TW201507775A - 熱虹吸酯化器蒸汽之再利用 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於使在蒸氣分離器中包括上升管擋板之熱虹吸酯化器設計內產生之高溫及/或高壓蒸汽再循環。有利地，該熱虹吸酯化器設計可提供可用於多種其他製程中之蒸汽，且因此可提供操作該熱虹吸酯化器時之總能量節省。本發明亦闡述使用該蒸汽之方法。

Description

熱虹吸酯化器蒸汽之再利用
本發明係關於使來自新穎熱虹吸酯化器設計之廢熱再循環之製程及可實施該等製程之系統。
聚(對苯二甲酸乙二酯)(PET)樹脂係廣泛地以例如纖維形式及瓶用樹脂形式來生產及使用。PET通常用於生產飲料及食品容器、熱成形應用、紡織物且用作工程樹脂。PET係基於通常自乙二醇及對苯二甲酸形成之單體單元雙-β-羥基對苯二甲酸酯(或對苯二甲酸二甲酯)之聚合物。
PET之製造製程通常係在一系列熔融相反應器中實施，該等反應器可包含酯化器、上流式預聚合器(UFPP)及後縮聚器(finisher)。該等反應器通常係在大於270℃之溫度下操作，同時操作壓力自第一反應器(酯化器)中之超大氣壓力減小至最後反應器(後縮聚器)中之接近完全真空。
用於PET生產之原材料為乙二醇及苯二甲酸。苯二甲酸通常係用於產生聚酯纖維之100%對苯二甲酸，但可含有高達5%之用於瓶用樹脂之間苯二甲酸。可在任一點處將觸媒及其他添加劑添加至製程中，但通常在UFPP之第一托盤前之某一點處進行注射。在酯化器中，經由酯化反應使乙二醇與對苯二甲酸反應，以形成寡聚物及作為副產物之水蒸氣。然後使寡聚物在UFPP及後縮聚器中聚合，以形成PET聚合 物產物與作為副產物之乙二醇及水。
儘管在每一反應器中可發生一定程度之酯化及聚合，通常85%-95%之酯化反應係在酯化器內完成。藉由對在所需酯化器反應條件(即溫度及乙二醇對苯二甲酸之進料莫耳比)下完成足夠酯化之需要來確定用於給定設備生產量之酯化器之大小(即滯留時間)及成本。酯化器通常可消耗輸入至系統之70%以上之能量，此乃因酯化器必須將引入反應物加熱至酯化反應所需之溫度，且此反應需要氣化水副產物及過量乙二醇以用於驅動反應向前進行。
已在PET產生系統(包含熱虹吸酯化器)中實施多種酯化器設計。熱虹吸酯化器通常包括蒸氣分離器與熱交換器之組合。熱交換器可具有垂直延伸之流體通道以及上部流體出口及下部流體入口，上部出口與熱虹吸系統連通，且下部入口藉由導管迴路與熱虹吸系統之底部連接；在容器中用於以維持恆定液位之速率連續抽出酯化產物之溢出構件；在容器上部用於抽出蒸氣之構件；及用於將冷反應物進料混合物注射至熱交換器下部流體入口中之構件。該等酯化器設計提供於例如頒予Chapman及Temple之美國專利第3,927,982號中，該專利以引用方式併入本文中。
儘管熱虹吸酯化器與其他類型之酯化器相比提供劇烈混合及增強的熱轉移，但其通常可經歷不穩定的再循環速率。該不穩定性可導致維持酯化器內之存量控制方面之操作困難。因此，有利地提供經改良之酯化器設計以提供增加的再循環速率穩定性及總能量節省。
此外，由於該等系統可在高溫下穩定地操作，故可有利地利用由此產生之所得氣化副產物來為使用該等系統提供其他效率及成本益處。
本發明提供使在如本文所闡述之熱虹吸酯化器中產生之副產物 (例如，熱及蒸汽)再循環之系統及方法。該方法可適於用於聚(對苯二甲酸乙二酯)生產之熱虹吸酯化器，其可提供更有效之PET生產製程。 本發明者已發現，與本文所闡述之新穎熱虹吸酯化器可在其下操作之高溫相關之令人驚奇的經濟益處。
蒸汽再循環製程所基於之新穎熱虹吸酯化器設計通常包括熱交換部件、與熱交換部件流體連通之交叉管道、蒸氣分離部件及位於蒸氣分離器內且與交叉管道流體連通之上升管擋板部件。上升管擋板、蒸氣分離器及熱虹吸酯化器設計之其餘組件的特定參數及特徵可如本文所更詳細闡述來變化。
在某些實施例中，自使用該熱虹吸酯化器(例如，作為聚對苯二甲酸乙二酯(PET)生產製程之第一階段)產生之副產物蒸汽可在高於自傳統熱虹吸酯化器釋放之蒸汽的溫度下自熱虹吸酯化器釋放。在一些實施例中，自使用該熱虹吸酯化器產生之副產物蒸汽另外可在高於自傳統熱虹吸酯化器釋放者之壓力下自熱虹吸酯化器釋放。因此，可自製程抽出高熱值產物用於其他應用。
在本發明之一態樣中提供包括以下步驟之方法：A.自熱虹吸酯化器抽出蒸汽，該酯化器包括熱交換部件、與熱交換部件流體連通之交叉管道、蒸氣分離部件及位於蒸氣分離器內且與交叉管道流體連通之上升管擋板部件；及B.將蒸汽用於需要能量輸入之製程中。所抽出之蒸汽副產物可自例如蒸氣分離部件抽出。在某些實施例中，將蒸汽用於該製程中可用於降低操作熱虹吸酯化器(例如，在PET生產製程中)所需之能量，此乃因來自使用蒸汽之能量節省可抵消必須添加至系統中之能量。
