TW201446326A - 熱虹吸酯化器 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種熱虹吸酯化器設計，其在蒸氣分離器中包含直立擋板。有利地，與傳統熱虹吸酯化器設計相比，該熱虹吸酯化器設計可提供經濟效益。亦描述在用於生產聚對苯二甲酸乙二酯之系統中使用該熱虹吸酯化器設計之方法。

Description

熱虹吸酯化器
本發明係關於新穎熱虹吸酯化器設計以及實施此類新穎設計之系統及方法。
聚(對苯二甲酸乙二酯)(PET)樹脂廣泛生產且例如呈纖維形式及呈瓶型樹脂形式使用。PET通常用於生產飲料及食品容器、熱成形應用、紡織品以及作為工程樹脂。PET為基於單體單元雙-β-羥基對苯二甲酸酯之聚合物，通常由乙二醇與對苯二甲酸(或對苯二甲酸二甲酯)形成。
PET之製造製程一般在一系列熔融相反應器內進行，該等反應器可包括酯化器、上流式預聚合器(UFPP)及精加工機。此等反應器通常在超過270℃之溫度下操作，而工作壓力自第一反應器(酯化器)中之超大氣壓力降至最終反應器(精加工機)中幾乎完全真空。
PET生產之原材料為乙二醇及鄰苯二甲酸。對於生產聚酯纖維而言，鄰苯二甲酸通常為100%對苯二甲酸，但對於瓶型樹脂而言，可含有多達5%間苯二甲酸。催化劑及其他添加劑可在此時添加至製程中，但通常在UFPP第一托盤之前的一些時刻注射。在酯化器中，使乙二醇與對苯二甲酸經由酯化反應而反應，形成寡聚物及作為副產物之水蒸氣。接著寡聚物在UFPP及精加工機中聚合，與乙二醇形成PET聚合物產物以及作為副產物之水。
雖然在每一反應器中在某種程度上均可發生酯化及聚合，但85%-95%之酯化反應在酯化器內完成。對於既定工廠產量，酯化器之尺寸(亦即停留時間)及成本由在所需酯化器反應條件下(亦即溫度及乙二醇與鄰苯二甲酸之饋料莫耳比率)實現足夠酯化之需要決定。酯化器一般可消耗超過70%系統能量輸入，因為酯化器必須將進入的反應物加熱至酯化反應所需之溫度，且此反應需要汽化水副產物及過量使用之乙二醇，以驅動反應向前進行。
已在PET生產系統內實施各種酯化器設計，包括熱虹吸酯化器。熱虹吸酯化器一般包含蒸氣分離器與熱交換器組合。熱交換器可具有：供流體用之垂直延伸之通道及上部流體出口及下部流體入口，該上部出口與熱虹吸系統之側面連通且該下部入口與熱虹吸系統之底部藉由管道迴路連接；容器中用於以維持恆定液位的速率連續抽出酯化產物之溢流構件；容器上部中用於抽出蒸氣之構件；以及用於將冷的反應饋料混合物注射至熱交換器之下部流體入口之構件。此類酯化器設計提供於例如頒予Chapman及Temple之以引用的方式併入本文中之美國專利第3,927,982號中。
雖然熱虹吸酯化器與其他類型酯化器相比提供有力的混合及增強之傳熱，但其可常常遭遇不穩定的再循環速率。該不穩定性可引起在維持酯化器內存量控制方面操作困難。因此，宜提供經修改之酯化器設計以提供增加之再循環速率穩定性且總體節能。
本發明提供一種用於聚(對苯二甲酸乙二酯)生產之熱虹吸酯化器，其可提供更有效的PET生產製程。其進一步提供用於利用該等酯化器生產PET的系統及方法。本發明者已發現與控制熱虹吸酯化器及利用此類酯化器之整個PET生產系統的某些特徵有關之驚人經濟效益。
在本發明之一個態樣中，提供一種改良之熱虹吸酯化器設計，其包含熱交換部件、與熱交換部件流體連通之交越管、蒸氣分離部件及位於蒸氣分離器內且與交越管流體連通之直立擋板部件。
熱虹吸酯化器設計之直立擋板、蒸氣分離器及剩餘組件的特定參數及特徵可變化；可用於本文所述之系統之某些實施例的某些示例性參數如下：
- 在交越管底部上方之直立擋板高度(HRB)可處於以下範圍內：DCO/2HRB HU，其中DCO為交越管之直徑且HU為自交越管底部至直徑開始變窄之蒸氣分離器之高度的高度。在一些實施例中，直立擋板包含底部邊緣且交越管包含底表面，其中直立擋板之底部邊緣之最低點處於與交越管之底表面相同的高度，且其中自底部邊緣最低點量測之直立擋板的高度為交越管高度之至少一半。
