楊忠兵，曾文兵，李利軍

(中國昆侖工程公司，北京100037)

隨著市場(chǎng)對(duì)聚酯(PET)產(chǎn)品的需求變換，具有不同功能特性的PET產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格變化趨勢(shì)和幅度并不相同，有時(shí)候差異很大，這給PET生產(chǎn)廠家轉(zhuǎn)產(chǎn)尋利提供了機(jī)會(huì)。對(duì)于PET裝置來說，轉(zhuǎn)產(chǎn)有兩種方式:一是先停產(chǎn)，清洗系統(tǒng)再轉(zhuǎn)產(chǎn);二是在線轉(zhuǎn)產(chǎn)。前者成本高，需要的時(shí)間長，因操作水平的不同，會(huì)產(chǎn)生不定量的開停車料;后者不影響正常生產(chǎn)，但會(huì)產(chǎn)生一定量的過渡料。目前，多數(shù)大型連續(xù)裝置的轉(zhuǎn)產(chǎn)因需進(jìn)行清洗而采用第一種方式。但第二種方式在線轉(zhuǎn)產(chǎn)不存在停產(chǎn)，產(chǎn)品切換時(shí)間短，對(duì)市場(chǎng)的反應(yīng)更迅速，在線轉(zhuǎn)產(chǎn)所產(chǎn)生的過渡料的量不易估算。PET裝置的轉(zhuǎn)產(chǎn)主要通過添加劑的變化來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品切換。在PET裝置生產(chǎn)過程中，在線轉(zhuǎn)產(chǎn)有利于切換品種，增加生產(chǎn)靈活性和提高經(jīng)濟(jì)效益。轉(zhuǎn)產(chǎn)有增加添加劑和取消添加劑的過程，而這其中轉(zhuǎn)產(chǎn)過渡時(shí)間和產(chǎn)生的過渡料量是其關(guān)鍵因素。

作者從理論角度探討在線轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)的過渡時(shí)間以及過渡料產(chǎn)量的計(jì)算公式，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

1 轉(zhuǎn)產(chǎn)過渡時(shí)間的控制

1.1 增加添加劑的轉(zhuǎn)產(chǎn)過渡時(shí)間的計(jì)算

通常在大型PET裝置中，添加劑用量相對(duì)主物料流量而言很小，因此可假定添加時(shí)反應(yīng)器的液位恒定，則反應(yīng)器內(nèi)物料體積(V0)恒定，進(jìn)出料流量(F0)恒定。取轉(zhuǎn)產(chǎn)過程中時(shí)間微元分析，對(duì)添加劑質(zhì)量衡算［1］有如下等式:

式中:F0為進(jìn)反應(yīng)器物料的流量;Fi為添加劑的流量;ρ0為反應(yīng)器中物料的密度;V0為反應(yīng)器中物料的體積;C0為進(jìn)反應(yīng)器物料的添加劑的濃度，無量綱;C為反應(yīng)器中添加劑的濃度，無量綱;t為添加劑的添加時(shí)間。

考慮到大型PET裝置中Fi遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于F0，即:

假定轉(zhuǎn)產(chǎn)前添加劑在反應(yīng)器中濃度為C1，則積分邊界條件時(shí)間t=0時(shí)，C=C1，式(2)可積分整理為:

求解得增加添加劑的情況下物料中添加劑濃度C與轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)間t間的關(guān)系式:

1.2 取消添加劑的轉(zhuǎn)產(chǎn)過渡時(shí)間的計(jì)算

通常在大型PET裝置中，添加劑用量相對(duì)主物料流量而言很小，因此，同增加添加劑一樣，取消添加劑過程中可假定添加時(shí)反應(yīng)器的液位恒定，則V0，F(xiàn)0恒定。

取轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)間微元分析，對(duì)添加劑質(zhì)量衡算有如下等式:

假定轉(zhuǎn)產(chǎn)前添加劑在物料中濃度為C0，則積分邊界條件時(shí)間t=0時(shí)，C=C0，式(5)積分，化簡整理為:

求解得取消添加劑t與C的關(guān)系式:

1.3 實(shí)例分析

以國內(nèi)某PET裝置大有關(guān)產(chǎn)品與半消光產(chǎn)品切換為例，裝置在線轉(zhuǎn)產(chǎn)生產(chǎn)能力為500 t/d，反應(yīng)器有效容積為50 m3，物料密度為1 157 kg/m3，計(jì)算t。

1.3.1 大有光產(chǎn)品轉(zhuǎn)產(chǎn)半消光產(chǎn)品

該P(yáng)ET裝置大有光產(chǎn)品轉(zhuǎn)產(chǎn)半消光產(chǎn)品時(shí)，添加劑二氧化鈦(TiO2)流量為66.7 kg/h，大有光產(chǎn)品的TiO2高限邊界濃度其質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wTiO2)為0，轉(zhuǎn)產(chǎn)合格半消光產(chǎn)品的TiO2低限邊界濃度wTiO2為0.3%。代入公式(4)可計(jì)算得t為7.68 h。

