一种聚酯反应器及控制聚酯反应温度的方法
技术领域
本发明涉及聚酯生产领域，特别涉及一种聚酯反应器及控制聚酯反应温度的方法。
背景技术
中国聚酯类产品产能占世界聚酯工业产能的60％以上，但是基本都是在外国80年代的技术上发展起来的全混流酯化+平推流增粘的技术，至今技术上没有根本的突破，目前万吨-十万吨级别的装置占主流，存在装置占地面积大、投资高、能耗高、三废处理量大的问题。
发明内容
本申请通过提供一种聚酯反应器，以降低生产聚酯设备的占地面积，并通过该种聚酯反应器直接对三废进行无害化处理；本申请还提供了一种采用该种聚酯反应器控制聚酯反应温度的方法。
本申请实施例提供了一种聚酯反应器，包括：
壳体，所述壳体的上端为进料口、下端为出料口，所述壳体内设有与所述进料口、出料口连通的内腔；
酯化单元，所述酯化单元至少有一个且设置于所述内腔中，所述酯化单元用于使原料进行酯化反应，所述酯化单元包括：
废气处理区，所述废气处理区与所述内腔不连通，所述废气处理区用于填充催化燃烧催化剂；
反应管，所述反应管有多个且沿竖向设置，所述反应管的管壁位于所述废气处理区中，所述反应管沿竖向开设有反应通道，所述反应通道的两端分别与所述内腔连通，所述反应管的管壁用于阻碍液体或者高分子的通过；
进气口，所述进气口设置于所述壳体并与所述废气处理区连通，所述进气口位于所述酯化单元的下端；
进气管，所述进气管至少有一根且与所述进气口连接；
排气口，所述排气口设置于所述壳体并与所述废气处理区连通，所述排气口位于所述酯化单元的上端。
将化合物原料通过进料口加入内腔中，原料进入反应通道中，同时由进气管通入高温可燃气，可燃气优选为氧气或者空气，由高温可燃气预热反应管，使原料在180℃-300℃的温度区间内进行酯化反应，生成的小分子副产物和气体通过反应管的管壁进入废气处理区，并与氧气在催化燃烧催化剂的作用下发生氧化反应生成洁净尾气，洁净尾气由排气口排出，氧化反应产生的热量用以维持酯化反应的进行。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步地：所述酯化单元还包括：
上封板，所述上封板将所述反应管的上端固定；
下封板，所述下封板将所述反应管的下端固定；
分布器，所述分布器设置于所述反应管的上方；
其中，所述上封板、下封板、反应管外壁、内腔内壁形成的密封空间为所述废气处理区，所述进气管有三根，所述进气管安装有流量调节阀。本步的有益效果：由进气管分别控制助燃气、可燃气、惰性气的通入，实现对酯化反应温度的控制。
进一步地：所述酯化单元还包括：所述上封板、下封板焊接于所述内腔的内壁。
进一步地：所述酯化单元可拆卸的设置于所述内腔中。
进一步地：所述聚酯单元还包括：
密封圈一，所述上封板和下封板的外周开设有密封圈槽，所述密封圈一安装于所述密封圈槽中；
环形套，所述环形套有两个且分别对应设置于所述上封板的上方及下封板的下方；
密封垫，所述密封垫有两个且分别设置于所述环形套与上封板、环形套与下封板之间。本步的有益效果：通过密封圈一确保废气处理区与内腔的隔离性，并由环形套实现聚酯单元可拆卸的设置于内腔中。
进一步地：所述壳体为多段结构，相邻两端之间通过法兰密封连接。本步的有益效果：通过多段结构便于更换其中的酯化单元。
进一步地：所述酯化单元有两个且分别为酯化段和增粘段，酯化段位于增粘段的上方，所述增粘段的排气口与所述酯化段的进气口连通。本步的有益效果：通过设置两个酯化单元，便于分别对酯化反应进行控制，过酯化段进一步利用增粘产生尾气的热量，降低能源的消耗。
本申请实施例还提供了一种上述聚酯反应器控制聚酯反应温度的方法，包括如下步骤：
S1.测量实际反应温度t1；
S2.将t1与设定温度t2进行比较，其中t2为180℃-300℃，根据比较结果控制助燃气、可燃气、惰性气的进气量。
进一步地：当t2大于t1时，通过所述进气口通入惰性气或者助燃气；
当t2小于t1时，通过所述进气口通入可燃气。
本申请实施例还提供了一种上述聚酯反应器在生产聚酯中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、在生产聚酯的同时将酯化反应生成的副产物进行无害化处理；
2、能够充分利用增粘段产生的洁净尾气的温度去维持酯化段的酯化反应的进行，降低了能源的消耗；
3、该种反应器可通过增加反应管的数量直接进行反应规模的放大，不需要经过复杂的计算和中试放大试验；