- 直立擋板之上流側面之橫截面積(ARu)可與在直立擋板頂部上方之蒸氣分離器的直徑(DVS)有關：0.05π(DVS)2/4ARU 0.95π(DVS)2/4。
- 直立擋板之上流側面之橫截面積(ARu)可與在直立擋板底部以下之蒸氣分離器的直徑(DVSL)有關：0.05π(DVSL)2/4ARU 0.95π(DVSL)2/4。
- 直立擋板壁之形狀可相對於來自交越管之流入物凸出或凹入。
- 直立擋板之底部可與水平線形成0與80度之間的角度。
- 直立擋板之頂部可與水平線形成0與80度之間的角度。
- 蒸氣分離器可為具有通向熱虹吸管之底部盤形或圓錐形末端及通向蒸氣出口之頂部盤形或圓錐形末端的圓筒形容器。
- 蒸氣分離器可為包含兩個圓筒形部分之容器，一個垂直安置在另一個上方且藉由錐形部分彼此接合，其中上部圓筒形部分的直徑比下部圓筒形部分大。下部圓筒形部分用底部盤形或圓錐形末端接合至 熱虹吸管且上部圓筒形部分藉由頂部盤形或圓錐形末端接合至蒸氣出口；
- 自饋料漿液注射點至直立擋板頂部之垂直距離(HTS)可大於或等於約8公尺，亦即HTS 8公尺。
- 蒸氣分離器之直徑可經選擇，使得蒸氣分離器中之向上表面蒸氣速度小於2公尺/秒，其中表面蒸氣速度採用以下來計算：僅存氣體為蒸汽及乙二醇蒸氣，酯化反應100%完成，超過化學計量需要之所有乙二醇均汽化且氣體服從理想氣體理論。
- 直立擋板頂部與蒸氣分離器橫截面開始減小之點之間的垂直距離HFB可處於以下範圍內：0公尺HFB 5公尺。
- 在蒸氣分離器頂部之蒸氣空間中量測之操作壓力可超過1.65個絕對大氣壓。
- 多達100%聚合催化劑可與漿液饋料一起注射至酯化器。
- 酯化器之操作存量可藉由在熱虹吸管中添加一或多個直徑擴大之部分(亦即凸出部分)而增加。
- 凸出部分之直徑(DB)可處於以下範圍內：DTS DB DVS。
- 用於熱交換器中之管之直徑(DT)可處於以下範圍內：0.5吋DT 4吋。
- 熱虹吸管之直徑(DTS)可超過0.2公尺，亦即DTS 0.2公尺。
- 交越管之直徑(DCO)可超過0.2公尺，亦即DCO 0.2公尺。
- 基於熱交換器管外徑，由熱交換器提供的操作液體存量與傳熱表面積之比率可為每平方公尺傳熱表面積超過0.3立方公尺操作液體存量；及/或
- 熱虹吸管向下流動支柱之中心線與熱虹吸管向上流動支柱之中心線之間的水平距離WCLS處於以下範圍內：(DHE+DVS)/2公尺WCLS((DHE+DVS)/2+5)公尺，其中DHE為熱交換器之直徑且DVS為 蒸氣分離器在其最寬點上之直徑。
1‧‧‧熱交換器
2‧‧‧蒸氣分離器
3‧‧‧熱虹吸管
4‧‧‧交越管
5‧‧‧直立擋板
6‧‧‧熱交換器管
7‧‧‧漿液注射噴嘴
8‧‧‧產物排出口
9‧‧‧蒸氣出口
10‧‧‧正常液位
11‧‧‧傳熱流體入口
12‧‧‧傳熱流體出口
13‧‧‧熱虹吸管凸出部分
在已經如此用一般術語描述本發明下，現將參考附圖，其無須按比例繪製且其中：圖1為具有含有與其相關聯之直立擋板之燈泡狀蒸氣分離器的熱虹吸酯化器之示意圖；圖2為圖1之熱虹吸酯化器之示意圖，其中指示組件之各種參數；圖3為圖1之熱虹吸酯化器穿過線A--A之示意性橫截面；圖4為具有含有與其相關聯之直立擋板之筆直側面蒸氣分離器的熱虹吸酯化器之示意圖；圖5為圖4之熱虹吸酯化器之示意圖，其中指示組件之各種參數；圖6為圖4之熱虹吸酯化器穿過線B--B之示意性橫截面；圖7為具有含有與其相關聯之直立擋板之燈泡狀蒸氣分離器且在熱虹吸管中具有凸出部分的熱虹吸酯化器之示意圖；圖8為圖7之熱虹吸酯化器之示意圖，其中指示組件之各種參數；圖9為具有含有與其相關聯之直立擋板之筆直側面蒸氣分離器且在熱虹吸管中具有凸出部分的熱虹吸酯化器之示意圖；以及圖10為圖9之熱虹吸酯化器之示意圖，其中指示組件之各種參數。
目前，在下文中將參考展示一些但非所有本發明實施例之附圖來更充分地描述本發明。實際上，本發明可以許多不同形式具體化，且不應理解為侷限於本文中所闡述之實施例；更確切些，提供此等實 施例以便本發明將符合可應用之法律要求。通篇中相似數字係指相似元件。如本說明書及隨附申請專利範圍中所使用，除非上下文另外清楚規定，否則單數形式「一(a/an)」及「該」包括複數個指示物。
