PET合成工艺课设资料

1目录第一章总论.............................................3PET简介.............................................3PET的发展历史与现状..................................3第一节设计依据......................................4第二节产品方案......................................6第二章生产方法与工艺流程...............................8第三章工艺计算........................................15第一节物料衡算.....................................15第二节能量衡算.....................................20第三节设备选型.....................................23第四章小结............................................24PET的发展前景.......................................24心得体会............................................25参考文献............................................262第一章总论聚对苯二甲酸乙二醇酯化学式为-[OCH2-CH2OCOC6H4CO]-英文名:polyethyleneterephthalate，简称PET，为高聚合物，别名涤纶树脂或聚酯树脂，俗称涤纶。由对苯二甲酸乙二醇酯发生脱水缩合反应而来。对苯二甲酸乙二醇酯是由对苯二甲酸和乙二醇发生酯化反应所得。由于它的原料纯对苯二甲酸和乙二醇及合成树脂技术成熟，其发展速度使任何一种纤维都难以比拟。PET是乳白色或浅黄色、高度结晶的聚合物，表面平滑有光泽。在较宽的温度范围内具有优良的物理机械性能，长期使用温度可达120℃，电绝缘性优良，甚至在高温高频下，其电性能仍较好，但耐电晕性较差，抗蠕变性，耐疲劳性，耐摩擦性、尺寸稳定性都很好。PET有酯键，在强酸、强碱和水蒸汽作用下会发生分解，耐有机溶剂、耐候性好。缺点是结晶速率慢，成型加工困难，模塑温度高，生产周期长，冲击性能差。一般通过增强、填充、共混等方法改进其加工性和物性，以玻璃纤维增强效果明显，提高树脂刚性、耐热性、耐药品性、电气性能和耐候性。但仍需改进结晶速度慢的弊病，可以采取添加成核剂和结晶促进剂等手段。加阻燃剂和防燃滴落剂可改进PET阻燃性和自熄性。PET的用途不主要局限于纤维，而是进一步拓展到各类容器、包装材料、薄膜、胶片、工程塑料等领域，目前，PET正在越来越多地取代铝、玻璃、陶瓷、纸张、木材、钢铁和其他合成材料，聚酯的家庭也在持续扩大。它优良的综合性及较好的服用性，在保持其固有特点同时，在接近天然化如穿着舒适性、染色性、抗静电性、吸湿性及外表美观等方面更接近于天然纤维，因此使其更具发展优势。而且近年来随着人们生活水平的提高，我国乃至全球对聚酯的需求越来越大，更为我国聚酯行业的发展带来巨大的商机，我们应该抓住这难得的机会，不断完善和提高聚酯的生产技术，并研究开发新型聚酯产品，以增强我国聚酯行业的竞争能力。