國標固相縮聚工廠設計規范的解析

金平良

(上海紡織建筑設計研究院,上海200060)

固相縮聚(SSP)是聚酯(PET)顆粒在保持固相,低于熔點溫度和內在催化劑作用下進行的縮聚反應,以達到增黏、脫醛和提高結晶度的目的[1]。中國的聚酯及纖維工業由于技術進步與市場需求的推動,已由市場短缺轉變為市場豐富[2]。固相縮聚技術的發展推動了聚酯材料在工業絲和非纖材料應用的迅速發展,不僅已廣泛用于食品飲料包裝,而且已經延伸到醫療衛生行業,以及作為工程塑料替代金屬等諸多領域,展現了廣闊的應用前景[3]。由于我國一直未制定過固相縮聚工廠設計的相關規范或設計技術規定之類的文件,致使各地固相縮聚工程設計和建設缺乏國家技術依據和標準規范的指導。

國家標準GB51115-2015《固相縮聚工廠設計規范》(以下簡稱“規范”)[4],自2016年5月1日起實施,該規范由中國紡織工業聯合會和上海紡織建筑設計研究院主編。這次規范的制定在總結我國建設經驗和教訓的基礎上,根據國內聚酯工業迅猛發展現狀,制訂了適應我國固相縮聚工廠的工程設計規范,對提高工程建設質量、促進工程設計規范化和技術囯產化都是非常必要的。

1 標準的效用分析

1.1 建設水平

以無定性聚酯切片為原料的固相縮聚產品較多,涉及面較廣。有瓶級切片、工業絲級切片,工程塑料級切片、薄膜級切片;有連續縮聚生產工藝,間歇縮聚工藝;有年產幾百噸規模的小廠(或裝置),有超過十萬噸級的大廠;有國外引進技術和設備,有國內自行研發的技術和設備。由于目前還沒有與之相適應的工程建設規范,一些低水平的生產裝置仍在重復建設。本規范在全面總結國內近三十年固相縮聚工程建設經驗基礎上,根據技術進步達到的程度和設備制造水平,并結合生產過程中的技術改造實踐,制訂了固相縮聚工廠建設應遵循的基本原則和工程設計規定。

規范的內容反映了我國當前的技術成果和建設經驗,具有一定的先進性、實用性和可操作性;同時本規范內容涵蓋了固相縮聚工廠工程設計中各個專業的內容,包括工藝、自動控制和儀表、電氣、土建、給排水、采暖通風等專業。因此本規范的實施必將較全面地提高我國固相縮聚工廠的工程建設水平。

1.2 標準體系

就完整的產業鏈而言,目前聚酯工業下游的衍生大致包括聚酯熔體或切片成品,用于生產服飾用的滌綸長、短纖維、非織造布,和以聚酯切片為原料,通過固相縮聚增黏后擴大應用于聚酯瓶、工業絲、薄膜、工程塑料等生產過程,初步構成了完整的產業鏈。

在紡織工程建設標準體系的統一規劃和指導下,中國紡織工業聯合會于2009年組織新編的《聚酯工廠設計規范》和《非織造布工廠設計規范》,以及2010年合并、修訂的《滌綸工廠設計規范》這3個規范對以聚酯熔體(切片)、回收聚酯瓶片及再造粒聚酯切片為原料的滌綸長絲工廠(含復合長絲和單絲),滌綸短纖維(含毛條)、滌綸工業絲、紡絲成網法非織造布工廠生產裝置及輔助生產設施的新建、改建和擴建設計進行了規定。規范實施以來效果明顯,特別是依照有關節能、降耗的規定,許多企業已經做了技術改造,并直接產生了經濟效益。

《固相縮聚工廠設計規范》規定了以上游常規無定形聚酯基礎切片為原料,通過固相縮聚增黏,達到下游生產聚酯瓶、工業絲、薄膜、工程塑料等加工的不同設計要求,擴大了下游產品衍生加工的覆蓋范圍,保證了聚酯產品加工體系覆蓋面的完整性。

上述4個規范的內容充分體現了聚酯行業當前的技術成果和建設經驗,具有一定的先進性、實用性和可操作性;解決了工程建設專業標準在發展中的不協調、不配套和組成不合理等問題,明確了聚酯、紡絲、固相縮聚、非織造布工廠設計的分工銜接;形成了覆蓋聚酯行業工程建設的完整性、科學性、合理性,避免了低水平的重復建設帶來的資源和資金浪費;適應了科技進步和市場競爭環境的需求,使聚酯行業工程設計工作將有章可行,有法可依。

1.3 節能降耗

目前固相縮聚產品品種眾多,其工藝方案和設備選擇各異,企業生產規模大小、建設地點條件差異明顯,技術來源不同。因此國內連續固相縮聚裝置的基礎切片消耗差異較大,其設備故障率、故障大小及生產的切片分子量(特性黏度)不同,都會影響基礎切片的消耗量。國內裝置運行情況較好的每噸產品消耗低于0.5 kg(干基),運行不好的每噸產品消耗超過5 kg,相差近10倍。但經調研分析、總結后,至少取其平均值較符合國內各企業的生產實際情況;經總結分析和歸納其控制的關鍵措施后,應作為新廠建設的重要控制指標,提升為規范規定。這不僅促進了今后工程建設的技術進步,而且更有利于節能降耗、減排方針的貫徹執行。

據悉，“三塊地”改革于2015年2月底正式啟動，限定在北京市大興區等33個試點縣(市、區)行政區。2017年11月，十二屆全國人大常委會第三十次會議通過決定，33個農村土地制度改革試點期限延長一年至2018年12月31日。