簡言之，本發明提供用於生產聚對苯二甲酸乙二酯(PET)之系統及方法。更特定言之，本發明提供可用於該等系統及方法內的新穎酯化器設計。在一些實施例中，本文所提供之新穎酯化器設計可提供提高之生產率及/或經濟效益。
本文所述之新穎酯化器設計改良已知之熱虹吸酯化器，諸如以引用的方式併入本文中的頒予Chapman及Temple之美國專利第3,927,982號(下文中稱為「'982專利」)中描述之熱虹吸酯化器。熱虹吸酯化器一般為用於例如乙二醇與鄰苯二甲酸酯化以形成寡聚物之系統，其中使酯化產物循環無需機械抽汲。
'982專利中描述之熱虹吸酯化器一般包含酯化容器與熱交換器之組合，該熱交換器具有供流體用之垂直延伸之通道且具有上部流體出口及下部流體入口，該上部出口與反應容器之側面連通且下部入口與反應容器之底部藉由管道迴路連接；容器中用於以維持恆定液位的速率連續抽出酯化產物之溢流構件；容器上部中用於抽出蒸氣之構件；以及用於將冷的反應饋料混合物注射至熱交換器之下部流體入口之構件。使用中，'982專利之熱虹吸酯化器首先用反應產物預填充，加熱至反應溫度，例如250℃至400℃，且接著將冷的反應物漿液抽入熱交換器之下部流體入口中。在熱交換器之入口端中，冷的反應漿液饋料迅速與在反應容器與熱交換器之間再循環的熱反應產物混合，且從而迅速達至反應溫度。一些反應物可在熱交換器及汽化組件內汽化，包括在熱交換器中放出之水及酯化反應之其他揮發性副產物，可形成包含泡沫之液體。液體/泡沫混合物比酯化器之相對垂直側面上熱虹吸管中所含之液體密度低。此密度差使流體在酯化器內循環。經由用於 抽出氣體產物之構件，將副產物蒸氣及過量反應物蒸氣自反應容器移除以維持恆定壓力，且經由所提供之溢流構件將液體反應產物自反應容器連續抽取以維持恆定液位。通常兩種類型之再循環流動為可能的，且已知在某些情況下，既定系統可在該兩種類型的再循環流動之間操作。熱交換器中之泡沫可膨脹或破裂，呈現酯化器中整體存量之變化。此亦可引起不穩定性，使得無法顯著改變酯化器內之整體操作壓力。
在某些實施例中，本發明提供一種熱虹吸酯化器，其可解決與傳統熱虹吸酯化器有關之某些缺點。特定言之，在一些實施例中，提供一種新穎的熱虹吸酯化器設計，其可允許針對相同產量使用較小存量。在一些實施例中，與傳統熱虹吸酯化器相比，此提高生產率(因為在所有其他反應條件同等下，可需要在酯化器中顯著更少的停留時間)。在一些實施例中，熱虹吸酯化器內之較高操作壓力為可能的，因為在一些實施例中，熱虹吸再循環速率在較高酯化壓力下可不顯著降低。繼而在某些實施例中，使用較高操作壓力可允許在酯化器中使用較低過量之乙二醇形成相同產物，導致降低工廠操作成本。在一些實施例中，可維持酯化器內之存量控制。
根據本發明之一個實施例，提供新穎的熱虹吸酯化器設計，其在熱虹吸酯化器之蒸氣分離部分中包含適宜於接收來自交越管之產物流的直立擋板。在一些實施例中，直立擋板可降低通常與熱虹吸酯化器操作有關之不穩定性。因此，在一些實施例中，直立擋板之存在可有助於確保酯化器之存量保持一致。意外地，此類直立擋板之併入可顯著提高酯化器生產率。在一些實施例中，直立擋板可允許在熱虹吸酯化器內使用較高壓力，從而可使反應時間更快(亦即，熱虹吸酯化器內反應物之停留時間更少)。
圖1中說明一個包含此類直立擋板之示例性熱虹吸酯化器。圖1 中說明之酯化器一般包含以下元件：熱交換器1、蒸氣分離器2、熱虹吸管3及交越管4。直立擋板5配合於蒸氣分離器2內且與交越管4之末端流體連通。在正常穩態操作下，熱交換器1、熱虹吸管3、交越管4及直立擋板5用預製之所需酯化產物(亦即PET寡聚物)填充，達至正常液位10。雖然此位準10描繪成蒸氣分離器高度向上約一半，但此不意欲為限制性的且熱虹吸酯化器在較高及較低液位下均可使用。酯化反應之反應物(乙二醇及鄰苯二甲酸)呈漿液形式(在通常在70℃至150℃範圍內之溫度下，然而漿液溫度可更高，諸如200℃，或更低，諸如室溫)經由定位於自熱虹吸管3至熱交換器1之入口下方的漿液注射噴嘴7饋入熱虹吸管3中。漿液可包含各種莫耳比率之反應物；例如乙二醇與鄰苯二甲酸之莫耳比率可在約1：1至約4：1之範圍內。在某些實施例中，乙二醇與鄰苯二甲酸之莫耳比率小於或等於約2：1(例如約1：1與約2：1之間)。注射之反應物漿液迅速與環繞酯化器再循環之預製寡聚物混合，有效地將反應物加熱至非常接近反應所需溫度之溫度(亦即至少約250℃之溫度)。
