技術交流

概述

近年來，世界人口日漸增多，可耕地面積有限，棉花産量不足，因此，各國都競相發展合成纖維工業。聚酯絲(Polyester Filament)與聚酯棉(Polyester Staple)合稱為聚酯纖維，是生產最多的人造纖維。其生產方式有兩種，一是由PTA(Pure Terephthalic Acid純對苯二甲酸)與EG(乙二醇)直接聚合而成，二是由PTA與EG先製成聚酯粒。

一般聚酯粒可分為纖維用聚酯粒(Fiber chip)與瓶用聚酯粒(PET Polyethylene terephthalate聚對苯二甲酸乙二)，生產1噸PET大約需要0.85~0.86噸的PTA和0.33~0.34噸的EG，也因此對苯二甲酸的生産也隨之發展很快。目前國內八成多的PTA用以生產聚酯纖維，再製成紗布、成衣、汽車安全帶等。其餘則用來製成聚酯粒，再生產寶特瓶、聚酯薄膜、媒體視聽器材、醫療X光片等產品。在其他方面的應用還有做爲染料中間體以及生産絕緣漆和飼料添加劑等。

製程生產

PTA為石油的下游產品，是重要的有機化工原料，是産量最大的二元羥酸。第一個工業化的生産方法是硝酸氧化法。但隨著聚酯工業的發展，目前最經濟也是採用最廣泛的是以對二甲苯爲原料的高溫液相氧化法，此方法收率高，流程短。若採用對二甲苯低溫氧化法，反應條件較溫和，腐蝕性小，但流程較長，只有少數工廠採用。

製程生產對苯二甲酸主要由對二甲苯（p-Xylene）配方占65%~67%為原料的液相空氣氧化得到。由於第二個甲基不易氧化，反應過程易停止在對甲基苯甲酸或對羥基苯甲醛階段。爲使氧化反應能繼續進行，採用高溫和在醋酸鈷-醋酸錳催化劑中加入助催化劑溴化物（常用四溴乙烷），溴化物所産生的溴可引發産生自由基鏈式氧化反應，氧化反應一般在塔式反應器中進行(空氣氧化占35%~33%)，反應溫度爲175～230℃，反應壓力爲1.5～3.0MPa，停留時間爲0.5～3h。氧化産物呈泥漿狀，再以離心分離、乾燥後即得固體的粗對苯二甲酸，其中最有害的雜質是對羧基苯甲醛（含量1000～5000ppm）。

一般市面上都使用精對苯二甲酸直接作聚酯的原料，因此必須再將粗對苯二甲酸提純，粗對苯二甲酸的精製最好的方法是採用加氫法，即在高溫、高壓下溶於水，然後在鈀催化劑存在下對雜質進行加氫，經結晶、過濾，即得纖維級（適於紡絲的純度規格）精對苯二甲酸，産品中對羧基苯甲醛的含量可小於25ppm。

製程分析與監控

製程安全與高效率的生產是專利商和生產廠家追求的目標。因此在整個製程監控必須針對製程效率、製程安全、品質控制、及必須符合環保法規來監測。

在PTA 生產中的核心流程PX 氧化(如圖一)。首先，空氣進入氧化反應器使對二甲苯氧化成對苯二甲酸，並生成二氧化碳和一氧化碳。

The reactor off-gas has the following typical composition:

Nitrogen approx. 90%                      Oxygen 4%

Carbon dioxide 3%                    Carbon monoxide <1%

Acetic acid 2%                               Water vapour 1%

(plus traces of p-Xylene, other organics, and possibly acidic catalyst)

(圖一)

在此最關鍵的量測是監控未完全反應的氧濃度，在氧化反應器內一般剩餘的氧濃度約在4~5%。如果濃度過高，一些可燃的物質因氧化失控，在反應器內可能導致爆炸危險的情況發生。如果濃度過低，氧化不足會導致產品產量減少，造成生產效率低落。

在結晶槽中，當PTA產品從液態溶劑中結晶時，包含有很多的醋酸氣。醋酸氣體是非常容易爆炸的，因此量測結晶槽內氣體中氧氣的濃度作為爆炸風險的警示也是非常必要的。除此之外，量測二氧化碳或一氧化碳濃度，可以幫助瞭解更多有關氧化過程的條件。

通常監控氧化過程的安全和生產效率所需的量測範圍氧濃度為0~10%，二氧化碳及一氧化碳的濃度分別為0~5%及0~1%。在此量測最關鍵的性能參數，特別是氧氣的量測，就必須要選擇性能可靠，反應速度快(在完整系統中，反應速率30~45秒內需能達到T90)，穩定性良好，故障率低，精度高和維護容易的線上氣體分析儀系統，同時也要能符合危險區域的限制。

為了達成這關鍵的分析，SERVOTOUCH OxyExact 2200順磁式氧氣分析儀(如圖二)及SpectraExact(2500適用單一成份量測))或(2550適用雙成份的量測)紅外線分析儀(如圖三)是最好的選擇。SERVOTOUCH OxyExact(2200)順磁式氧氣分析儀採用可高達溫度110℃及抗腐蝕的感測元件(非消耗性)，不需參考氣體。在特定量測中不易受易燃及腐蝕性溶劑的影響，提供最佳測量的可靠性及重複性。溫度操作範圍寬，具有良好的反應速率，廣泛應用在氧化反應控制系統設備。SpectraExact(2500適用單一成份量測))或(2550適用雙成份的量測)紅外線分析儀，採用單光束雙波長紅外線，GFC技術，這一技術可降低交叉干擾且可大大提升靈敏度，具有非常高的穩定性，也廣泛使用於需要對溶劑和液體併行微量分析的領域。這兩種都有完整的防爆認證(ATEX Category 2 or 3)可使用在危險區域(不需purge)。同時結合精心設計的樣品前處理取樣系統，根據工廠內所含大量的醋酸和 PTA 粉末，高溫高壓來設計。採取四級處理，來處理高壓、高溫、微量對二甲苯和具腐蝕性的醋酸蒸汽。其他量測包括醋酸液體內的含水量，使用SERVOTOUGH SpectraExact（2500）來測量，協助醋酸溶劑再利用回收及淨化。進一步量測更包含輔助鍋爐的燃燒效率及煙囪排放等。

結論

PTA 是聚酯纖維和非纖聚合物的重要基礎原料，其下游產品聚酯主要用途是生產聚酯纖維(滌綸)、聚酯瓶片和聚酯薄膜，廣泛用於與化學纖維、輕工、電子、建築等國民經濟的各個方面，與人民生活水準的高低密切相關。隨著科學技術的發展，以PTA 為原料的高科技產品層出不窮，其應用領域也在不斷擴大著，不僅化纖紡織應用廣泛，而且食品包裝中越來越多地應用聚酯材料，並在醫藥、化妝品等非食品包裝中以及在PBT 工程塑料、不飽和聚酯樹脂等行業的應用具有廣闊的前景。

仕富梅是英國專業線上氣體分析儀生產廠商，由於其產品可靠穩定，精度高， 能夠根據PTA 生產製造特點設計，配套的樣品前處理系統和堅固耐用的分析儀測站，是PTA 生產安全連鎖控制和產品品質控制最關鍵性的作用。為國內外 PTA 製造商和生產商廣泛採用。