年产9万吨聚对苯二甲酸乙二醇酯的工艺初步设计

湖南科技大学毕业设计（论文）1年产9万吨聚对苯二甲酸乙二醇酯的工艺初步设计专业化学工程与工艺作者李姗姗指导老师罗娟摘要本设计为年产9万吨聚对苯二甲酸乙二醇酯的工艺初步设计，首先介绍了聚酯的国内外生产状况、主要性能及用途；针对酯化、预缩聚、终缩聚三个必要的工艺阶段，讨论了各段的目的和反应过程的特点，阐述了聚酯的合成原理并选择了聚酯的合成路线，进行了聚酯五个反应釜各工艺阶段的物料衡算、热量衡算、经济衡算；还介绍了聚酯瓶的回收利用。最后绘制了带控制点的工艺流程图、主要设备图及车间平面布置图。关键词聚酯；工艺设计；酯化；缩聚湖南科技大学毕业设计（论文）2前言聚对苯二甲酸乙二醇酯英文名称Polyethyleneterephthalate简称PET,别名涤纶树脂或聚酯树脂，俗称涤纶。PET是由对苯二甲酸和乙二醇经酯化和缩聚而成的高聚物，是热塑性聚酯之一，英国的卜内门（ICI）公司的Crothers于20世纪30年代末发现，40年代投入工业化生产，主要用于生产涤纶纤维。1953年杜邦公司首次开发出PET纤维产品。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。我国自20世纪50年代开始生产PET，现在生产能力很大。2000年总生产能力可达5000Kt/a。国内在90年代引进了吉玛、钟纺、伊文达和杜邦的工艺，使聚酯生产进入了工业腾飞时期。但目前PET树脂多用于纤维生产。PET工程塑料产品成本低，工作性优于PBT，且原料易得，可加速发展PET塑料的开发与应用。在我国，早在二十世纪九十年代前后，中国石化巴陵公司就完成了PET工程塑料的实验室研制项目。然而，到目前为止，我国PET工程塑料的生产并没有大规模推广开来，只有极少量生产，基本上还属于空白，因此也有着极大的发展潜力。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。湖南科技大学毕业设计（论文）31PET简介1.1PET的发展历史与现状聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是1941年英国的J.R.Whenfield和J.T.Dikson采用乙二醇与对苯二甲酸直接酯化缩聚制得，最初是作为合成纤维的原料而开发的。PET是饱和聚酯中最早商品化的。1946年英国ICI公司首先将PET工业化，美国的杜邦于1948年开始生产，主要由于纤维和薄膜类制品，直到1966年日本帝人公司开发出玻璃纤维增强制品后，才开始用于工程塑料领域。前期对苯二甲酸的精制工艺尚未工业化，首先工业化的是对苯二甲酚二甲酯（DMT）生产工艺，因此直到20世纪60年代中期，DMT一直是PET生产的主要原料。随着高纯度对苯二甲酸（PTA）工艺的不断发展，尤其是Amoco公司在这方面做出很多工作，使得对苯二甲酸PTA开始用于PET生产而且还逐渐替代了DMT成为PET生产厂家的首选。采用高纯度的PTA不需要回收，也不用回收甲醇，而且还有一个优点就是预聚化物的酯化过程比酯交换反应快得多，酯交换反应是由DMT作原料生产PET的第一步反应。聚酯在20世纪70年代以前一直保持高速发展，其生产增长率为:1960年200%、1965年50%、1970年60%，此后增速减缓并呈周期性发展趋势，1975年增速为30%、1982年为10%、1987年为12.6%、1992年为6%、1999年为4.3%、2001年为4.8%。20世纪90年代，聚酯工业的发展重心开始转向亚洲。前半期，世界聚酯工业发展非常迅速。一方面，由于80年代末90年代初亚太地区经济高速增长，带动全球经济增长，因而聚酯需求也随之出现较大的增长，聚酯市场出现供不应求的现象，到1995年供不应求的矛盾发展到顶峰。