帶節能器的氮氣循環系統是連續式固相縮聚節能的有效措施。間歇固相縮聚裝置用能較小,熱媒電加熱方式有利于節能和方便設備操作;通過雙回路、兩級溫度控制實現精確的溫度控制(降溫時一次回路保持高溫,只有二次回路和轉鼓一起降溫),可節約10%～15%的能耗。

其次,在上游有聚酯裝置的固相縮聚聯合工廠,聚酯的聚合反應后回收的乙二醇,通過固相縮聚氮氣噴淋洗塔進行凈化后的乙二醇輸送到聚酯生產線回用。固相縮聚工廠節能降耗的關鍵是選擇先進的工藝方案,它在節能降耗中往往占很大比重。因此工藝節能在規范中有專門一節,電氣、建筑、通風和給排水章節在相關技術條文中也對節能做了規定。

工廠節能重點是抓住優化工藝設計方案,選擇節能型設備、管道和設備絕熱減少熱損失主要環節;同時完善工廠能源管理體系,健全落實各種節能規章制度,才能使能耗指標達到先進水平。

為執行環保污染物達標排放和總量控制政策,在規范中規定連續固相縮聚裝置反應尾氣中含有的微量乙二醇、乙醛等小分子氣體,必須經過催化氧化反應器燃燒后排放,以及氮氣干燥器排水中含有微量乙二醇須收集處理;間歇固相縮聚裝置的排氣也須經冷卻器冷卻、活性炭吸附處理后,符合國家排放標準才能排放。這些措施杜絕了乙二醇、乙醛等小分子的氣體直接排放,也保護了廠區環境。因此規范的實施將有力地促進和加強現階段國家節能降耗、減排方針的貫徹執行。

1.4 安全生產

為確保維修、操作人員的人身安全和設備安全,避免可能對周圍環境重要設施的影響,本規范規定了如下4條強制性條文:

(1)7.7.10 氫氣瓶放置間的火災危險性應為甲類,屬于有爆炸危險房,為保證在房間內的生產設備及人身安全,應設氫氣濃度檢測報警器,并應執行現行國家標準《氫氣站設計規范》GB 50177的相關設計要求。

(2)5.5.6 媒管道系統嚴禁采用水為介質進行壓力試驗,是針對近年來熱媒管道采用以水為介質作壓力試驗,導致事故屢有發生,故而將本條列為強制性規定。

(3)8.3.2 工廠的疏散照明、安全照明、備用照明等應急照明系統,必須有專用的饋電線路供電。

(4)8.5.2 工廠的爆炸危險環境必須采取靜電防護措施。

另外,對存在粉塵、有害物質、噪聲、高溫等職業危害因素的場所和崗位,應按規定進行專門管理和控制;聯苯加熱器液位標志明顯清晰,溫度和壓力上下限位聯鎖報警裝置、防爆片等可靠到位;作業場所應劃出人員行走的安全路線,并有明顯的安全警示標志;主要通道及主要出入口,通道樓梯、變配電室、中控室場所應設置應急照明等都作了規定。這些規定將進一步規范預防事故的防范措施和提高生產的安全性。

2 標準的工藝技術分析

本規范中的工藝流程確定是在現有的國內自主研發技術路線基礎上,結合引進美國、日本、意大利、瑞士等裝置生產線而確定的,且經實踐證明是先進、成熟、可靠的。間歇式固相縮聚借助抽真空除去小分子副產物,其工藝流程短操作靈活方便,設備投資少適合于小批量多品種生產;但對真空度要求甚嚴,切片傳熱效率和生產效率欠佳,批與批之間質量存在差異。故適合中小規模生產,特別適合于一些特殊品種的生產。連續式固相縮工藝流程長,設備投資大,但切片傳熱效率和生產效率提高,切片質量均勻,可實現連續化生產,適合大規模常規產品的生產。

目前間歇式固相縮聚設備和年產20萬t規模的連續式固相縮聚設備,制造技術經消化、吸收國內已經解決,現已可成套供應國內市場和出口國際市場。過去,引進100 t/d連續式固相縮聚裝置成套進口設備(其中部分輔機國內制造)的價格是同等規模成套國產設備的1.77倍,采用600 t/d連續式固相縮聚裝置成套進口設備(其中部分輔機國內制造)的價格是同等規模成套國產設備的2.43倍;采用20 M3/臺間歇式固相縮聚成套進口設備的價格是同等規模成套國產設備的3～5倍。由此可見,國產設備的價格優勢十分明顯。因此本規范有利于促進工藝技術設備的國產化,節約建設投資。

3 結語

我國化纖工業已經列入世界化纖生產大國,并正在從規模擴張為主導的高速增長期轉入以結構調整和質量效益為主導的經濟平穩增長期,特別是在非纖領域中擴大聚酯材料的應用已呈現出了廣闊前景。國家標準GB51115-2015《固相縮聚工廠設計規范》的批準實施,不僅擴大了覆蓋面,促進工程領域工作的標準化和規范化,還將推進聚酯材料在工業絲和非纖領域的擴大應用,有利于促進工藝成套裝備創新和工程設計工作的集約化。此外,還可供化工、輕工等相關行業工程塑料加工專業參考,提高國內相關領域的研發和科技進步水平。

參考文獻:

[1] 邵惠麗,胡學超,黃 彬.固相縮聚反應機理的研究[J].合成纖維工業,1996,19(5):11-16.

[2] 邱杏娟,邱建軍,張守運.滌綸化纖市場發展趨勢分析[J].中國城市經濟,2011,(15):317-318.

[3] 姜迎娟,張其偉.我國聚酯工業發展方向的探討[J].紡織科學研究,2002,(3):19-28.

[4] 固相縮聚工廠設計規范:GB51115-2015[S].北京:中國計劃出版社,2016.