在一些實施例中，所抽出蒸汽係在約105℃或更高之溫度下，包含約110℃或更高、約120℃或更高、約130℃或更高、約140℃、約105℃至約130℃、約105℃至約12()℃或約120℃至約140℃。在一些實 施例中，所抽出蒸汽係在約1.2巴絕對壓力(barA)或更高之壓力下，包含約1.5barA或更高，包含約2.0barA或更高、約3.0barA或更高、約4.0barA、約1.2barA至約3.0barA、約1.2barA至約2.0barA或約2.0barA至約4.0barA。
在一些實施例中，本文所闡述之方法可進一步包括通過佈置於熱交換器上游之進料漿液注射埠來添加反應物。在某些實施例中，可在添加之前藉由與蒸汽進行熱交換來加熱一或多種反應物。反應物可包括例如乙二醇及苯二甲酸，其中乙二醇及苯二甲酸在熱虹吸酯化器內反應產生寡聚物。
與採用蒸汽相關之能量節省可變化，且可為例如約5kJ/kg至約100kJ/kg由酯化器製得之寡聚物、約10kJ/kg至約90kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或約20kJ/kg至約80kJ/kg由酯化器製得之寡聚物，或可為約50kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高。在一些實施例中，該製程可降低系統所產生之廢水量，此乃因來自酯化(例如，來自PET酯化)之水副產物可以蒸汽形式用於多種目的。
在本發明之另一態樣中提供減少工業製程之所需能量輸入之方法，該方法包括：A.在一定條件下操作熱虹吸酯化器以提供處於約105℃或更高之溫度及約1.5bar或更高之壓力下之蒸汽副產物；B.抽出蒸汽副產物；及C.使用蒸汽副產物來提供工業製程之所需能量輸入之一部分。在一些實施例中，熱虹吸酯化器包括熱交換部件、與熱交換部件流體連通之交叉管道、蒸氣分離部件及位於蒸氣分離器內且與交叉管道流體連通之上升管擋板部件。蒸汽副產物可自例如蒸氣分離部件抽出。
在一些該等實施例中，在約115℃或更高之溫度下提供蒸汽副產物，且在一些該等實施例中，在約2bar或更高之壓力下提供蒸汽副產物。其中使用蒸汽副產物之工業製程可變化；在某些實施例中，工業 製程係納入熱虹吸酯化器之製程。總之，工業製程之所需能量輸入可以不同之量減少，例如在一些實施例中減少約5%或更高。
1‧‧‧熱交換器
2‧‧‧蒸氣分離器
3‧‧‧熱虹吸管道
4‧‧‧交叉管道
5‧‧‧上升管擋板
6‧‧‧熱交換器管
7‧‧‧漿液注射噴嘴
8‧‧‧產物排放出口
9‧‧‧蒸氣出口
10‧‧‧正常液位
11‧‧‧熱轉移流體入口
12‧‧‧熱轉移流體出口
13‧‧‧熱虹吸管道凸起部
AVSU‧‧‧角
AVSL‧‧‧角
ABL‧‧‧角
ABU‧‧‧角
DB‧‧‧直徑
DC‧‧‧直徑
DCO‧‧‧直徑
DHE‧‧‧直徑
DVS‧‧‧直徑
DVSL‧‧‧直徑
DT‧‧‧直徑
DTS‧‧‧直徑
HFB‧‧‧高度
HVSO‧‧‧高度
HVS‧‧‧高度
HVSC‧‧‧高度
HRB‧‧‧高度
HU‧‧‧高度
HTS‧‧‧高度
WCLS‧‧‧水平距離
鑒於已如此概括地闡述本發明，現將參照附圖，該等附圖不必按比例繪製，且其中：圖1係具有含有與其相關聯之上升管擋板之燈泡形蒸氣分離器之熱虹吸酯化器之示意性圖解說明。圖2係圖1熱虹吸酯化器之示意性圖解說明，其中指示組件之多個參數；圖3係具有與其相關聯之上升管擋板之實例性燈泡形蒸氣分離器之示意性橫截面；圖4係具有含有與其相關聯之上升管擋板之直邊型蒸氣分離器之熱虹吸酯化器的示意性圖解說明；圖5係圖4熱虹吸酯化器之示意性圖解說明，其中指示組件之多個參數；圖6係具有與其相關聯之上升管擋板之實例性直邊型蒸氣分離器之示意性橫截面；圖7係具有含有與其相關聯之上升管擋板之燈泡形蒸氣分離器且在熱虹吸管道中具有凸起部之熱虹吸酯化器之示意性圖解說明；圖8係圖7熱虹吸酯化器之示意性圖解說明，其中指示組件之多個參數；圖9係具有含有與其相關聯之上升管擋板之直邊型蒸氣分離器且在熱虹吸管道中具有凸起部之熱虹吸酯化器之示意性圖解說明；且圖10係圖9熱虹吸酯化器之示意性圖解說明，其中指示組件之多個參數。
現將在下文中參考其中顯示本發明之一些而非所有實施例之附圖更全面地闡述本發明。實際上，該等發明可以許多不同形式來體現且不應理解為限於本文所闡釋之實施例；而是，提供該等實施例以使本發明將滿足適用的法律要求。通篇中相同編號係指相同元件。除非上下文另外明確表示，否則如本說明書及隨附申請專利範圍中所使用之單數形式「一(a、an)」及「該」包含複數個指示物。
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。更特定而言，本發明闡述可用於該等系統及方法內且在一些實施例中可提供經改良之生產力及/或經濟益處之新穎酯化器設計。有利地，新穎酯化器設計允許在較高溫度及/或較高壓力下操作熱虹吸酯化器，此在一些實施例中可產生(並釋放)在相對較高之溫度及/或壓力下呈蒸汽形式之含水副產物。新穎熱虹吸酯化器之細節闡述於本文中，且在該描述後提供在使用該熱虹吸酯化器期間產生之含水副產物蒸汽之多種用途。