再循環寡聚物產物因此與新鮮注射之反應物混合，其開始反應且混合物接著經由熱交換器1往上流，其中混合物藉由熱交換器管6中所含之傳熱流體進一步加熱至反應溫度(有效逆轉由冷漿液注射至再循環寡聚物所引起的冷卻效應)。傳熱流體經由傳熱流體入口11供應給熱交換器1且經由傳熱流體出口12離開熱交換器。在停留在熱交換器內期間，添加之大部分過量乙二醇反應物及在乙二醇與鄰苯二甲酸之間的酯化反應中產生的副產物水汽化。熱交換器1中此蒸氣之形成降低流過熱交換器1之寡聚物混合物之密度。正是熱交換器1中負載蒸氣之寡聚物與熱虹吸管3之向下流動部分中基本上無蒸氣寡聚物之間的此密度差，提供驅動熱虹吸酯化器內內含物再循環之動力。
通過熱交換器1後，再循環反應混合物(包括用以預填充系統之寡 聚物、新形成之產物、過量反應物及/或副產物)經由交越管4離開熱交換器，藉由穿過直立擋板5向上流動且流出直立擋板5之頂部而進入蒸氣分離器2。當反應混合物傳入蒸氣分離器2中時，大部分蒸氣靠重力與寡聚物分開。蒸氣向上流動且流出蒸氣出口9，而寡聚物向下流動，通過直立擋板5，進入蒸氣分離器2之主要體積內。
蒸氣分離器2提供供進一步反應之額外停留時間且允許所形成之任何蒸氣與向下流動之寡聚物逆流流動。此蒸氣可離開系統，其中蒸氣將寡聚物遺留在直立擋板5上。流過蒸氣分離器2之寡聚物經由連接至蒸氣分離器2底部之熱虹吸管3離開。熱虹吸管3將蒸氣分離器2之底部連接至熱交換器1入口，以允許寡聚物環繞酯化器再循環。在熱虹吸管3之最低點提供若干產物排出噴嘴，以允許產物在進一步漿液注射之前自酯化器抽出(例如藉由泵，該泵將寡聚物轉移至UFPP以進行PET生產下一步，聚合)。
根據本發明，包括如本文所述之直立擋板在熱虹吸酯化器操作中可具有某些優點。一般應瞭解擋板為流體導流組件。根據本發明適用之直立擋板的形狀、尺寸及特徵可變化。舉例而言，在一些實施例中，直立擋板可具有大於或等於其接觸之交越管直徑(例如圖1及2中描繪之實施例中的4，具有如圖2中所示之直徑DCO)一半之高度。在一些實施例中，直立擋板可具有小於蒸氣分離器單元高度(例如圖1及2中描繪之實施例中的2，具有如圖2中所示之高度HU)之高度。在某些實施例中，直立擋板之高度可在此兩個值之間。因此，在某些實施例中，根據圖1及2中之系統組態，直立擋板可具有由下式表示之高度HRB：
直立擋板壁之形狀可相對於來自交越管4之流凸出或凹入。展示位於蒸氣分離器2內的圖1及2之直立擋板5的橫截面圖提供於圖3中。 外圓描繪蒸氣分離器單元2之壁。圖3之最左邊部分描繪蒸氣分離器單元內直立擋板(向上流動區域)的橫截面積，其中在外圓中心處之圓形曲線描繪直立擋板壁，其相對於來自交越管4之流入物凹入。直立擋板之最大半徑及橫截面積在某些實施例中可變化。然而，直立擋板之最大半徑及橫截面積必須經選擇，以允許足夠向上流動穿過直立擋板及足夠向下流動穿過直立擋板所定位的蒸氣分離器部分，從而確保系統整體有效操作。
在一些實施例中，藉由下式，直立擋板之上流側面之橫截面積(ARu)與在直立擋板頂部上方之蒸氣分離器的直徑(DVS)有關：
在一些實施例中，藉由下式，直立擋板之上流側面之橫截面積(ARu)與在直立擋板底部以下之蒸氣分離器的直徑(DVSL)有關：
在一些實施例中，直立擋板之底部可與水平線形成0與80度之間的角度。類似地，在一些實施例中，直立擋板之頂部可與水平線形成0與80度之間的角度。此等角度可參考圖2之實施例瞭解，其中ABL描繪直立擋板之底部之角度且ABU描繪在直立擋板頂部之角度。在圖1及2中說明之實施例中，注意說明直立擋板之頂部成角(亦即ABU 0度)。此說明不意欲為限制性的且應瞭解在某些實施例中，直立擋板之頂部以及直立擋板之底部可為平坦的(亦即ABU=約0度及/或ABL=約0度)。在某些實施例中，具有水平頂部之直立擋板可為有利的，因為其對擋板可產生較小壓力且與具有成角頂部之直立擋板相比，不太會引起疲勞失效。