4、相对于生产聚酯常用的反应釜，该种立式的聚酯反应器占地面积小，并且无需配套三废处理装置去处理酯化反应生成的副产物，极大的降低了聚酯生产成本，并且提高了安全性；
5、通过三根进气管分别通入助燃气、可燃气、惰性气的方式，以实现控制反应温度的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为实施例一的结构示意图；
图2为图1中A的局部放大图；
图3为图1中B的局部放大图；
图4为实施例二的结构示意图；
图5为图4中C的局部放大图；
图6为图4中D的局部放大图。
其中，
1壳体，101进料口，102出料口，103内腔，104法兰结构，105密封圈二；
2酯化单元，201废气处理区，202反应管，203进气口，204排气口，205进气管，206催化燃烧催化剂，207反应通道，208上封板，209下封板，210通孔，211密封圈槽，212密封圈一，213环形套，214密封垫，215分布器，216流量控制阀，217管一，218管二，219管三，220酯化段，221增粘段；
3温度计。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个及以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，机械连接的方式可以在现有技术中选择合适的连接方式，如焊接、铆接、螺纹连接、粘接、销连接、键连接、弹性变形连接、卡扣连接、过盈连接、注塑成型的方式实现结构上的相连；也可以是电连接，通过电传递能源或者信号；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
通过采用立式的反应器以减小聚酯生产设备的占地面积，在聚酯反应器中设置废气处理区，将酯化反应生成的副产物进行无害化处理。
实施例一
如图1所示，一种聚酯反应器，包括：壳体1、酯化单元2，壳体1沿竖向设置，壳体1的上端设置有进料口101、下端设置有出料口102，壳体1内设有与进料口101、出料口102连通的内腔103，酯化单元2有一个且设置于内腔103中，酯化单元2将内腔103分隔开，原料从酯化单元2中通过并在酯化单元2中发生酯化反应，生成聚酯并从酯化单元2流出。
如图1、2所示，酯化单元2包括：废气处理区201、反应管202、进气口203、排气口204、进气管205，废气处理区201与内腔103不连通，废气处理区201中填充有催化燃烧催化剂206，催化燃烧催化剂206优选为蜂窝窝状陶瓷或发泡金属或颗粒陶瓷，反应管202沿竖直方向设置，反应管202的管壁位于废气处理区201中，反应管202有多根且相互间隔并联设置在一起，反应管202沿竖直方向开设有反应通道207，反应通道207为通孔210，反应通道207的两端分别与内腔103连通，反应管202的管壁用于阻碍液体或者高分子的通过，而气体分子可以通过反应管202的管壁进入废气处理区201中，具体的，反应通道207的直径在5～500之间微米，反应管202的间距是反应管202直径的2～5倍，反应管202的个数为5～500根/个酯化单元2，反应管202采用无机耐热材料制成，优选无机陶瓷膜材料或开孔的金属管衬陶瓷膜；壳体1外壁还设置有与废气处理区201连通的进气口203与排气口204，进气口203位于酯化单元2的下端，排气口204位于酯化单元2的上端，进气口203与进气管205的一端连通，进气管205用于朝向废气处理区201通入高温助燃气，高温助燃气优选为氧气或者空气，由助燃气对酯化单元进行预热，使得原料在酯化单元达到180℃-300℃的反应温度，原料在反应通道中生成的副产物(如乙醛、水、环氧乙烷、四氢呋喃、乙交酯等)通过反应管的管壁进入废气处理区，由助燃气、催化燃烧催化剂206与酯化单元2中酯化反应产生的小分子化合物产生反应，生成二氧化碳和水并由排气口204排出，进气管205还安装有流量控制阀216，通过流量控制阀216控制通入的助燃气的进气量。
如图2、3所示，酯化单元2还包括：上封板208、下封板209，上封板208将反应管202的上端固定，下封板209将反应管202的下端固定，具体的，上封板208与下封板209对应于反应管202开设有相匹配的通孔210，反应管202的上下两端分别通过上封板208与下封板209开设的通孔210伸出至外侧，反应管202与上封板208、下封板209密封固定为一体，可以采用如胶粘、焊接等方式实现固定连接，上述废气处理区201为上封板208的下端表面、下封板209的上端表面、反应管202的外壁、内腔103的内壁形成与内腔103隔离开的密闭空间为废气处理区201。