本文所闡述之新穎酯化器設計提供優於例如闡述於頒予Chapman及Temple之美國專利第3,927,982號(下文稱為「‘982專利」)中的已知熱虹吸酯化器之改良，該專利以引用方式併入本文中。熱虹吸酯化器通常係用於酯化例如乙二醇及苯二甲酸以形成寡聚物之系統，其中無需機械泵送來使酯化產物循環。
‘982專利中所闡述之熱虹吸酯化器通常包括酯化容器與熱交換器之組合，該熱交換器具有垂直延伸之流體通道且具有上部流體出口及下部流體入口，上部出口與反應容器之側連通，且下部入口藉由導管迴路與反應容器之底部連接；在容器中用於以維持恆定液位之速率連續抽出酯化產物之溢出構件；在容器上部用於抽出蒸氣之構件；及用於將冷反應物進料混合物注射至熱交換器之下部流體入口中之構件。在使用中，首先用反應產物預填充‘982專利之熱虹吸酯化器，加熱至 反應溫度(例如，250℃至400℃)，且然後將反應物之冷漿液泵送至熱交換器之下部流體入口中。在熱交換器之入口端中，將冷反應物漿液進料與在反應容器與熱交換器之間再循環之熱反應產物快速混合，並藉此快速升至反應溫度。一些反應物(包含水及在熱交換器中進行之酯化反應之其他揮發性副產物)可在熱交換器及氣化組件內氣化，可形成包括泡沫之液體。液體/泡沫混合物不如含於酯化器之相對垂直側上之熱虹吸管道中的液體緻密。此密度差使得流體在酯化器內循環。通過用於抽出氣態產物之構件自反應容器移除副產物蒸氣及過量反應物蒸氣，以維持恆定壓力，且通過所提供之溢出構件自反應容器連續抽出液體反應產物，以維持恆定液位。通常，兩種類型之再循環流皆可，且已知在某些情況下，給定系統可在兩種類型之再循環流之間操作。熱交換器中之泡沫可膨脹或崩散，從而給出酯化器中之總存量變化之外觀。此亦可導致不穩定性，從而使得無法顯著改變酯化器內之總操作壓力。
在某些實施例中，本發明提供可克服與傳統熱虹吸酯化器相關之某些缺點之熱虹吸酯化器。特定而言，在一些實施例中，提供可允許對於相同生產量使用較少存量之新穎熱虹吸酯化器設計。在一些實施例中，此提供與傳統熱虹吸酯化器相比經改良之生產力(此乃因可能需要在酯化器中顯著較短之滯留時間，所有其他反應條件皆相同)。在一些實施例中，在熱虹吸酯化器內可使用較高操作壓力，此乃因在一些實施例中熱虹吸再循環速率在較高酯化壓力下可能無法顯著降低。在某些實施例中，使用較高操作壓力進而可允許在酯化器中使用較少之過量乙二醇來製造產物，從而降低設備操作成本。在一些實施例中，可維持酯化器內之存量控制。
本發明之一實施例提供新穎熱虹吸酯化器設計，其包括於熱虹吸酯化器之蒸氣分離部分中之適用於接收來自交叉管道之產物流之上 升管擋板。在一些實施例中，上升管擋板可降低通常與操作熱虹吸酯化器相關之不穩定性。因此，在一些實施例中，上升管擋板之存在可有助於確保酯化器之存量保持恆定。令人驚奇的是，納入該上升管擋板可提供酯化器生產力之顯著改良。在一些實施例中，上升管擋板可允許在熱虹吸酯化器內使用較高壓力，此可使反應時間較快速(即反應物在熱虹吸酯化器內之滯留時間較短)。
包括該上升管擋板之一實例性熱虹吸酯化器圖解說明於圖1中。 圖1所圖解說明之酯化器通常包括以下元件：熱交換器1、蒸氣分離器2、熱虹吸管道3及交叉管道4。上升管擋板5裝配在蒸氣分離器2內部且與交叉管道4之末端流體連通。在正常穩態操作中，用預製造之期望酯化產物(即PET寡聚物)填充熱交換器1、熱虹吸管道3、交叉管道4及上升管擋板5直至正常液位10。儘管此位準10繪示為大致係蒸氣分離器高度之一半，但此不欲具有限制性且熱虹吸酯化器可在較高及較低液位二者下使用。通過位於自熱虹吸管道3至熱交換器1之入口下方的漿液注射噴嘴7，將酯化反應之反應物(乙二醇及苯二甲酸)以漿液形式(然而，在通常介於70℃至150℃範圍內之溫度下，漿液溫度可較高，例如200℃或更低，例如室溫)進給至熱虹吸管道4中。漿液可包括多個莫耳比之反應物；例如，乙二醇對苯二甲酸之莫耳比可介於約1：1至約4：1範圍內。在某些實施例中，乙二醇對苯二甲酸之莫耳比小於或等於約2：1(例如，介於約1：1與約2：1之間)。將所注射反應物漿液與圍繞酯化器再循環之預製造寡聚物快速混合，此可有效地將反應物加熱至極接近反應所需溫度之溫度(即至少約250℃之溫度)。
因此，將再循環寡聚物產物與剛注射之反應物混合，此使反應開始，且混合物隨後向上流經熱交換器1，在其中藉由含於熱交換器管6中之熱轉移流體將混合物進一步加熱至反應溫度(有效地逆轉由將冷的漿液注射至再循環寡聚物中引起之冷卻效應)。熱轉移流體通過 熱轉移流體入口11供應至熱交換器1且經由熱轉移流體出口12離開熱交換器。在熱交換器內滯留期間，使在乙二醇與苯二甲酸間之酯化反應中添加之大量過量乙二醇反應物及產生之副產物水氣化。熱交換器1中此蒸氣之形成減小流經熱交換器1之寡聚物混合物之密度。熱交換器1中含蒸氣之寡聚物與熱虹吸管道3之下流區段中基本上不含蒸氣之寡聚物間的此密度差為驅動熱虹吸酯化器內之內容物之再循環提供原動力。
通過熱交換器1後，再循環反應混合物(包含用於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)經由交叉管道4離開熱交換器，藉由向上流經且流出上升管擋板5頂部進入蒸氣分離器2。當反應混合物流出進入蒸氣分離器2中時，大部分蒸氣藉由重力與寡聚物分離。蒸氣向上流動且通過蒸氣出口9流出，而寡聚物向下流經上升管擋板5進入蒸氣分離器2之主體積中。