若調(diào)整大有光產(chǎn)品的 TiO2高限邊界濃度wTiO2為0.005%，轉(zhuǎn)產(chǎn)合格半消光產(chǎn)品的TiO2低限邊界濃度wTiO2為0.3%，則計(jì)算得t為7.65 h;若調(diào)整轉(zhuǎn)產(chǎn)合格半消光產(chǎn)品的TiO2低限邊界濃度wTiO2為0.25%，大有光產(chǎn)品初始添加劑濃度為0，則計(jì)算t為4.22 h。

由以上分析可知，在大有光產(chǎn)品轉(zhuǎn)產(chǎn)半消光產(chǎn)品時(shí)，大有光產(chǎn)品的TiO2高限邊界濃度wTiO2由0 變?yōu)?.005%，t僅由7.68 h 變?yōu)?.65 h，區(qū)別很小;而當(dāng)轉(zhuǎn)產(chǎn)完成后的合格半消光產(chǎn)品的TiO2低限邊界濃度wTiO2由0.3%降為0.25%時(shí)，t則由 7.68 h 變?yōu)?.22 h，明顯t減少。

1.3.2 半消光產(chǎn)品轉(zhuǎn)產(chǎn)大有光產(chǎn)品

半消光產(chǎn)品轉(zhuǎn)產(chǎn)大有光產(chǎn)品時(shí)，半消光產(chǎn)品的TiO2低限邊界濃度wTiO2為0.3%，轉(zhuǎn)產(chǎn)合格大有光產(chǎn)品的TiO2高限邊界濃度wTiO2為0.005%，代入公式(7)可計(jì)算得t為11.34 h。

若調(diào)整半消光產(chǎn)品的 TiO2低限邊界濃度wTiO2為0.3%，轉(zhuǎn)產(chǎn)合格大有光產(chǎn)品的TiO2高限邊界濃度wTiO2為0，則計(jì)算得t為30.37 h;若調(diào)整半消光產(chǎn)品的 TiO2低限邊界濃度wTiO2為0.25%，轉(zhuǎn)產(chǎn)合格大有光產(chǎn)品的TiO2高限邊界濃度wTiO2為0.005%，則計(jì)算得t為10.86 h。

由以上數(shù)據(jù)可知，在半消光產(chǎn)品轉(zhuǎn)產(chǎn)大有光產(chǎn)品時(shí)，半消光產(chǎn)品的TiO2低限邊界濃度wTiO2由0.3%變?yōu)?.25%，t僅由11.34 h 變?yōu)?10.86 h，區(qū)別較小;而當(dāng)轉(zhuǎn)產(chǎn)完成后的合格大有光產(chǎn)品的TiO2高限邊界濃度wTiO2由0.005%降為0，t則由11.34 h 增為30.37 h，t大大延長。

由以上分析可知，合格產(chǎn)品的添加劑邊界濃度對(duì)過渡時(shí)間的影響較大。PET裝置在由大有光轉(zhuǎn)產(chǎn)半消光產(chǎn)品時(shí)，適當(dāng)降低合格半消光TiO2低限邊界濃度是縮短轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)間的有效手段;而在由半消光轉(zhuǎn)產(chǎn)大有光產(chǎn)品時(shí)，適當(dāng)提高合格大有光產(chǎn)品的TiO2高限邊界濃度能大大縮短轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)間。

2 轉(zhuǎn)產(chǎn)過渡料的控制

在線轉(zhuǎn)產(chǎn)過程中，過渡料的產(chǎn)量影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，與轉(zhuǎn)產(chǎn)過渡時(shí)間和轉(zhuǎn)產(chǎn)產(chǎn)能有直接關(guān)系。結(jié)合前述轉(zhuǎn)產(chǎn)過渡時(shí)間的計(jì)算方法，可對(duì)產(chǎn)生最小過渡料的轉(zhuǎn)產(chǎn)方案進(jìn)行分析并擇優(yōu)選用。

2.1 增加添加劑的轉(zhuǎn)產(chǎn)最小過渡料

設(shè)過渡料產(chǎn)量為M，在線轉(zhuǎn)產(chǎn)產(chǎn)能恒定，進(jìn)出料流量恒定，則由式(4)可得:

以某PET生產(chǎn)裝置為例，其工況為在線轉(zhuǎn)產(chǎn)產(chǎn)能為500 t/d，反應(yīng)器中物料體積為50 m3，添加劑流量為 66.7 kg/h，物料密度為 1 157 kg/m3，物料中初始添加劑濃度為0，轉(zhuǎn)產(chǎn)結(jié)束物料中添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%，增加添加劑的轉(zhuǎn)產(chǎn)方案對(duì)比見表1。

表1 增加添加劑轉(zhuǎn)產(chǎn)的多方案對(duì)比Tab.1 Contrast of production transformation plans with additives

方案一是基礎(chǔ)方案，計(jì)算得轉(zhuǎn)產(chǎn)過渡時(shí)間為7.68 h，過渡料量為160.0 t;方案二是減小反應(yīng)器中物料體積至30 m3。方案三是降低轉(zhuǎn)產(chǎn)產(chǎn)能至300 t/d;方案四是提高添加劑流量至133.3 kg/h。