具体的，如图2所示，上封板208与下封板209可以直接焊接于壳体1，从而实现上封板208与下封板209之间的密封连接，确保废气处理区201与内腔103隔离开，上封板208、下封板209与壳体1间也可以采用可拆卸的方式进行密封连接，具体结构如下，上封板208、下封板209的外周开设有环形的密封圈槽211，密封圈槽211中套设有密封圈一212，密封圈一212为耐高温密封圈，密封圈与内腔103的内壁接触，从而确保上封板208与下封板209之间形成的废气处理区201与内腔103密封隔离开，而内腔103的管壁还通过螺栓连接有两个环形套213，其中一个环形套213设置于上封板208的上方，另一个环形套213设置于下封板209的下方，环形套213分别与对应的上封板208、下封板209之间设置有密封垫214，由环形套213将对应的密封垫214压紧于对应的上封板208和下封板209，并使得上封板208和下封板209定位，设置密封垫214的目的在于，将上封板208、下封板209与对应的环形套213的硬性接触改为柔性接触，从而减小磨损，保证定位的稳定性。
如图1所示，壳体1可以直接焊接而成，也可以由多段组装而成，多段组装而成的具体结构如下，每段之间通过法兰结构104连接，法兰接触面之间设置有密封圈二105，通过密封圈二105实现壳体1各段之间的密封连接，多段连接的优势的在于，便于维修或者直接更换酯化单元2，以提高该种反应器的使用寿命，并且通过多段结构便于对聚酯反应器的结构进行调整，改变聚酯反应器的长度，安装不同长度与数量的酯化单元2，从而用于制备不同的聚酯化合物，提高该种聚酯反应器的易用性。
如图1所示，所述酯化单元2还包括：分布器215，分布器215设置于反应管202的上方并与上封板208间隔设置，分布器215固定于内腔103的内壁，分布器215为液体分布器215，用于将液体原料均匀分布至反应通道207中。
该种聚酯反应器在使用过程中，将原料通过进料口投入反应通道中，同时由进气管通入高温助燃气，高温助燃气对酯化单元进行加热，使得反应通道中的化合物原料在180℃-300℃的温度区间中进行酯化反应，酯化反应生成的副产物经过反应管的管壁进入废气处理区中，副产物与可燃气在催化燃烧催化剂的催化下进行氧化反应，生成洁净尾气并通过排气口排出，同时由氧化反应放热以维持酯化反应的进行，酯化反应生成的聚酯产品通过出料口排出。
该种聚酯反应器不仅能够生产聚酯，同时还能够将化合物原料在酯化反应过程中生产的副产物一并处理生成洁净尾气，该种聚酯反应器主要用于生产粘度在10～200pa.s之间的低粘度聚酯。
实施例二
实施例二与实施例一的不同之处在于：
如图3-6所示，实施例二中的进气管有三根且分别为管一217、管二218、管三219，三根进气管连接于进气口，每根进气管都安装有流量控制阀216，其中，管一217用于朝向废气处理区通入高温助燃气，管二218与进气口连通并用于朝向废气处理单元通入可燃气，助燃气优选为空气或者氧气，管三219与进气口连通并用于朝向废气处理单元通入惰性气体，惰性气优选为氮气。
如图3所示，本实施例中采用两个酯化单元2但不限于采用两个酯化单元2，该两个酯化单元2沿竖向间隔排列于内腔103中，具体的，两个酯化单元2分别命名为酯化段220、增粘段221，酯化段220位于增粘段221上方，物料进入酯化段220和增粘段221发生的反应相同，而酯化段220主要用于提高物料的温度使得物料在酯化段220进行酯化反应，进行初步酯化作业，而增粘段221是为了使物料进一步反应，增加酯化反应生成的聚酯的粘度，进行增粘作业，所以该种结构的聚酯反应器适用于生产粘度在200～5000pa.s之间的高粘度聚酯。
酯化段220与增粘段221的不同之处在于，酯化段220的长度大于增粘段221的长度，具体为酯化段220中反应管202的长度大于增粘段221中反应管202的长度，原因在于，物料以常温状态进入酯化段220，由进气管205通入高温的助燃气使得酯化段220升温，物料在反应通道207内从常温升温至反应温度需要经过一定的时间，从而增加酯化段220反应管202的长度以增加反应通道207的换热面积，便于将物料提高到合适的反应温度。