蒸氣分離器2為進一步反應提供額外滯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。此蒸氣可與在上升管擋板5處自寡聚物逸出之蒸氣一起離開系統。流經蒸氣分離器2之寡聚物經由連接至蒸氣分離器2底部之熱虹吸管道4離開。熱虹吸管道4將蒸氣分離器2之底部連接至熱交換器1入口，以允許寡聚物圍繞酯化器再循環。在熱虹吸管道4之最低點提供若干個產物排放噴嘴，以允許在進一步漿液注射(例如，藉由幫浦將寡聚物轉移至UFPP用於PET生產之下一步驟聚合)之前自酯化器抽出產物。
根據本發明，如本文所闡述納入上升管擋板可在操作熱虹吸酯化器時具有某些優點。擋板通常理解為流體流定向組件。可根據本發明使用之上升管擋板之形狀、大小及特徵可變化。例如，在一些實施例中，上升管擋板可具有大於或等於與其接觸之交叉管道(例如，在圖1及圖2所繪示之實施例中的4，其具有如圖2所顯示之直徑DCO)直徑 之一半的高度。在一些實施例中，上升管擋板可具有小於蒸氣分離器單元(例如，在圖1及圖2所繪示之實施例中的2，其具有如圖2所顯示之高度HU)高度之高度。在某些實施例中，上升管擋板之高度可介於該兩個值之間。因此，在某些實施例中，根據圖1及圖2之系統組態，上升管擋板可具有由下式表示之高度HRB：
上升管擋板壁之形狀相對於交叉管道4之流可凸出或凹入。顯示圖1及圖2之位於蒸氣分離器2內之上升管擋板5之剖視圖提供於圖3中。外圓繪示蒸氣分離器單元2之壁。圖3之左半部分繪示蒸氣分離器單元內上升管擋板(上流區域)之橫截面積，且外圓中心中之圓曲線繪示相對於交叉管道4之流凹入之上升管擋板壁。上升管擋板之最大半徑及橫截面積在某些實施例中可變化。然而，必須選擇上升管擋板之最大半徑及橫截面積，以允許足夠上流通過上升管擋板且允許足夠下流通過蒸氣分離器之上升管擋板經定位以確保有效地操作作為整體之系統的部分。
在一些實施例中，上升管擋板上流側之橫截面積(ARu)與上升管擋板頂部上方之蒸氣分離器之直徑(DVS)相關，此由下式表示：
在一些實施例中，上升管擋板上流側之橫截面積(ARu)與上升管擋板底部下方之蒸氣分離器之直徑(DVSL)相關，此由下式表示：
在一些實施例中，上升管擋板之底部與水平線可形成介於0°與80°間之角。類似地，在一些實施例中，上升管擋板之頂部可形成介於0°與80°間之角。該等角可參照圖2之實施例來理解，其中ABL繪示上升管擋板底部之角，且ABU繪示上升管擋板頂部之角。在圖1及圖2所圖解說明之實施例中，應注意，上升管擋板之頂部圖解說明為傾斜 的(即ABU 0°)。此圖解說明不欲具有限制性，且應理解，在某些實施例中，上升管擋板之頂部以及上升管擋板之底部可係平坦的(即ABU=約0°及/或ABL=約0°)。在某些實施例中，具有水平頂部之上升管擋板可能有利，此乃因其與具有傾斜頂部之上升管擋板相比，對擋板產生較小應力且不太可能引起疲勞失效。
其內採用本文所闡述之擋板之蒸氣分離器2的特定形狀及大小可變化。圖1及圖2所圖解說明之實施例中蒸氣分離器之整體形狀稱為「燈泡」設計。此設計可闡述為包括兩個圓柱區段之容器，該等區段中之一者垂直佈置於另一者上方且藉由圓錐區段彼此連結，其中上部圓柱區段具有大於下部圓柱區段(DVSL)之直徑(例如，DVS)。下部圓柱區段藉由底部碟形或圓錐末端連結至熱虹吸管道，且上部圓柱區段藉由頂部碟形或圓錐末端連結至蒸氣出口。
燈泡形蒸氣分離器之壁之角可變化以提供一系列特定設計。例如，如圖2所顯示，角AVSU及AVSL相對於水平線可介於約0°至約80°範圍內。蒸氣分離器壁之視情況傾斜之部分的長度可變化(且垂直高度在圖2上指示為HVSC及HVSO)。傾斜部分間之垂直壁之高度(在圖2中標記為「HVS」)可變化。此外，蒸氣分離器之總直徑(DVS)(例如，最大直徑)、蒸氣分離器基底之直徑(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，在熱虹吸酯化器內提供替代性蒸氣分離器設計，如圖4所示意性圖解說明。如圖中所顯示，蒸氣分離器2之幾何結構與圖1酯化器中所顯示之蒸氣分離器相比經改良。在此處，蒸氣分離器具有直邊，其在一些實施例中可提供額外益處。例如，該容器可在不顯著改變整體酯化器之佔用空間之情形下提供較大分離器。在一些實施例中，該直邊型蒸氣分離器因其可較易於構建而可提供生產成本節省益處。在某些實施例中，直邊型蒸氣分離器可闡述為圓柱形容
器，其具有引導至熱虹吸管道3之碟形或圓錐末端及在蒸氣分離器頂部引導至蒸氣出口之碟形或圓錐末端。
在圖4之實施例中，上升管擋板5圖解說明為具有水平頂部而非圖1實施例中所圖解說明之傾斜頂部。而且，此上升管擋板幾何結構不欲具有限制性；而是，ABL及ABU角可自0°至80°變化(參照圖5來理解，其中繪示圖4系統之多個參數，包含上升管擋板底部之角ABU及上升管擋板頂部之角ABL)。