從表1可看出，減小反應(yīng)器中物料體積(表現(xiàn)為轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)反應(yīng)器液位保持在較低的位置)、降低轉(zhuǎn)產(chǎn)產(chǎn)能和提高添加劑流量均可以不同程度地縮短轉(zhuǎn)產(chǎn)過渡時(shí)間和減少過渡料的產(chǎn)生，從而降低轉(zhuǎn)產(chǎn)損耗，有效提升經(jīng)濟(jì)效益。這也與式(8)中影響參數(shù)一致。方案五是同時(shí)降低轉(zhuǎn)產(chǎn)產(chǎn)能至300 t/d，減小反應(yīng)器中物料體積至30 m3、提高添加劑流量至133.3 kg/h的轉(zhuǎn)產(chǎn)方案，轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)間僅為0.92 h，過渡料產(chǎn)量僅為11.5 t，較方案一得到了很大程度的優(yōu)化。

2.2 取消添加劑的轉(zhuǎn)產(chǎn)最小過渡料

設(shè)過渡料產(chǎn)量為M，在線轉(zhuǎn)產(chǎn)產(chǎn)能恒定，進(jìn)出料流量恒定，則由式(7)可得:

以某PET生產(chǎn)裝置為例，取消添加劑的轉(zhuǎn)產(chǎn)方案對(duì)比見表2。

表2 取消添加劑轉(zhuǎn)產(chǎn)的多方案對(duì)比Tab.2 Contrast of production transformation plans with no additives

方案一是基礎(chǔ)方案，其工況是在線轉(zhuǎn)產(chǎn)產(chǎn)能為500 t/d，物料密度為1 157 kg/m3，反應(yīng)器中物料體積為50 m3，物料中初始添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32%，轉(zhuǎn)產(chǎn)結(jié)束物料中添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%，計(jì)算得轉(zhuǎn)產(chǎn)過渡時(shí)間為11.6 h，過渡料量為240.6 t;方案二僅減小反應(yīng)器中物料體積至30 m3;方案三僅降低轉(zhuǎn)產(chǎn)產(chǎn)能至300 t/d，方案四同時(shí)降低轉(zhuǎn)產(chǎn)產(chǎn)能至300 t/d和減小反應(yīng)器中的物料體積至30 m3。

從表2可看出，減小反應(yīng)器中物料體積是有效縮短轉(zhuǎn)產(chǎn)過渡時(shí)間和減少過渡料產(chǎn)生的手段，而降低轉(zhuǎn)產(chǎn)產(chǎn)能僅可縮短轉(zhuǎn)產(chǎn)過渡時(shí)間而對(duì)過渡料產(chǎn)量沒有影響。這也與式(9)中的影響參數(shù)一致。方案二是在較高的轉(zhuǎn)產(chǎn)產(chǎn)能和較低的反應(yīng)器中物料體積的情況下轉(zhuǎn)產(chǎn)，可得到較短的轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)間和較小的過渡料產(chǎn)量。可以看出，該方案能較好地縮短轉(zhuǎn)產(chǎn)過渡時(shí)間，減少過渡料產(chǎn)量。

3 結(jié)論

a.PET裝置在線轉(zhuǎn)產(chǎn)過程中，在增加或取消添加劑時(shí)，控制過渡時(shí)間與過渡料是關(guān)鍵。

b.適當(dāng)改變產(chǎn)品中添加劑濃度的邊界條件，過渡時(shí)間能夠較大程度地縮短。大有光產(chǎn)品在線轉(zhuǎn)產(chǎn)半消光產(chǎn)品，將合格半消光產(chǎn)品的TiO2低限邊界濃度wTiO2由0.3%降為0.25%，轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)間則由7.68 h降至4.22 h，轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)間縮短45%以上;半消光產(chǎn)品在線轉(zhuǎn)產(chǎn)大有光產(chǎn)品，將合格大有光產(chǎn)品的 TiO2高限邊界濃度wTiO2由0增為0.005%，轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)間則由30.37 h 降至 11.34 h，轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)間縮短近63%。

c.增加添加劑的情況下，降低反應(yīng)器液位和轉(zhuǎn)產(chǎn)產(chǎn)能，或提高添加劑流量，能明顯縮短在線轉(zhuǎn)產(chǎn)過渡時(shí)間，減少轉(zhuǎn)產(chǎn)過渡料的產(chǎn)生;而在取消添加劑的情況下，降低反應(yīng)器液位或提高轉(zhuǎn)產(chǎn)產(chǎn)能均可縮短轉(zhuǎn)產(chǎn)過渡時(shí)間，但只有降低反應(yīng)器的液位才能減少過渡料的產(chǎn)生，提高轉(zhuǎn)產(chǎn)產(chǎn)能對(duì)過渡料的產(chǎn)生無影響。

［1］ 黃思才，劉國際.化學(xué)反應(yīng)工程［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1996:70－95.