聚酯方法中控制压力的真空系统 【发明领域】
本发明涉及能从工业规模聚合反应中除去副产物和过量二元醇的设备。
【发明背景】
在传统的冷凝式聚合反应系统中，反应器是分隔开的容器，而每个容器都有它自己的真空系统和直接接触式喷雾冷凝器。这些系统经常会遇到诸如反应副产物和过量地反应剂须从熔融物中除去这一类问题。有些单体和低分子量聚合物具有很大的凝固倾向，它们会淤积或堵塞冷凝器和真空系统。这一淤塞问题是聚合物工厂造成年产量损失的最常见的原因。
从根本上讲，各组分在存在于蒸气处理装置中的流体中的浓度都有溶解度极限。当某一组分的浓度超过它的溶解度极限时，就可能出现淤积现象。在实验室或全设计规模的生产厂中，当超过溶解度极限时，就可观察到混浊的凝结液；这时就很可能出现装置的淤积。经过一段时间后，这一淤积现象就会引起必须加以处理的操作问题。通常，生产厂必须中断其正常运转来处理固体的积聚问题，在这段时间内，他们就损失了宝贵的产量。
为了缓和蒸气处理装置中的淤积现象，已开发出了若干种办法。首先，在装置上加外套以提高表面温度。从理论上讲，表面温度较高，在超过溶解度极限以前允许出现的浓度也较高。但是，这只在一定程度上有效，因为溶剂是势必要蒸发的。当混合物较为静止时，溶剂的蒸发会使混合物中形成固体的组分加浓，浓度就升高到溶解度极限以上，而固体就粘着在表面上。
为处理较高水平的形成固体的物质，冷凝器的设计和操作是用另外的办法来进行的。很多聚合物工厂现在普遍使用刮擦表面的冷凝器。这些冷凝器具有可动的机械零件，当固体在表面上积聚起来时，就用它来除去固体。
在美国专利3,468,849中描述了一种解决办法，它是插入喷射泵。它不用水蒸气作为喷射泵的动力流体，而用能溶解形成固体的物质的溶剂来代替水蒸气。对聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)来说，动力流体是乙二醇蒸气。由于乙二醇是PET反应的主要反应剂和良好溶剂，因此它是喷射泵理想的流体。
美国专利3,468,849中公开的设备有若干个独立的反应容器或反应室。由于单一的喷射泵在实践上不能被设计成可获得工艺要求的极低的压力，因此每个反应室都有它自己的多级真空系统来压缩来自指定反应室的惰性组分。
但是，这种设备配置在若干方面被认为是不符合需要的。一台额外的冷凝器和一套额外的真空系统，以及为使冷凝器和真空系统运转所需的辅助设备，其基本投资费是相当大的。在提高每磅聚合物产品投资费以外，额外的设备还会降低聚合物工厂总的可靠性。加之，每套真空系统都有它自己的动力流体要求。因此，额外的真空系统就会大大增加动力流体的数量，而动力流体为除去环境危险是必须加以处理的。由此可见，在聚合物生产技术中仍存在着用简化的系统，来冷凝从反应室排出的蒸气，并为各反应室产生出要求的真空度这一需要。
附图简述
图1示出传统的生产聚合物的设备简图。
图2示出本发明的设备简图。
发明详述
本发明公开一种至少具有两个反应室的聚合反应系统，其中用真空来除去反应室的蒸气，其改进包括用一套单一的真空系统来为依次的多个反应室供应加大的真空量，该单一真空系统包括：
连接到每个反应室(除最后的反应室外)上的冷凝器，它由冷凝器导管连接；
连接到每个冷凝器和最后反应室上的反应室喷射泵，它由喷射泵导管来连接；其中喷射泵使用从反应室出来的冷凝蒸气作为动力流体；
把每个喷射泵连接到前级冷凝器上的喷射泵排出导管，这样可使每个喷射器排入连接到前级反应室的冷凝器内；
由喷射泵导管连接到第一级冷凝器上的终端喷射泵；
