5.6.3　聚酯纤维生产的工艺流程

图5.11　一步法反应部分工艺过程
1—反应器;2—除沫分离器;3—催化剂再生器;4—冷凝器;5—洗涤塔;
6—粗乙醛贮槽;7—汽提塔;8—精馏塔;9—泵

原料乙烯和循环乙烯混合后从反应器底部进入,新鲜氧气从反应器下部侧线进入,氧化反应在125℃,0.3MPa左右的条件下进行。为了有效地进行传质,气体的空塔线速很高,流体处于湍流状态,气液两相能较充分地接触。反应生成热由乙醛和部分水汽化带出。

反应器上部密度较低的气液混合物经过导管进入除沫器。在此,气体流速减小,使气液分离。反应气体（主要是产物乙醛蒸汽、未反应的乙烯和氧及副产物二氧化碳、氯甲烷和氯乙烷等)连续自除沫器上部逸出,催化剂溶液自除沫分离器中沉降下来。由于脱去了气体,催化剂溶液密度大于气液混合物密度,借此密度差,大部分催化剂溶液经循环自行返回反应器。这样,催化剂溶液在反应器和除沫器之间不断进行着快速循环,使催化剂溶液在器内各部分的性能均匀一致,温度分布也较均匀。

自除沫分离器出来的含有产物乙醛的气体,经第一冷凝器将大部分水蒸气冷凝下来,凝液全部返回除沫分离器。因此这部分凝液中乙醛体积分数应尽可能低,否则乙醛回入反应器中将增加副产物。自第一冷凝器出来的气体再进入第二、第三冷凝器;将乙醛和高沸点副产物冷凝下来,未凝气体进入水吸收塔,用水吸收未被冷凝的乙醛,吸收液和第二、第三冷凝器出来的凝液汇合后,一并进入粗乙醛贮槽。自吸收塔上部出来的气体中乙烯和氧的体积分数分别约为65%和85%,其他为惰性气体和副产物二氧化碳、氯甲烷和氯乙烷等,乙醛体积分数仅1× 10－4左右。为了不使惰性气体在循环气里积累,将其一部分送至火炬烧掉,其余作为循环气体返回反应器。

反应段的主要影响因素有原料纯度、转化率、进气组成、温度与压力等。

①原料纯度

如原料气中含炔类、硫化氢、一氧化碳等杂质,均能使金属钯析出。一般使用的原料乙烯要求乙炔体积分数＜3×10－5,硫化物体积分数＜3×10－6,乙烯纯度大于99.5%,氧的纯度也要大于99.5%。

②转化率及进反应器的混合气组成

进反应器的混合气是由原料乙烯、氧气和循环气所组成,虽然氧的体积分数达17%,但由于采取了氧和乙烯分别进料的方式,故不会形成爆炸混合物,它们在液相中稳定地进行氧化反应。但自反应器出来的气相混合物（即循环气)的组成必须严格控制。据研究,当循环气中氧的体积分数＞12%,乙烯体积分数＜58%时,就会形成爆炸混合物。工业生产上从安全和经济两方面,要求循环气中氧的体积分数在8%左右,乙烯体积分数在65%左右。当循环气中氧的体积分数达到9%或乙烯的体积分数降至60%时,需立即停车,用N2置换系统中气体,将气体排入火炬烧掉。为确保安全,要求配置自动报警联锁停车系统。

由于副反应要消耗一部分氧,一般氧的用量比理论值过量10%,当进反应器混合气的组成为φ（C2 H4)＝65%、φ（O2)＝17%、惰性气体的体积分数为18%时,如果要求循环气中氧的体积分数为8%左右,乙烯的转化率只能控制在35%左右。

③反应温度和压力

乙烯氧化生成乙醛是气液相反应,虽增加压力有利于气体溶解在液体中而加速反应,但从能量消耗、设备的防腐蚀及形成副产物等几方面考虑,反应压力不宜过高,一般选择在0.3MPa左右。反应温度必须与反应压力相对应。这是因为乙烯氧化生成乙醛的反应是放热量较大的反应,反应热量需由乙醛与水的汽化带走,所以应保证反应在沸腾状态下进行, 0.3MPa的反应压力相应的反应温度为120～130℃。

（2)粗乙醛精馏工艺流程说明

工业上一般采取两步法将粗醛精馏。第一步是脱轻组分,将沸点比乙醛低的二氧化碳、氯甲烷、氯乙烷等从轻馏分塔顶脱去;第二步是脱除废水和高沸物,并从乙醛精馏塔中部侧线引出副产的丁烯醛。

由于乙醛沸点较低,要将其冷却下来必须在分馏塔顶使用大量冷冻盐水,故轻馏分塔和乙醛精馏塔均在加压条件下操作,这样可节省能量。

（3)催化剂溶液再生

在反应过程中生成的可挥发性副产物与产物一起蒸发离开催化剂溶液,但不溶的树酯和固体草酸铜等副产物仍留在催化剂溶液内。草酸铜的生成不仅污染催化剂,而且使铜离子浓度下降而降低活性。为了使催化剂的活性保持恒定,需连续自装置中引出一部分催化剂溶液进行再生。

将需再生的催化剂溶液自循环管引出,并通入氧和补充盐酸,使Cu＋氧化,然后降压并降温到100～105℃,在分离器中使催化剂溶液与逸出的气体-蒸汽混合物分离。气体-蒸汽混合物经冷却冷凝和水吸收,以回收乙醛,和捕集夹带出来的催化液雾滴后排至火炬烧掉,含乙醛的水溶液经除沫器返回反应器。分离器底部的催化剂溶液经泵升压后,送至分解器,直接通入水蒸气,加热至170℃,藉催化剂中Cu2＋离子的氧化能力将草酸铜氧化分解,放出CO2并生成Cu2 Cl2,再生后催化剂送回反应器。

一步法生产乙醛,乙烯的单程转化率为35%～38%,选择性为95%左右,1m3催化剂每小时生产乙醛为150kg,所得乙醛纯度可达99.7%以上。

2)二步法工艺

乙烯的羰基化反应和氯化亚铜的氧化反应分别在两个串联的管式反应器中进行的工艺称二步法。反应在1.0～1.2MPa,105～110℃条件下操作,乙烯转化率达99%,且原料乙烯纯度达60%以上即可用空气代替氧气。由于乙烯和空气不在同一反应器中接触,可避免爆炸危险。

二步法工艺的特点是催化剂溶液的氧化度呈周期性变化,在羰基化反应器中,入口高,出口低。另外,二步法采用管式反应器,需要用钛管,同时流程长,钛材消耗比一步法高。但二步法用空气作氧化剂,避免了空气分离制氧过程,减少了投资和操作费用。二步法反应部分工艺流程如图5.12所示。