圖6圖解說明用於採用直邊型蒸氣分離器(即如圖4及圖5中所示意性圖解說明)之系統中之實例性上升管擋板之剖視圖。在此圖中，外圓繪示蒸氣分離器單元(例如，圖4及圖5實施例中之2)之壁。圖6之左半部分繪示蒸氣分離器單元內上升管擋板(上流區域)之橫截面積，且外圓中心中之圓曲線繪示上升管擋板壁，其相對於交叉管道4之流凸出。而且，上升管擋板之最大半徑及橫截面積在某些實施例中可變化。然而，必須選擇上升管擋板之最大半徑及橫截面積，以允許足夠上流通過上升管擋板且允許足夠下流通過蒸氣分離器之上升管擋板經定位以確保有效地操作作為整體之系統的部分。
在一些實施例中，可選擇蒸氣分離器(燈泡或直邊型設計)之直徑以使蒸氣分離器中之向上空塔蒸氣速度小於約2米/秒，其中假設以下條件來計算空塔蒸氣速度：存在之唯一氣體為蒸汽及乙二醇蒸氣，酯化反應為100%完全，超過化學計量要求之所有乙二醇經氣化，且氣體遵循理想氣體理論。在一些實施例中，上升管擋板頂部與蒸氣分離器橫截面開始減少之點間之垂直距離(HFB)介於約0米與約5米之間。
上文已闡述之蒸氣分離器及擋板特徵，熱虹吸酯化器之其餘組件及其參數(例如，直徑、高度、容積、組件間之距離等)可變化。然而，某些參數可有益於操作本文所闡述之熱虹吸酯化器。本申請案所闡述之特徵可適用於一系列熱虹吸酯化器設計，其在一些實施例中與 傳統熱虹吸酯化器相比可提供其他益處。
例如，在一些實施例中，在漿液注射點(例如，7)與上升管擋板頂部之間存在最小垂直距離HTS。在一些實施例中，此高度可影響熱虹吸酯化器內所獲得之再循環速率。有利地，在一些實施例中，此高度之最小值為約8米或更高(例如，介於約8米與約20米之間)。在一些實施例中，熱虹吸管道(4)之下流分支之中心管線與熱虹吸管道之上流分支之中心管線間之水平距離WCLS存在較佳範圍，其可相對於熱交換器1之直徑及蒸氣分離器2之直徑來界定。例如，在一些實施例中，此水平距離係在由下式表示之範圍內：
其中DHE係熱交換器之直徑(例如，熱交換器之最大直徑)，且DVS係蒸氣分離器之直徑(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中所利用之熱轉移流體可係多種可在高達約340℃或更高之溫度下以液體或蒸氣相操作之熱轉移介質中之一者。所使用之一種實例性熱轉移流體係聯苯及二苯基氧化物之混合物，其以DOWTHERMTM A(Dow® Corning公司)在市面上有售，以蒸氣相操作。在一些實施例中，用於熱交換器中之管6之直徑(DT)可介於約0.5英吋與約4英吋之間。在一些實施例中，基於熱交換器所提供之熱交換器管外徑，操作液體存量對熱轉移表面積之比率有利地大於約0.3立方米操作液體存量/平方米熱轉移表面積。
在一些實施例中，可在熱虹吸酯化器中使用觸媒來促進反應。例如，可將一或多種觸媒與漿液進料一起注射至酯化器中(例如，至入口7中)。觸媒可係已知促進乙二醇與苯二甲酸間之酯化、寡聚及/或聚合反應之任一類型之觸媒。例如，在某些實施例中，觸媒可係有機或無機化合物(例如，銻、錫、鈦、鑭、鋅、銅、鎂、鈣、錳、 鐵、鈷、鋯或鋁化合物，例如氧化物、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、磺基苯二甲酸、磺基水楊酸或銻酸)。例如，參見EP 812818、WO 99/28033；頒予Duan等人之美國專利第6,998,462號；頒予Werber之美國專利第3,056,818號；頒予Schultheis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，該等專利以引用方式併入本文中。在一些實施例中，在本文所闡述之熱虹吸酯化器中使用觸媒可增加生產力(例如，酯化器中反應物及產物之較快速反應、較短滯留時間等)。
在某些實施例中，具有直徑DCO之交叉管道4之直徑具有最小值，例如約0.2米或更大。在一些實施例中，熱虹吸管道3具有最小直徑，例如在一些實施例中，熱虹吸管道之直徑(DTS)可大於約0.2米。在某些實施例中，熱虹吸管道之直徑(DTS)可沿其長度相對恆定。在某些實施例中，本發明之熱虹吸酯化器包括其中具有一或多個凸起部(即熱虹吸管道之具有放大直徑之部分)的熱虹吸管道。顯示熱虹吸管道中之凸起部之實例性實施例示意性圖解說明於圖6-7(其中凸起部指示為熱虹吸管道凸起部13)中。圖6及圖7圖解說明含有凸起部之熱虹吸管道與燈泡形蒸氣分離器，且圖8及圖9圖解說明含有凸起部之熱虹吸管道與直邊型蒸氣分離器。熱虹吸管道中之凸起部可有利地用於增加酯化器之操作存量。具體而言，在一些實施例中，在此位置處(即沿熱虹吸管道之長度的某處)添加凸起部可為酯化器存量提供此添加的空間，同時不顯著影響系統之總佔用空間。凸起部之大小及形狀可變化。在一些實施例中，凸起部之直徑DB大於或等於熱虹吸管道之直徑(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。