內部採用本文所述之擋板的蒸氣分離器2之特定形狀及尺寸可變化。圖1及2中說明之實施例中蒸氣分離器之整體形狀稱為「燈泡」設計。此設計可描述為包含兩個圓筒形部分之容器，一個垂直安置在另 一個上方且藉由錐形部分彼此接合，其中上部圓筒形部分的直徑(例如DVS)比下部圓筒形部分(DVSL)大。下部圓筒形部分用底部盤形或圓錐形末端接合至熱虹吸管且上部圓筒形部分藉由頂部盤形或圓錐形末端接合至蒸氣出口。
燈泡狀蒸氣分離器之壁之角度可變化以提供一系列特定設計。舉例而言，如圖2中所示，角度AVSU及AVSL可在相對於水平線約0°至約80°之範圍內。蒸氣分離器壁之視情況成角部分的長度可變化(垂直高度在圖2指示為HVSC及HVSO)。成角部分之間的垂直壁之高度(圖2中標記為「HVS」)可變化。此外，蒸氣分離器之總直徑(例如最大直徑)(DVS)、蒸氣分離器基座直徑(DVSL)及蒸氣分離器出口之直徑(DC，至蒸氣出口9)可變化。
在另一實施例中，提供熱虹吸酯化器內一種替代性蒸氣分離器設計，如圖4中示意性說明。如該圖中所示，蒸氣分離器2之幾何形態與圖1酯化器中所示之蒸氣分離器相比有所修改。此處，蒸氣分離器具有筆直側面，其在一些實施例中可提供額外益處。舉例而言，此類容器可在不顯著改變整個酯化器佔據面積下提供更大的分離器。在一些實施例中，此類筆直側面蒸氣分離器可在生產方面提供節約成本益處，因為其構建可更簡單。在某些實施例中，筆直側面之蒸氣分離器可描述成具有通向熱虹吸管3之盤形或圓錐形末端及通向蒸氣出口之在蒸氣分離器頂部之盤形或圓錐形末端的圓筒形容器。
在圖4之實施例中，直立擋板5說明為具有水平頂部，而非如圖1之實施例中的成角頂部。再次，此直立擋板幾何形態不意欲為限制性的；更確切些，ABL及ABU角度可在0-80℃變化(參考圖5瞭解，其中描繪圖4系統之各種參數，包括直立擋板底部之角度ABU及在直立擋板頂部之角度ABL)。
圖6說明一種用於採用筆直側面蒸氣分離器(亦即如圖4及5中示意 性說明)之系統的示例性直立擋板之橫截面圖。在此圖中，外圓描繪蒸氣分離器單元(例如圖4及5之實施例中之2)之壁。圖6之最左邊部分描繪蒸氣分離器單元內直立擋板(向上流動區域)的橫截面積，其中在外圓中心處之圓形曲線描繪直立擋板壁，其相對於來自交越管4之流入物凸出。再次，直立擋板之最大半徑及橫截面積在某些實施例中可變化。然而，直立擋板之最大半徑及橫截面積必須經選擇，以允許足夠向上流動穿過直立擋板及足夠向下流動穿過直立擋板所定位的蒸氣分離器部分，從而確保系統整體有效操作。
在一些實施例中，蒸氣分離器(燈泡或筆直側面設計)之直徑可經選擇，使得蒸氣分離器中之向上表面蒸氣速度小於約2公尺/秒，其中表面蒸氣速度假定以下來計算：僅存氣體為蒸汽及乙二醇蒸氣，酯化反應100%完成，超過化學計量需要之所有乙二醇均汽化且氣體服從理想氣體理論。在一些實施例中，直立擋板之頂部與蒸氣分離器橫截面開始減小之點之間的垂直距離(HFB)在約0公尺與約5公尺之間。
以上所述之蒸氣分離器及擋板特徵、熱虹吸酯化器之剩餘組件及其參數(例如直徑、高度、容量、組件之間的距離等)可變化。然而，某些參數可有益於本文所述之熱虹吸酯化器之操作。本申請案中描述之特徵可應用於一系列熱虹吸酯化器設計，其在一些實施例中可提供與傳統熱虹吸酯化器相比進一步的益處。
舉例而言，在一些實施例中，漿液注射點(例如7)與直立擋板頂部之間存在最小垂直距離HTS。在一些實施例中，此高度可影響在熱虹吸酯化器內獲得之再循環速率。在一些實施例中，此高度之最小值宜為約8公尺或更大(例如約8公尺與約20公尺之間)。在一些實施例中，在熱虹吸管(3)之向下流動支柱之中心線與熱虹吸管之向上流動支柱之中心線之間的水平距離WCLS存在較佳範圍，WCLS可相對於熱交換器1之直徑及蒸氣分離器2之直徑定義。舉例而言，在一些實施例 中，此水平距離在由以下表示之範圍內：