PET简介1.1PET的发展历史与现状第一节设计依据一、设计题目PET合成工艺设计3二、基本资料1、生产数据资料：①生产规模：年产量11万吨/年；②生产时间：年工作日300天/年；③相关技术指标：工艺配方：催化剂用量：c=0.05%（质量）PTA消光剂用量：d=0.5%（质量）PTA（配制成20%EG混合浆液）投料配比：EG：PTA=1.12（摩尔比）切粒、包装工序物料损失率：e=0.5%各反应器工艺控制参数及相关的气液平衡数据表反应器位号R101R102R201R202R203酯化率0.890.970.9911缩聚反应程度0.750.870.960.9840.9901EG：PTA（摩尔比）1.121.121.051.0261.0099平均聚合度4.07.692325.062.5101.0抽出低聚物/%（质量）000.10.050水汽化/%（质量）9790气相EG/%（摩尔）36.7539.372、工艺流程PET是生产涤纶纤维的原料，是合成纤维中产量最大的品种。要求采用PTA直接酯化缩聚连续操作工艺，采用高纯度对苯二甲酸（PTA）与乙二醇（EG）为原料，经过酯化反应阶段和缩聚反应阶段生成聚对苯二甲酸乙二醇（PET）。PET的生产过程主要由浆料配制工序、聚合工序、切粒包装工序、回收工序。聚合工序采用二级酯化釜、三级缩聚釜。三、设计内容根据所给的工艺要求和其它数据资料，进行PET合成工艺设计，具体内容包括：1、确定PTA直接酯化缩聚连续操作的工艺流程；2、对连续聚合反应过程进行物料衡算；3、关键设备的选型；4四、设计成果1、编写设计说明书一份；2、绘制PTA直接酯化缩聚连续操作工艺流程图，物料流程图；3、绘制搅拌反应器、精馏塔结构示意图；4、绘制关键设备布置图。第二节产品方案1、PET的性质2、PET的性能与用途PET的主要性能第二章生产方法与工艺流程1、PET的主要生产方法聚酯(PET)既可由对苯二甲酸二甲酯(DMT)与乙二醇(EG)反应制得，也可由对苯二甲酸(PTA)与乙二醇反应制得。目前，世界各国PET生产采用的技术路线主要就是这两种，称为DMT法(也称酯交换法)和PTA法(直接酯化法)。（1）酯交换法DMT法是采用对苯二甲酸二甲酯(DMT)与乙二醇(EG)进行酯交换反应，然后缩聚成为PET。早期生成的单体PTA纯度不高，又不易提纯，不能由直缩法制得质量合格的PET，因而将纯度不高的TPA先与甲醇反应生成对苯二甲酸二甲酯（DMT），后者易于提纯。再由高纯度的DMT（≥99.9％）与EG进行酯交换反应生成BHET，随后缩聚成PET，其反应如下：（2）直接法PTA法采用高纯度的对苯二甲酸(PTA)或中纯度对苯二甲酸(MTA)与乙二醇(EG)直接酯化，缩聚成聚酯。这种直接酯化法是自1965年阿莫科公司对粗对苯二2CH3OH+HOOCCOOHCH3OCOCOOCH3+2H2OCH3OCOCOOCH3+2HOCH2CH2OHBHET+2CH3OH酯交换BHETPET缩聚5甲酸精制获得成功后发展起来，此后发展迅速，PET生产也随之得到了很快的发展。采用PTA为原料，PET聚酯聚合物的生产主要有以下两步反应：第一步是PTA与EG进行酯化反应，生成对苯二甲酸乙二酯（或称对苯二甲酸双羟乙酯，简称BHET）；第二步是BHET在催化剂作用下发生缩聚反应生成PET。其反应如下：由于PTA法比DMT法优点更多(原料消耗低，EG回收系统较小，不副产甲醇，生产较安全，流程短，工程投资低，公用工程消耗及生产成本较低，反应速度平缓，生产控制比较稳定)等，目前世界PET总生产能力中大多采用PTA法。（3）环氧乙烷加成法因为乙二醇是由环氧乙烷制成的，若由环氧乙烷（EO）与PTA直接加成得到BHET，再缩聚成PET。这个方法称为环氧乙烷法，反应步骤如下：此法可省去由EO制取乙二醇这一步骤，故成本低，且反应又快，优于直缩法。但因EO易于开环生成聚醚，反应热大（约100kJ/mol），EO在常温下为气体且易热分解，运输及储存都比较困难，所以此法尚未大规模采用。2、合成树脂的主要原料(1)PTA：对苯二甲酸（terphthalicacid或1,4-benzenedicarboxylicacid，即TA）,而PTA则是纯对苯二甲酸（purifiedterephthalicacid）的简称，分子式为C8H6O4，结构式为HOOC—C6H4—COOH，相对分子量为166.133。