，带出乙二醇、水、乙醛、二甘醇等反应产物，为了促进缩聚反应的进行，必须及时除去氮气中含有的反应产物。布勒公司采用催化燃烧的方法来去除小分子反应产物。

从反应器上部出来的氮气，经过过滤器（08）除去粉尘，通过热交换器（09）时被预热，随后被加热器（10）加热到300℃以上，然后在铂催化燃烧反应器中发生燃烧，氮气中的乙二醇、乙醛、二甘醇等切片反应产物燃烧后生成水、CO、CO2。

控制系统通过检测铂催化燃烧反应器出口CO和O2含量来自动控制燃烧需要的O2的补充量。一般要求O2含量≤10ppm。

5．干燥器（15）。从催化燃烧反应器中出来的氮气含有大量水分，在氮气重新回到反应器前，必须经过干燥器除去水分。

干燥器有两个干燥塔，分别填充有分子筛吸附剂来吸收水分。两个干燥塔中一个在使用时，另外一个进入再生程序，再生后备用。干燥塔之间可以设定定时切换或设定氮气露点切换两种方式。氮气露点要求低于-35℃。

总之，经过固相聚合反应后的切片，一般特性粘度控制在1.0dl/g以上，可以用于涤纶工业丝的纺丝生产。国内一些使用布勒固相聚合装置的厂家，在布勒屋脊式反应器后面再串联一个圆筒式反应器，增加物料的停留时间。在投资不多的情况下，使产能成倍提高，取得了明显的经济效益。结论：连续式固相聚合增粘是最适合涤纶工业丝生产的切片增粘方式；布勒固相聚合设备具有工艺流程简单，设计独特、操作维护方便、控制精度高等特点，生产切片质量稳定，能够很好的满足涤纶工业丝生产的需要。

参考文献

[1]郭大生，王文科．聚酯纤维科学与工程[M]．北京：中国纺织出版社，2001.

[2]董纪震，赵耀明，陈雪英，曾宪珉．合成纤维生产工艺学[M]．北京：中国纺织出版社，1994．

作者简介：周伟芳（1975－），女，河南新密人，平顶山神马博列麦气囊丝公司助理工程师，质量工程师，研究方向：生产工艺管理、质量检验。