其中DHE為熱交換器之直徑(例如熱交換器之最大直徑)，且DVS為蒸氣分離器之直徑(例如最大直徑)。
熱交換器1及其組件之特性亦可變化。熱交換器管6中利用之傳熱流體可為大量傳熱介質之一，其可在液相或氣相中操作達至約340℃之溫度或更高。一種所用之示例性傳熱流體為聯苯與二苯醚之混合物，可作為DOWTHERMTM A(Dow® Corning Corporation)購得，其在氣相中操作。在一些實施例中，用於熱交換器之管6之直徑(DT)可在約0.5吋與約4吋之間。在一些實施例中，基於熱交換器管外徑，藉由熱交換器提供的操作液體存量與傳熱表面積之比率宜為每平方公尺傳熱表面積超過約0.3立方公尺操作液體存量。
在一些實施例中，催化劑可用於熱虹吸酯化器以促進反應。舉例而言，一或多種催化劑可與漿液饋料一起注射至酯化器(入口7)中。催化劑可為已知促進乙二醇與鄰苯二甲酸之間的酯化、寡聚及/或聚合反應之任何類型催化劑。舉例而言，在某些實施例中，催化劑可為有機或無機化合物(例如銻、錫、鈦、鑭、鋅、銅、鎂、鈣、錳、鐵、鈷、鋯或鋁化合物，諸如氧化物、碳酸鹽、乙酸鹽、磷衍生物、烷基或烷基衍生物)或強酸(例如硫酸、磺基鄰苯二甲酸、磺基水楊酸或銻酸)。參見例如EP 812818、WO 99/28033；頒予Duan等人之美國專利第6,998,462號、頒予Wcrbcr等人之美國專利第3,056,818號、頒予Schulthcis等人之美國專利第3,326,965號、頒予Lustig等人之美國專利第5,981,690號；及頒予Kuruan之美國專利第6,281,325號，該等專利以引用的方式併入本文中。在一些實施例中，本文所述之熱虹吸酯化器中催化劑之使用可提高生產率(例如反應更快、酯化器中反應物及產物停留時間更短等)。
在某些實施例中，具有直徑DCO之交越管4之直徑具有最小值，例如約0.2公尺或更大。在一些實施例中，熱虹吸管3具有最小直徑，例如熱虹吸管之直徑(DTS)在一些實施例中可超過約0.2公尺。在某些實施例中，熱虹吸管之直徑(DTS)可沿其長度相對恆定。在某些實施例中，根據本發明之熱虹吸酯化器包含在其中具有一或多個凸出部分(亦即直徑放大之熱虹吸管部分)之熱虹吸管。展示熱虹吸管中之凸出部分的示例性實施例在圖6-7中示意性說明(其中凸出部分指示為熱虹吸管凸出部分13)。圖6及7說明一種具有燈泡狀蒸氣分離器之含凸出部分之熱虹吸管，且圖8及9說明具有筆直側面蒸氣分離器之含凸出部分之熱虹吸管。熱虹吸管中之凸出部分可有利地用以增加酯化器之操作存量。詳言之，在一些實施例中，在此位置(亦即沿熱虹吸管長度之某處)添加凸出部分可為酯化器存量提供此添加之空間，而不顯著影響系統之整體佔據面積。凸出部分之尺寸及形狀可變化。在一些實施例中，凸出部分之直徑DB大於或等於熱虹吸管之直徑(DTS)，但小於或等於蒸氣分離器之直徑(DVS)，例如蒸氣分離器之最大直徑。
在其他實施例中，蒸餾塔可經定位與蒸氣分離器上之蒸氣出口流體連通。來自蒸氣分離器之蒸氣通過單向閥或允許酯化器蒸氣進入蒸餾塔且防止液體進入酯化器之類似裝置，且在蒸餾塔中蒸餾。蒸餾塔之底部可具有液體排出物。
本文所述之熱虹吸酯化器可提供優於傳統熱虹吸酯化器之各種優點。使用中，本發明之熱虹吸酯化器在一些實施例中可在比傳統熱虹吸酯化器高的操作壓力下操作，且在一些實施例中熱虹吸酯化器再循環速率在該等高操作壓力下未顯著降低。此特性與傳統熱虹吸酯化器形成對比，其中酯化器存量之更大不穩定性引起更大的系統不穩定性。在一些實施例中，在本文所述之熱虹吸酯化器中蒸氣分離器頂部的蒸氣空間中量測之操作壓力超過約1.65個絕對大氣壓。在一些實施 例中，因為本文所述之熱虹吸酯化器操作之壓力與傳統熱虹吸操作相比可增加，所以在某些實施例中針對相同反應產量可使用較小存量。在一些實施例中，對於既定反應能力，相同反應能力下，如本文所述之熱虹吸酯化器的尺寸可小於傳統熱虹吸酯化器。