本文所闡述之熱虹吸酯化器可提供優於傳統熱虹吸酯化器之多 個優點。在使用中，在一些實施例中，本發明之熱虹吸酯化器可在高於傳統熱虹吸酯化器之操作壓力下來操作，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並未顯著降低。此特性與傳統熱虹吸酯化器不同，其中酯化器存量之較大不穩定性導致較大的系統不穩定性。在一些實施例中，在本文所闡述熱虹吸酯化器中之蒸氣分離器頂部之蒸氣空間中量測之操作壓力大於約1.65個絕對大氣壓力。在一些實施例中由於操作本文所闡述之熱虹吸酯化器時之壓力與傳統熱虹吸操作相比可增加，故在某些實施例中對於相同反應生產量可使用較小存量。在一些實施例中，對於給定反應容積，如本文所闡述之熱虹吸酯化器之大小可小於相同反應容積之傳統熱虹吸酯化器。
本文所闡述之熱虹吸酯化器可提供優於傳統熱虹吸酯化器之多個優點。在使用中，在一些實施例中，本發明之熱虹吸酯化器可在高於傳統熱虹吸酯化器之操作壓力下來操作，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並未顯著降低。此特性與傳統熱虹吸酯化器不同，其中酯化器存量之較大不穩定性導致較大的系統不穩定性。在一些實施例中，在本文所闡述熱虹吸酯化器中之蒸氣分離器頂部之蒸氣空間中量測之操作壓力大於約1.65個絕對大氣壓力。在一些實施例中由於操作本文所闡述之熱虹吸酯化器時之壓力與傳統熱虹吸操作相比可增加，故在某些實施例中對於相同反應生產量可使用較小存量。在一些實施例中，對於給定反應容積，如本文所闡述之熱虹吸酯化器之大小可小於相同反應容積之傳統熱虹吸酯化器。
本文所闡述之熱虹吸酯化器可以分批、半連續或連續方式來操作。連續製程較佳，其中可經由入口7將反應物(即對苯二甲酸、視情況約小於總苯二甲酸之5%的用於瓶級聚酯樹脂之間苯二甲酸及乙二醇)連續引入酯化器，且其中可經由產物排放出口8連續抽出寡聚物產物。有利地，使整個熱虹吸酯化器或其至少部分絕緣以在高溫下操作 的同時防止過度熱損失。
在使用中，上升管擋板之下流側上相對於交叉管道4之液位可變化。在圖中，液體圖解說明為在交叉管道4之位準上方且在與上升管擋板5之最大高度相同之高度處。然而，在實踐中，上升管擋板之下流側上之液位可顯著變化且可介於交叉管道底部下方之位準至上升管擋板頂部上方之位準(例如，至蒸氣分離器之(上部)圓柱區段頂部)範圍內。例如，在一些實施例中，上升管擋板之下流側上之液位可大約在交叉管道之頂部或下方或更高處。儘管在傳統熱虹吸酯化器中，使液體高於交叉管道之頂部可導致系統過度振動且可造成設備損壞，但在某些實施例中，本文所闡述之新穎熱虹吸酯化器可在不同液位下操作而具有極少甚至不具有害效應。
在傳統熱虹吸酯化器中，酯化製程之水副產物通常視為廢產物，且因此通常以廢水形式來處理及棄置。水副產物通常以蒸汽形式存在於熱虹吸酯化器內，且通常經由位於蒸氣分離器單元頂部之蒸氣出口自系統移除。可視情況使用例如冷卻水或環境空氣來冷凝來自該等系統之含水蒸氣。然後可對蒸汽冷凝物進行處理以移除有機材料，從而產生幾乎純之水流，然後可將其以流出物(即以廢水)形式自設備排放。
根據本發明，在高溫及/或高壓下提供在熱虹吸酯化器內產生且經由蒸氣出口9自其抽出之水副產物(即蒸汽)。因此，可出於多種目的使用蒸汽來抵消釋放蒸汽之熱虹吸酯化器之能量效用。因此，本發明提供在高溫及/或高壓下自本文所闡述之熱虹吸酯化器設計抽出蒸汽且進一步提供該蒸汽之用途，以為操作熱虹吸酯化器提供一定程度之能量節省或提供可使用低成本能量之其他益處。具體而言，所抽出蒸汽可提供可用於多種終端用途中之加熱能量及/或膨脹能量之來源(例如，經由蒸汽渦輪機產生電力)。
在一些實施例中，蒸汽副產物可用於產生其之連續聚酯聚合製程之背景下或用於單獨連續聚酯聚合製程中。例如，可使用加熱蒸汽作為熱交換器中之熱轉移液體來加熱多種材料。在一具體實施例中，可使用加熱蒸汽作為熱交換器中之熱轉移液體，以在將漿液注射至熱虹吸酯化器中之前預熱乙二醇及苯二甲酸漿液。可使用來自給定熱虹吸酯化器之蒸汽來預熱欲注射至該熱虹吸酯化器中或不同熱虹吸酯化器中之乙二醇及對苯二甲酸反應物混合物。
因此，在該等實施例中，可在較高溫度下將乙二醇及苯二甲酸反應物漿液引入熱虹吸酯化器中。因此，加熱熱虹吸酯化器內之反應物(例如，經由熱交換器2)所需之能量較少，以確保反應物處於足夠反應溫度下。此提供與作為整體之熱虹吸酯化器系統相關之能量節省。與以此方式使用蒸汽相關之能量節省可自例如約5kJ/kg至約100kJ/kg由酯化器製得之寡聚物(例如，自約10kJ/kg至約90kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或自約20kJ/kg至約80kJ/kg由酯化器製得之寡聚物)變化。