经泵管路连接到终端喷射泵上的真空泵；以及
连接到每个喷射泵上，并向喷射泵中输送动力流体的动力流体输送管。
本发明还公开一种聚合反应方法，它具有至少第一和第二反应阶段，其中的压力依次从第一阶段至最后阶段递减，该方法包括下列步骤：
借助于连接有真空管路的末级喷射泵除去最后一级中的蒸气，来保持最后一级中的真空；
将最后反应室喷射泵的排出物导入第一反应室预冷凝器内，以产生出第一反应室的非冷凝物质和已冷凝的第一反应室喷射泵动力流体；
将第一反应室喷射泵的非冷凝物质从第一反应室预冷凝器导入由真空管路连接的第二喷射泵中；
将第二喷射泵的排出物导入第二冷凝器中，以产生出第二冷凝器非冷凝物质和已冷凝的第二喷射泵动力流体；其中的第二冷凝器与真空泵相连接。
本发明的真空系统优选包括至少三套序列配属的真空设施，它们有选择地配属于适当的反应室。
下面将参照图2进一步描述本设备。
要进行的聚合反应所需的原料通过管路1被输入反应容器(5)的第一反应室(C1)中。输入(C1)的适合原料包括：二羧酸反应产物，如但不限于对苯二酸、间苯二酸、环己烷二羧酸、萘二甲酸和它们的混合物；二羧酸酯，如但不限于对苯二甲酸二甲酯、间苯二甲酸二甲酯、二羧酸二甲基萘和它们的混合物；以及二元醇，如但不限于1，2-乙二醇、二甘醇、环己烷二甲醇和它们的混合物。为简单起见，通常技术规范上把二羧酸和1，2-乙二醇称为反应剂。
反应容器(5)可以是多个连结在一起的反应容器或是具有适当数量反应室的单个反应容器。带有几个反应室的单个反应容器设备可以是优选的，这样可减少需要的地板空间。单容器反应器的取向可以是水平的、倾斜的或垂直的。如果采用包括多个反应室的单个容器，可优选用垂直取向的，以进一步减少反应室所需的空间。业内人士通常都知道有哪些适当的反应容器，并包括美国专利3,359,074、3,250,747和3,157,619所描述的那些。
重力促使各室之间和底盘(安装在各反应室内以提供停留时间和表面更新)上的液体流动。液体在两室之间流动是通过密封器进行的，密封器能防止蒸气通过。闸式阀门可使各反应室工作在不同的真空水平下。在单个反应容器的设计中，厚的、带夹套的压力容器端盖的数量可减到两个。隔板则既用作一级反应的底端盖，又用作下一级反应的顶端盖。隔板无需加夹套。
第一反应室(C1)中反应生成的过量二元醇，可通过抽吸管路(6)被除去而进入冷凝器(7)。通常，适用的冷凝器是大型园柱体容器，其长度和直径的比例在5∶1至10∶1之间。冷却水一般是通过空心雾锥喷嘴或全雾锥喷嘴而分配穿过冷凝器，这些喷嘴就安装在冷凝器上。可方便地从很多供应商处买到适用的冷凝器，其中包括GrahamManufacturing and Croll-Reynolds。
来自第一反应室冷凝器(7)的非冷凝物质(例如空气和饱和蒸气)通过管路(8)排入第一反应室喷射泵(10)。真空系统各级中非冷凝物质的含量可能会变化。随着加在喷射泵上的压力的加大，来自前一级的非冷凝物质中的一部分会凝结，并与已凝结的动力流体一起排出。动力流体通过管路(9)输往喷射泵(10)以保持其中达当的压力。每个喷射泵所用的动力流体可以是未用过的、来自冷凝器的从已冷凝的物质再生的和/或在生产过程中来自别处的工艺蒸气。来自管路(8)的动力流体和非冷凝物质通过管路(11)流出喷射泵，并通过冷凝器(12)吸走。驱动喷射泵和冷凝器的吸力是由真空泵(14)提供的，该真空泵通过管路(13)与冷凝器(12)连接。适用的真空泵包括液体环式泵、喷射泵、喷射-液体环式泵、旋转叶轮增压机-液体环式泵系统，或者本技术领域已知的其它真空泵或真空泵压系统。