本文所述之熱虹吸酯化器可分批、半連續或連續操作。連續製程為較佳，其中反應物(亦即對苯二甲酸、對於瓶級聚酯樹脂佔總鄰苯二甲酸之低於約5%之間苯二甲酸、及乙二醇)可經由入口7連續引入酯化器中，且其中寡聚物產物可經由產物排出口8連續抽出。有利地，整個熱虹吸酯化器或至少其部分經隔熱，以防止在高溫下操作時的過度熱損失。
使用中，直立擋板之向下流側面上相對於交越管4之液位可變化。圖中，液體經說明為超過交越管4之位準且處於與直立擋板5之最大高度相同的高度下。然而，實際上，直立擋板之向下流側面上的液位可經顯著調節且可在低於交越管底部之位準至超過直立擋板頂部之位準(例如達至蒸氣分離器之(上部)圓筒形部分之頂部)的範圍內。舉例而言，在一些實施例中，直立擋板之向下流側面上之液位可約在交越管之頂部或低於其或更高。雖然在傳統熱虹吸酯化器中，液體超過交越管頂部可引起系統劇烈振動且可導致設備損壞，但本文所述之新穎熱虹吸酯化器在某些實施例中可在變化液位下操作而幾乎無不利影響。
本文所述之含有直立擋板之熱虹吸酯化器的各個優點在提供於下文實驗討論中之實例中更明顯。
實驗
本文所提供之實驗資料係基於以圖說明之實施例。提供基於此等實施例之電腦模型化資料。
實例1：證明提高生產率
藉由製程模型化，使根據本發明之熱虹吸酯化器(亦即如圖1中所說明，「本發明之熱虹吸酯化器1」)與基於美國專利第3,927,982號之揭示內容的熱虹吸酯化器(「傳統熱虹吸酯化器A」)相比。
基於此模型化，顯而易見傳統熱虹吸酯化器A之生產率與本發明熱虹吸酯化器1之生產率相當；然而，傳統熱虹吸酯化器A所需之操作條件更苛刻。在表最後一行中，本發明熱虹吸酯化器1之生產率使用與傳統熱虹吸酯化器A相同的條件模擬。很明顯當在相同條件下操作時本發明之熱虹吸酯化器1比傳統熱虹吸酯化器A生產率高。
實例2：證明在不同條件下提高生產率
藉由製程模型化，根據本發明之熱虹吸酯化器(亦即如圖1中所說明，「本發明之熱虹吸酯化器2」)與基於美國專利第3,927,982號之揭示內容的熱虹吸酯化器(「傳統熱虹吸酯化器B」)相比。
基於此模型化，顯而易見本發明熱虹吸酯化器2之生產率高於傳統熱虹吸酯化器B之生產率，即使本發明熱虹吸酯化器2之操作條件更溫和。在表最後一行中，本發明熱虹吸酯化器2之生產率使用與傳統熱虹吸酯化器B相同之條件模擬。再次，很明顯當在相同條件下操作時本發明之熱虹吸酯化器2比傳統熱虹吸酯化器B生產率高。
實例3：證明減小的傳熱面積需求
將上文在實例1及2中描述之熱虹吸酯化器進行比較以確定各自熱交換面積需求。
在本發明之熱虹吸酯化器設計(1及2)中，大得多之操作體積可由每一平方公尺傳熱面積支持。此意謂使用本發明之熱虹吸酯化器設計，針對既定酯化器體積可使用更小熱交換器，因此針對既定酯化器容量降低投資成本。
實例4：證明降低之能量消耗
藉由製程模型化，將根據本發明之熱虹吸酯化器(亦即如圖1中所說明，「本發明之熱虹吸酯化器3」)與基於美國專利第3,927,982號之揭示內容的熱虹吸酯化器(「傳統熱虹吸酯化器C」)進行比較，以評估在除了漿液莫耳比率外均相同的所有其他操作條件下，在兩種不同 操作壓力下每一者之能量消耗。在較高操作壓力下，可見如藉由寡聚物羧基端基濃度所量測，可降低漿液莫耳比率且仍製成相同寡聚物產物。因此，酯化器能量需求已降低，因此促進工廠操作成本降低。
實例5：證明與添加之催化劑有關之益處
根據本發明之熱虹吸酯化器(亦即如圖1中所說明)之操作在有及沒有聚合催化劑與漿液饋料一起添加至酯化器下模型化。使用操作條件；然而，在聚合催化劑下模型化係基於53.5%聚合催化劑與漿液饋料一起添加至酯化器。
自該表，可見當存在催化劑時酯化器溫度較低且漿液饋料莫耳比率降低。當存在催化劑時，酯化器操作條件在相同停留時間中產生相同寡聚物需要較少能量(如藉由羧基含量量測)，從而使酯化器更節能。
熟習本發明所屬技術者將想起本發明之許多修改及其他實施例，其具有以上描述中呈現之教示的益處。因此，應瞭解本發明不侷限於所揭示之特定實施例且修改及其他實施例意欲包括在隨附申請專利範圍之範疇內。雖然本文中採用專用名詞，但其僅在通用及敍述性 意義上使用且無限制之目的。
1‧‧‧熱交換器
2‧‧‧蒸氣分離器
3‧‧‧熱虹吸管
4‧‧‧交越管