在某些實施例中，能量節省可為約5kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高、約10kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高、約5kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高、約20kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高、約30kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高、約40kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高、約50kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高、約60kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高或約70kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高。
在另一實施例中，可使用加熱蒸汽作為熱交換器中之熱轉移液體，以在將漿液注射至熱虹吸酯化器中之前預熱乙二醇及苯二甲酸反應物漿液中之一種組份(例如，僅預熱苯二甲酸或僅預熱乙二醇)。可使用來自給定熱虹吸酯化器之蒸汽在將對苯二甲酸與乙二醇合併之前對其預熱或在將乙二醇與對苯二甲酸合併之前對其預熱，從而獲得欲 注射至該熱虹吸酯化器中或不同熱虹吸酯化器中之混合物。
因此，在其中在形成欲注射至熱虹吸酯化器中之反應物漿液之前預熱乙二醇或苯二甲酸之該等實施例中，可在較高溫度下將所得反應物漿液引入熱虹吸酯化器中。因此，加熱熱虹吸酯化器內之反應物(例如，經由熱交換器2)所需之能量較少，以確保反應物處於足夠反應溫度下。此提供與作為整體之熱虹吸酯化器系統相關之能量節省。與以此方式使用蒸汽相關之能量節省可自例如約5kJ/kg至約100kJ/kg由酯化器製得之寡聚物(例如，自約10kJ/kg至約90kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或自約20kJ/kg至約80kJ/kg由酯化器製得之寡聚物)變化。在某些實施例中，能量節省可為約5kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高、約10kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高、約5kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高、約20kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高、約30kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高、約40kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高、約50kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高、約60kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高或約70kJ/kg由酯化器製得之寡聚物或更高。
在一些實施例中，可使用蒸汽來操作例如闡述於頒予Schulz Van Endert之美國專利第4,758,650號中之蒸汽真空幫浦，該專利以引用方式併入本文中。如本文所闡述，可將蒸汽抽出並用於在真空反應器中產生真空。
當然應理解，可自熱虹吸酯化器有利地抽出在使用本文所闡述之新穎熱虹吸酯化器設計期間(例如，在PET生產期間)產生之高溫及/或高壓下之蒸汽並用於多種目的。蒸汽可以多種方式使用以例如產生機械運動，或加熱多種物質(例如，經由熱交換)。例如，可將蒸汽引導至渦輪機、發動機、熱交換器及諸如此類，且若需要可使用所產生之蒸汽作為工作流體。具體而言，如本文所論述產生蒸汽之可用之處 在於，如上文所闡述之酯化製程可與一或多個其他工業製程組合，且目前所闡述製程之蒸汽副產物可用於其他工業製程中之能量輸入。因此，工業製程之組合涵蓋於本發明中。
源自該等製程及製程之組合之能量節省可變化。在某些實施例中，採用自如本文所闡述之熱虹吸酯化器抽出之蒸汽的工業製程可自用於操作之能量輸入減少受益。例如，工業製程之所需能量輸入可減少約1%或更高、約2%或更高、約5%或更高，包含約1%至約80%、約1%至約50%、約1%至約20%、約1%至約10%、約2%至約80%、約2%至約50%、約2%至約20%、約2%至約10%、約5%至約80%、約5%至約50%、約5%至約20%及約5%至約10%。在下文實驗論述所提供之實例中更加明瞭使用在本文所闡述含有上升管擋板之熱虹吸酯化器內產生之蒸汽的多個優點。
實驗
本文所提供之實驗數據係基於圖中所圖解說明之實施例。提供基於該等實施例之電腦模型化數據。
實例1