一旦原料已形成了所需的低聚物，该溶液就穿过第一道水封(2)而进入第二反应室(C2)。如果反应是在单一容器多个反应室的反应器中进行的，则混合物就通过水封或阀门流过。任何设施，只要能在不同工作压力的反应室之间保持液封，都可采用。其实例包括存水弯管，它的出水口在进水口以上足够的高度，以保持底盘中充满液体(其高度相当于两反应室的最大静压差加上在管中流动的摩擦压力损失)，还可包括其它非圆形流通渠道，但也能实现全面的液封，以防止两室之间的蒸气流通。如果反应是在分开的容器中进行的，可使用带有减压阀的连结两室的管路来做到这一点。
在第二反应室(C2)内，在适当的缩聚催化剂存在的情况下，单体被聚合起来，而过量的二元醇则通过管路(15)被取出而进入冷凝器(16)。来自冷凝器(16)的非冷凝物质则通过管路(17)被排入第二反应室喷射泵(19)。动力流体通过管路(18)被送入喷射泵(19)，以保持适当的喷射泵压力。工艺蒸气、动力流体和空气(由于空气会漏入反应室而存在于系统中)的混合物被从喷射泵(19)排出而通过管路(20)送入级间冷凝器(7)。术语“流体”在这里是指工艺蒸气、动力流体和空气的任意组合。
来自反应室(C2)的反应混合物被输送到反应室(3)内以作下一阶段的反应。反应室(C3)中的压力是借助于通过管路(22)抽吸流体而保持的。所抽出的流体可以直接排入第三反应室喷射泵(26)，也可通过预冷凝器(23)排出，然后通过管路(24)将非冷凝物质排入第三反应室喷射泵(26)。动力流体通过管路(25)输送，这是为保持喷射泵(26)中适当的压力所必需的。从喷射泵(26)排出来的流体是通过管路(27)进入冷凝器(16)的。
在本发明的方法中，冷凝器应完成两种功能。与传统系统相似，冷凝器要冷凝从前一真空级来的流体。但是，本发明中的冷凝器还要预冷凝直接从反应容器抽出的流体。冷凝器的双重功能对构成本发明的单一序列布置的整体是必要的。整体的系统如果没有双重功能的冷凝器就不可能设计出来。再则，从图1与图2的比较中可以清楚地看出，本发明减少的冷凝器、泵、以至阀门、管道和仪表的数量超过半数。每增加一件设备，就增加一分工艺中断和损失年产量的危险。
对每种聚合反应工艺来说，每个反应室都有它必须保持的规定压力范围，以及反应得以继续并防止已冷凝的流体从排出口再返回反应室。如果加在喷射泵上的压力超过预定值(下降压力)，液流方向就会倒转，冷凝液体就会被排回到反应室内。仅仅一次事故就可毁掉数千磅的聚合物，这些聚合物事后必须焚化掉。更有甚者，整个反应必须停顿下来并清洗所有的容器，损失宝贵的生产时间。由此可见，必须仔细选择反应条件，以使裹在蒸气流中离开反应器的能形成固体的物质减到最少，并防止超过喷射泵的下降压力。
对传统工艺来说，优选至少要一种附加的真空水平。在现有技术的系统中要增加这一套东西是不现实的，因为反应器和配套的真空系统投资费用很高。
本发明的系统应具有至少两个反应室，优选是系统中具有至少三个反应室，最优选是四个反应室。
聚对苯二甲酸乙酯方法中的负压部分的优选工作压力通常在以下范围之内：
压力
第一真空水平/反应器30-750乇(4.00-100千帕)
第二真空水平/反应器8-150乇(1.1-20.0千帕)
第三真空水平/反应器1-18乇(0.13-2.4千帕)
第四真空水平/反应器0.2-2.25乇(0.027-0.300千帕)
如果使用三个反应室，则所使用的压力水平应为所列第二至第四水平。如果只用两个水平，则所使用的压力水平应为所列的第三和第四水平。