90年代后期，由于生产能力增长过快产能扩充过多和亚洲金融危机的影响，除中国外世界聚酯产业出现供过于求的局面。到1999年，聚酯工业又迎来新的发展阶段，主要由于瓶用和膜用、复合等非纤用聚酯的用量增加，衣用涤纶需求也达到高峰。从1999～2005年，聚酯产能年均增长率为6.6～8%。从2000年开始，世界聚酯工业又进入新一轮的快速发展期。PET聚酯曾以二位数速率增长，效益高于大多数其他塑料树脂。前10年内，其占全球塑料需求份额翻了一番，达到占6%。在聚酯产品上，非纤聚酯的发展速度很快。1996年，世界聚酯包装树脂和薄膜产量分别为451.9万吨和138.2万吨，占世界聚酯总产量的20.7%和6.3%，1998年则分别为699.5万吨和163.1万吨，占世界聚酯总产量的24.6%和5.7%。2000年分别达到823.6万吨和176.9万吨，年均增长率分别为17.6%和6.2%，各占世界聚酯总产量的26.0%和5.59%。我国聚酯的生产起步较晚，70年代开始形成上海、天津、辽阳等生产基地，80年代国产间歇式、半连续的小聚酯生产装置建设较多，据统计已有110家以上。全国93家较大聚酯生产厂总聚酯生产能力已由1997年334万吨/年增加到2000年676万吨/年，2001年底约达到730万吨/年。2002年我国聚酯生产能力同比增加200万吨/年以上，一举突破1000湖南科技大学毕业设计（论文）4万吨/年大关，达到1100万吨/年，占世界聚酯总生产能力的1/4以上，居世界聚酯生产的首位。1.2世界生产能力及技术分布PET的国外主要生产商有：美国杜邦公司、英国ICI公司、日本帝人公司、三菱人造丝公司、东洋纺织公司、钟渊化学公司等。我国的主要生产厂有：北京燕山石化公司、辽阳化纤公司、上海石化公司、新疆独山子石化公司、上海涤纶厂、岳阳化工厂、仪征石化公司及广州黄埔化工厂等。世界聚酯生产能力已由1998年2842.8万吨/年、1999年3147.2万吨/年、2000年3352.2万吨/年增加到2001年3645.5万吨/年、2002年3980.3万吨/年。世界聚酯装置正向更大经济规模方向发展。单系列生产能力已由20世纪80年代的100吨/天、200吨/天提高到90年代的300吨/天、400吨/天、480吨/天、600吨/天。目前世界前30家聚酯生产厂家的平均产能达到36万吨/年，规模最大的杜邦公司已达140万吨/年。PET树脂有很多专利生产技术，无论是酯化和缩聚过程(熔融相)还是生产较高粘度瓶用树脂的固相聚都有很多不同的工艺。其中熔融聚合方法的主要技术持有公司有吉玛公司、帝人公司、Kanebo公司、Ems-Inventa公司、JohnBrownDeutsche公司、杜邦公司以及Sunkyong公司等；固相缩聚方法的主要技术持有公司有吉玛公司、Bepex公司、Hosokawa公司、卡尔菲休公司、Sinco公司、Buehler公司以及Sunkyong公司等。这些公司的技术特点分述如下:（1）吉玛公司技术采用吉玛公司技术的装置单线生产能力大，最大单线设备能力为：酯化可达400t/d，缩聚达250t/d，若再增大，可在后缩聚再增加一台釜即可，使用原料范围广，PTA、DMT和MTA均可用；装置操作弹性大，允许在50％～100％的负荷下运行，甚至在35％负荷下亦可运行，采用刮板式冷凝器，有效地解决了齐聚物堵塞真空管道系统的病症，运转周期大为提高；辅助化工原料少，只用Sb(AC)3和TiO2两种，Sb(AC)3溶解性好、配制方便、活性高；引入了柔性生产体系（FMS），在后缩聚釜之后，增加了一个添加剂系统，在此加入TiO2染色剂等，以制造高浓度母料用以配料，增加了产品的灵活性；控制系统先进，采用计算机集中分散型控制，功能齐全，操作方便可靠。