5‧‧‧直立擋板
6‧‧‧熱交換器管
7‧‧‧漿液注射噴嘴
8‧‧‧產物排出口
9‧‧‧蒸氣出口
10‧‧‧正常液位
11‧‧‧傳熱流體入口
12‧‧‧傳熱流體出口

Claims (26)

  1. 一種熱虹吸酯化器，其包含熱交換部件、與該熱交換部件流體連通之交越管、蒸氣分離部件及位於該蒸氣分離器內且與該交越管流體連通之直立擋板部件。
  2. 如請求項1之熱虹吸酯化器，其中該直立擋板包含底部邊緣且該交越管包含底表面，其中該直立擋板之該底部邊緣之最低點處於與該交越管之該底表面相同的高度，且其中自該底部邊緣處之其最低點量測之該直立擋板的高度為該交越管高度之至少一半。
  3. 如請求項1之熱虹吸酯化器，其中該直立擋板之該高度至少等於該交越管之該高度。
  4. 如請求項1之熱虹吸酯化器，其中該直立擋板之該高度HRB係由下式描述：DCO/2HRB HU。
  5. 如請求項1之熱虹吸酯化器，其中該直立擋板之橫截面積係由下式描述：0.05π(DVS)2/4ARU 0.95π(DVS)2/4。
  6. 如請求項1之熱虹吸酯化器，其中該直立擋板之該橫截面積係由下式描述：0.05π(DVSL)2/4ARU 0.95π(DVSL)2/4。
  7. 如請求項1之熱虹吸酯化器，其中該直立擋板相對於該交越管凸出。
  8. 如請求項1之熱虹吸酯化器，其中該直立擋板相對於該交越管凹入。
  9. 如請求項1之熱虹吸酯化器，其中該直立擋板包含與水平線形成0與80度之間的角度之頂部邊緣及與水平線形成0與80度之間的角度之底部邊緣。
  10. 如請求項1之熱虹吸酯化器，其中該蒸氣分離器為具有與熱虹吸 管流體連通之底部盤形或圓錐形末端及與蒸氣出口流體連通之頂部盤形或圓錐形末端的圓筒形容器。
  11. 如請求項1之熱虹吸酯化器，其中該蒸氣分離器包含垂直安置在第二圓筒形部分上方且接合於其之第一圓筒形部分，其中該第一圓筒形部分的直徑比該下部圓筒形部分大且具有與蒸氣出口流體連通之頂部盤形或圓錐形末端，且其中該第二圓筒形部分具有與熱虹吸管流體連通之底部盤形或圓錐形末端。
  12. 如請求項10或11之熱虹吸酯化器，其中該直立擋板之該頂部邊緣與該頂部盤形或圓錐形末端之間的垂直距離係在約0與約5公尺之間。
  13. 如請求項10或11之熱虹吸酯化器，其中該熱虹吸管具有約0.2公尺或更大之直徑。
  14. 如請求項10或11之熱虹吸酯化器，其中該熱虹吸管包含凸出部分。
  15. 如請求項14之熱虹吸酯化器，其中該凸出部分之直徑係由下式表示：DTS DB DVS。
  16. 如請求項1之熱虹吸酯化器，其中該交越管具有約0.2公尺或更大之直徑。
  17. 如請求項1之熱虹吸酯化器，其中該熱交換器包含複數個熱交換液體通過之熱交換管，其中該等熱交換管之直徑係在約0.5吋與約4吋之間。
  18. 如請求項17之熱虹吸酯化器，其中該複數個熱交換管提供允許每平方公尺傳熱表面積至少0.3立方公尺操作液體存量之傳熱面積。
  19. 如請求項1之熱虹吸酯化器，其進一步包含安置在該熱交換器上游之饋料漿液注射口，其中該饋料漿液注射口與該直立擋板之 該頂部邊緣之間的垂直距離為8公尺或更大。
  20. 一種用於生產聚對苯二甲酸乙二酯之系統，其包含如請求項1之熱虹吸酯化器。
  21. 一種生產聚對苯二甲酸乙二酯之方法，其包含將包含乙二醇與鄰苯二甲酸之漿液注射至如請求項1之熱虹吸酯化器中。
  22. 如請求項21之方法，其中該蒸氣分離器包含壓力超過約1.65個絕對大氣壓之蒸氣空間。
  23. 如請求項21之方法，其中乙二醇與鄰苯二甲酸之比率係在約1：1與約4：1之間。
  24. 如請求項21之方法，其中乙二醇與鄰苯二甲酸之比率係在約1：1與約2：1之間。
  25. 如請求項21之方法，其中該漿液進一步包含催化劑。
  26. 如請求項1之熱虹吸酯化器，其進一步包含與該蒸氣分離器上之該蒸氣出口流體連通之蒸餾塔。
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