如图3所示，内腔103中下方的酯化单元2的排气口204与上方酯化单元2的进气口203连通，即增粘段221中的排气口204与酯化段220的进气口203连通，这么设计的目的在于，增粘段221中通入的助燃气与增粘段221中酯化反应产生的副产物(如乙醛、水、环氧乙烷、四氢呋喃、乙交酯等)，在催化燃烧催化剂206的作用下发生氧化反应，生成二氧化碳和水，生成的水在高温下气化与二氧化碳作为洁净尾气具有很高的温度，将该洁净尾气通入酯化段220，利用其高温以维持酯化段220的反应，最终和酯化段220生成的洁净尾气从酯化段220的排气口204排出。
如图3所示，该种聚酯反应器还包括温度计3，本实施例中的温度计3有三个，酯化段220、增粘段221、酯化段220的排气口204各设置有一个温度计3，温度计3用于监控对应部位的温度，从而便于人工根据温度计3的显示去控制酯化段220、增粘段221的反应温度，而在酯化段220的排气口204设置温度计3的目的在于，监控该排气口204的温度，该排气口204排出的洁净尾气温度需要控制在100℃以下，如果该排气口204的温度过高，则说明洁净尾气的温度没用能够被充分用于促进物料的酯化反应，需要控制助燃气的进气温度以及助燃气、可燃气的进气量以降低排气口204的温度。
原料或产品在反应通道207中的流动可以通过机泵驱动的方式进行，亦直接通过重力使得原料或产品进行流动；为了便于酯化反应生成的小分子通过反应管202的管壁进入废气处理区201中，应使得反应通道207中的压强高于废气处理区201中的压强，即形成压差使得小分子更容易运动至废气处理区201中，生产中通过采用在酯化段220的排气口204增加真空泵进行抽气的方式，以降低废气处理区中的压强，以利于分子的扩散运动。
将原料通过进料口加入酯化段的反应通道中，由酯化段的进气口通入高温助燃气，使得酯化段中的原料在180℃-300℃的温度区间内进行初步的酯化反应，原料在酯化段进行初步酯化反应后进入增粘段，由增粘段的进气口通入高温助燃气，使得增粘段中的原料在180℃-300℃之间的温度区间内进一步酯化反应，生成高分子聚合物；通过温度计读数，当酯化反应温度低于设定温度时，由进气口通入可燃气，由可燃气进行氧化反应释放热量以维持酯化反应的温度；当温度高于设定温度时，由进气口通入大量常温助燃气以带走热量，从而降低反应温度，或者直接通入惰性气，以降低氧化反应的速率，减少热量的产生，同时大量通入惰性气还能实现紧急停车的功能。
该种聚酯反应器的优点如下：
1、在生产聚酯的同时将酯化反应生成的副产物进行无害化处理；
2、能够充分利用增粘段产生的洁净尾气的温度去维持酯化段的酯化反应的进行，降低了能源的消耗；
3、该种反应器可通过增加反应管的数量直接进行反应规模的放大，不需要经过复杂的计算和中试放大试验；
4、通过三根进气管分别通入助燃气、可燃气、惰性气的方式，以实现控制反应温度的功能；
5、相对于生产聚酯常用的反应釜，该种立式的聚酯反应器占地面积小，并且无需配套三废处理装置去处理酯化反应生成的副产物，极大的降低了聚酯生产成本，并且提高了安全性。
实施例三
一种采用实施例二的反应器控制聚酯反应温度的方法，包括如下步骤：
S1.通过温度计测量酯化段与增粘段的实际反应温度t1；
S2.将t1与设定温度t2进行比较，其中t2为180℃-300℃，根据比较结果控制助燃气、可燃气、惰性气的进气量，具体控制方式如下：
当t2大于300℃时，通过进气口通入惰性气，通过惰性气降低副产物与可燃气氧化反应的速率，或者还可以通入大量的常温助燃气将氧化反应产生的热量带走，从而使反应温度下降；
当t2小于180℃时，通过进气口通入可燃气，由可燃气促进副产物的燃烧，从而释放出热量以提高反应温度；
当t2在180℃-300℃之间时，通入助燃气以保证氧化反应的进行。
实施例三
一种实施例二中的聚酯反应器在生产聚酯中的应用，包括如下步骤：
S1.将对苯二甲酸与丙二醇通过进料口加入内腔中，对苯二甲酸与丙二醇经过分布器均匀分布至酯化段的反应通道中，由酯化段的进气口通入氧气使酯化段中的反应温度达到220℃，对苯二甲酸与丙二醇在酯化段中的反应通道中发生酯化反应；
S2.对苯二甲酸与丙二醇及酯化反应的产物通过酯化段后经分布器均匀分布至增粘段的反应通道中，由增粘段的进气口通入氧气使增粘段中的反应温度达到280℃，对苯二甲酸与丙二醇在增粘段的反应通道中进一步发生酯化反应；
S3.将出料口流出的酯化反应生成的聚酯化合物进行收集。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