生产对苯二甲酸的经典方法包括Witten法（既合并氧化、酯化法）、亨格尔法亨格尔（Henkel）法和硝酸氧化法。目前全球PTA的年产量已达3000万吨，其绝大部分用于生产聚对苯二甲酸乙二酯（PET），并进一步用来生产纤维、瓶片和薄膜等。PET聚酯生产所需的原料都必须高纯，尤其是生产相对分子质量大的聚合物对原料的纯度要求更高。一般要求PTA的纯度达到99.96％（质量分数）以上。PTA的主要性能要求见表1。表1精对苯二甲酸的主要指标2HOCH2CH2OH+HOOCCOOHHOCH2CH2OCOCOOCH2CH2OH+2H2OnBHETHOCH2CH2OCOCOOCH2CH2OH+(n-1)HOCH2CH2OHHOOCCOOH+2H2CCH2OBHETPET缩聚加成（PTA）(EO)6性能单位指标纯度酸值对甲苯甲酸含量4-羧基苯甲醛含量湿度金属含量离子含量灰分％（质量）mgKOH/gμL/LμL/L％（质量）μL/LμL/LμL/L≥99.9667560～1005～100.16～71～210（2）EG：纤维级的乙二醇，最低纯度为99.7％（质量），二酐醇最大含量为0.1％（质量），这种规格也适用于生产相对分子质量更大的包装用树脂。工业上合成乙二醇的方法有四种：氯乙醇水解法、二氯乙烷水解法、环氧乙烷水和法和甲醇-一氧化碳合成法。表2为纤维级乙二醇的商品规格。表2纤维级乙二醇的商品规格性能单位规格乙二醇含量二酐醇含量沸点范围相对密度（20℃）透射率350nm276nm220nm含水量铁离子含量乙酸含量醛含量外观％（质量）％（质量）℃％％（质量）μL/L％（质量）μL/L≥99.7≤0.1196～200℃1.1150～1.1156≥92≥90≥60≤0.3≤1.0≤0.005≤30纯净透明的液体（3）添加剂：在BHET缩聚中尚需加入各种添加剂，其作用及要求见表3。7表3各种添加剂的作用和要求名称作用和要求代表催化剂稳定剂消光剂1促进反应，要求活性高2对聚合物的热稳定性影响下3可溶于反应混合物4在酯交换或缩聚前加入1防止聚合物受热分解2酯交换后期或缩聚前加入调节纤维的光泽，要求粒度细，分散性好，缩聚或纺丝前加入三氧化二锑0.03％（DMT）醋酸锑0.01％~0.05％（DMT）亚磷酸，磷酸二甲酯，磷酸二苯酯0.03％（DMT）二氧化钛0.3％~1％（DMT）①催化剂为了加速BHET的缩聚反应，常须加入催化剂。对催化剂的要求应力为：有较强的催化作用；不催化副反应及PET的热降解反应；能很好地溶解于PET中，且不使PET着色。在PTA与EG直接酯化或酯交换中所用催化剂，如醋酸钴、钙、锌等化合物虽然对BHET的缩聚反应也有催化作用，但他们在高温下却能使PET加速热降解，自身又能被产生的羧基抑制而“中毒”失去催化效用。经过大量的筛选和研究，至今找到的最合适的BHET缩聚催化剂是Sb2O3。由动力学研究测知，Sb2O3的催化活性与反应中羟基的浓度成反比。在缩聚反应的后期，PET分子量上升，羟基浓度下降，使得Sb2O3的催化活性更为有效。Sb2O3的用量一般为PTA质量的0.05％，或DMT质量的0.03％～0.05％。因Sb2O3溶解性稍差，近年来有采用溶解性好的醋酸锑，或热降解作用小的锗化合物，也有用钛化合物的。②稳定剂为了防止PET在合成过程中和后加工熔融纺丝时发生热降解（包括热氧降解），常加入一些稳定剂。工业上最常用的是磷酸三甲酯（TMP）、亚磷酸三苯酯和磷酸三苯酯（TPP）。尤其是后者效果更佳，因为它还具有抗氧化作用。对稳定剂的作用有两种观点；一种认为是封锁端基的作用，防止PET降解；另一种认为是稳定剂能与直接酯化过程中的催化剂金属醋酸盐相互结合，抑制了醋酸盐对PET热降解反应的催化作用。稳定剂用量越高，即PET中含磷量越高，其热稳定性也越好。但是稳定剂可使缩聚反应的速度下降，在同样的反应时间下所得PET的分子量较低，即对缩聚反应有迟缓作用，工业生产中必须考虑这个副作用。稳定剂用量一般为PTA的1.25％（质量），或DMT的1.5