若伴有合理的停留时间和温度，则这些压力等级会产生出明显地不带淀析固体的冷凝液。若用较小的减压来完成缩聚反应就会产生混浊冷凝液的结果。
为了防止喷射泵上出现反压(这会引起不希望出现的反向排回反应容器的问题)，本发明所用的级间冷凝器是比较大的，能比正常的冷凝器冷凝更多的流体，而且喷射泵设计成比正常的喷射泵能耐受更高的压缩比。喷射泵的下降压力必须是够高，以便于充分实行控制。建议的目标真空水平的控制范围列表如下：
目标 范围第一真空水平/反应器 98乇(13千帕) 80-200乇(10.7-26.7千帕)第二真空水平/反应器 15乇(2千帕) 12-30乇(1.6-4.0千帕)第三真空水平/反应器 4乇(0.53千帕) 3-8乇(0.4-1.1千帕)第四真空水平/反应器 0.75乇(0.1千帕) 0.5-2.25乇(0.07-0.300千帕)
其它目标真空水平的控制范围，在这里公开的范围内，可从本发明的公开内容方便地确定。反应器和喷射泵的压力是使用数字式电子控制系统来监视和保持的。在工业规模化学加工技术中，这样的系统是大家熟知的。
喷射器的基本设计知识在本技术领域是大家熟悉的，在Roper，D.L.和Ryans，J.L.所著，由纽约的McGraw-Hill Book Company于1986年出版的Process Vacuum System Design and Operation一书中也有所描述。但是，使用设备制造商通常所供应的“标准”下降压力的喷射泵，不可能获得所需的下降压力范围。由此可见，“常规”的喷射器必须对其技术规格进行详细的标定。再则，生产不同品种的聚合物所要求的压力是已知的。因此，本领域的技术人员在掌握了本发明的经验后就可能为许多不同的方法设计真空系统。
在贯穿各不相同的反应步骤中，优选的是在许多小步骤中将温度升高而将压力降低。当反应进行到继续生长较长链的聚合物时，反应混合物中不太挥发的组分就变浓了。随着这种物质在较低压力下被泻放进入下一反应步骤中后，这时的蒸气中所含的能在蒸气处理装置中形成固体的物质已经几乎没有了。因此，能形成固体的物质在已凝结的液流中被保持在它们的溶解度极限以下，不会淀析出来。在这种情况下，反应器表面、冷凝器和真空系统的淤积和堵塞问题便大大减少了。
往现有技术的方法中加进额外的反应步骤是非常不理想的。反应器及其冷凝器和真空系统的价格使设计人员不敢考虑额外的一次减压是控制所有蒸气处理系统中固体问题的有生命力的解决办法。而研究人员则集中精力研究在抽气系统中解决固体问题的途径。与此相反，本发明却既降低了反应器的投资，又降低了蒸气装置的投资。
本发明用两种途径显著改善了聚合物生产线的总体可靠性。第一，加进额外的真空水平，其效果是裹带在蒸气中从聚合反应过程出来的可形成固体的物质较少。单是这一点就会显著减少淤积和最终会发生的生产能力损失。第二在新的方法中很少部件会出故障，这就改善了工厂的整体可靠性。请注意，对聚合物生产工艺来说，真空系统中任何单个部件的故障都会导致整个生产过程下降。对传统工艺(图1)和本发明的工艺(图2)的设备数量进行比较，就可明显地看到可靠性的改进程度。
从图1(现有技术)和图2(本发明)的比较中可清楚地看出，本发明的整体式真空系统从根本上是不同的。现有技术的真空系统要用9个冷凝器和6个喷射泵来保持三个反应室内的适当真空水平。本发明的单一序列系统只用4个冷凝器(其中的一个是可任选的预冷凝器(23))和3个喷射泵来为三个反应室提供同样的真空水平。更有甚者，如果用备用泵来压缩到大气压力的话，冷凝器(12)也将可以是任选的。