在2barA之壓力下操作根據圖1構建之熱虹吸酯化器。來自該製程之蒸汽以120℃之溫度離開酯化塔頂部。將此蒸汽發送至將進給至酯化器之乙二醇及苯二甲酸之漿液自90℃預熱至115℃之熱交換器。此使酯化器之所需能量輸入減少約72kJ/kg由酯化器製得之寡聚物。
實例2
在2barA之壓力下操作根據圖1構建之熱虹吸酯化器。來自該製程之蒸汽以120℃之溫度離開酯化塔頂部。將此蒸汽發送至將進給至乙二醇及苯二甲酸漿液混合容器之苯二甲酸自20℃預熱至115℃之熱交換器。隨後將在漿液混合容器中製造之漿液進給至熱虹吸酯化器。此對苯二甲酸之預熱使酯化器之所需能量輸入減少約76kJ/kg由酯化 器製得之寡聚物。
實例3
在3barA之壓力下操作根據圖1構建之熱虹吸酯化器。來自該製程之蒸汽以133℃之溫度離開酯化塔頂部。將此蒸汽發送至將自聚酯設備之聚合區段循環且進給至乙二醇及苯二甲酸漿液混合容器之乙二醇自55℃預熱至128℃之熱交換器。隨後將在漿液混合容器中製造之漿液進給至熱虹吸酯化器。此對乙二醇之預熱使酯化器之所需能量輸入減少約62kJ/kg由酯化器製得之寡聚物。
實例4
根據圖1構建之熱虹吸酯化器係在2.2barA之壓力下操作且產生約12.2公噸/hr蒸汽。來自該製程之蒸汽以123℃之溫度與一些痕量有機材料一起離開酯化塔頂部。將此蒸汽發送至毗鄰對苯二甲酸設備中之熱交換器，在其中用於升高純蒸汽之溫度。將此純蒸汽用於對苯二甲酸設備之壓力蒸汽渦輪機系統中，其中該蒸汽產生額外1MW電力且因此降低車間操作成本。
鑒於獲益於前述描述所呈現之教示，熟習此項技術者將聯想到本發明所涉及之本發明之許多修改及其他實施例。因此，應理解，本發明並不限於所揭示之特定實施例，且該等修改及其他實施例意欲包含在隨附申請專利範圍之範疇內。儘管本文使用特定術語，但其使用僅具有一般及描述性意義且並非出於限制之目的。
1‧‧‧熱交換器
2‧‧‧蒸氣分離器
3‧‧‧熱虹吸管道
4‧‧‧交叉管道
5‧‧‧上升管擋板
6‧‧‧熱交換器管
7‧‧‧漿液注射噴嘴
8‧‧‧產物排放出口
9‧‧‧蒸氣出口
10‧‧‧正常液位
11‧‧‧熱轉移流體入口
12‧‧‧熱轉移流體出口

Claims (19)

  1. 一種抵消操作熱虹吸酯化器所需之能量之方法，該方法包括：A.自熱虹吸酯化器抽出蒸汽副產物，該熱虹吸酯化器包括熱交換部件、與該熱交換部件流體連通之交叉管道、蒸氣分離部件及位於該蒸氣分離器內且與該交叉管道流體連通之上升管擋板部件；及B.使用該蒸汽副產物提供操作該熱虹吸酯化器所需之該能量之一部分。
  2. 如請求項1之方法，其中該抽出之蒸汽副產物係在約105℃或更高之溫度下。
  3. 如請求項1之方法，其中該抽出之蒸汽副產物係在約1.2barA或更高之壓力下。
  4. 如請求項1之方法，其中該抽出之蒸汽副產物係自該蒸氣分離部件抽出。
  5. 如請求項1之方法，其進一步包括通過佈置於該熱交換部件上游之進料漿液注射埠來添加反應物。
  6. 如請求項5之方法，其進一步包括在添加之前藉由與該抽出之蒸汽副產物進行熱交換來加熱該等反應物中之一或多者。
  7. 如請求項1之方法，其中該等反應物包括乙二醇及苯二甲酸，且其中該乙二醇與該苯二甲酸在該熱虹吸酯化器內反應以產生寡聚物。
  8. 如請求項7之方法，其中與使用該抽出之蒸汽副產物相關之能量節省為約5kJ/kg至約100kJ/kg由該酯化器製得之寡聚物。
  9. 如請求項7之方法，其中與使用該抽出之蒸汽副產物相關之能量節省為約10kJ/kg至約90kJ/kg由該酯化器製得之寡聚物。
  10. 如請求項7之方法，其中與使用該抽出之蒸汽副產物相關之能量節省為約20kJ/kg至約80kJ/kg由該酯化器製得之寡聚物。
  11. 如請求項7之方法，其中與使用該抽出之蒸汽副產物相關之能量節省為約50kJ/kg由該酯化器製得之寡聚物。
  12. 如請求項1之方法，其中操作該熱虹吸酯化器所需之該能量減少約5%或更高。
  13. 一種減少工業方法之所需能量輸入之方法，該方法包括：A.在一定條件下操作熱虹吸酯化器以提供處於約105℃或更高之溫度及約1.2barA或更高之壓力下之蒸汽副產物；B.抽出該蒸汽副產物；及C.使用該蒸汽副產物提供該工業方法之該所需能量輸入之一部分。
  14. 如請求項13之方法，其中該熱虹吸酯化器包括熱交換部件、與該熱交換部件流體連通之交叉管道、蒸氣分離部件及位於該蒸氣分離器內且與該交叉管道流體連通之上升管擋板部件。
  15. 如請求項14之方法，其中該蒸汽副產物係自該蒸氣分離部件抽出。
  16. 如請求項12之方法，其中該蒸汽副產物係在約115℃或更高之溫度下提供。
  17. 如請求項12之方法，其中該蒸汽副產物係在約2barA或更高之壓力下提供。
  18. 如請求項12之方法，其中該工業方法係納入該熱虹吸酯化器之方法。
  19. 如請求項12之方法，其中該工業方法之該所需能量輸入減少約5%或更高。
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