我国仪征、黑龙江、燕山共有五套装置采用吉玛技术。吉玛公司在世界上以连续缩聚技术及装置先进著称，为适应瓶用和帘子线用高粘PET的需要，也开发出连续固相缩聚技术和装置。采用的是流化床连续工艺，该方法是将原料PET切片（特性粘度为0.62～0.65L/g）用气流输送到切片料仓，再经旋转阀加到结晶器中，结晶器内通过热氮加热PET切片，使预结晶器内温度控制在170℃，切片的结晶度可达35％，氮气循环，部分送去精制。目前吉玛技术的固相缩聚装置能力可达150t/d。（2）钟纺公司技术钟纺公司技术和装置在世界上也属先进。他EG消耗量少，并在常压下生产，产品的二酐醇含量较低（0.76％），在各公司的装置中是最低的；无EG精制回收设备，从而简化了工艺，设备投资下降；缩聚系统设计合理，物料呈活塞流状态，无返混现象，产品质量稳定；清洁用的EG/TEG（三酐醇）在一套回收设备中回收，回收的EG/TEG再用于下次设备清洗，简化了工艺流程；充分利用压差和位差输送物料，使工艺线上用于物料输送的机械泵减少，物料平衡易建立，控湖南科技大学毕业设计（论文）5制操作方便，生产稳定，能耗也降低，同时生产控制先进，生产线操作、控制及管理高度自动化。目前，我国上海石化股份有限公司涤纶二厂、济南化纤总厂、枣庄化纤厂3套装置采用钟纺技术，但钟纺公司技术装置最大的缺点是操作弹性小，负荷只能在70％～110％范围内调整。（3）Inventa公司技术瑞士Inventa公司技术实际是德国卡而菲斯公司的技术，Inventa公司是承包设计公司。该公司的技术与装置开发虽然较晚，但发展迅速，近年该公司承包的PET装置数量仅次于吉玛公司。我国仪征化纤公司涤纶四厂，珠海裕华聚酸切片厂、厦门利恒涤纶有限公司等的三套装置均引进该技术。已经投产的Inventa技术和装置中，单系列生产装置一般为90t/d，最大为150t/d，其工艺特点为：PTA输送系统采用瑞士STAG公司的密相输送技术，其N2耗量少，输送能力大，管道自清理能力强；浆料配置效率高，PTA和EG的配制是采用特殊设计的组合型搅拌器，PTA在EG中的分散充分且均匀；装置设备较先进，主反应器内部结构精巧，但这种带鼠笼式指控器的反应器结构复杂，制作难道大，维修也困难；酯化、缩聚等主工艺过程充分利用压力差和位差作为物料搅拌和输送的动力，主流程中仅设浆料泵，预聚物进料泵和熔体泵，降低能耗；解决了缩聚真空系统的堵塞问题，即节能有减少污水；多功能切片生产技术（即柔性技术），可使终缩聚釜内的PET熔体分流，一部分经特殊装置加添加剂，另一部分为常规熔体，即可在一条线上生产多种产品，灵活方便。（4）DuPont公司技术DuPont公司从事聚合技术的开发已有五十来年，是世界上最早工业化生产PET的公司之一。早期采用DMT法连续化生产PET，20世纪80年代以来转向采用PTA连续化生产PET。该公司的PTA连续化生产技术和装置，已经出口至墨西哥、南斯拉夫、印度、前苏联、土耳其及我国。如我国苏州化纤厂、上海石化股份有限公司涤纶二厂和海口各有一套装置运用DuPont技术。DuPont技术工艺成熟，且具有一下特色。①由商釜、预、缩聚釜和终缩聚釜3个主反应器构成3釜流程。与上述3个公司的3釜流程相比，流程缩短、反应速度快、结焦面积和降解空间缩小、运转周期长、产品质量好。另外，设备和管道少、投资下降，公用工程消耗也下降。②酯化工艺采用高摩尔比[EG:PAT=(1.80～1.95):1]，高湿反应(较前述各法高5℃左右)，反应易于进行，且副反应可减至最少。③EG直接在系统中循环使用，无专门回收精制装置，减少了投资费用。④工艺及设备设计效率较高，反应时间短，因此，装置的单系列生产能力较大。目前最大的单系列装置能力为250t/d。⑤生产运转周期长，一般为1.5～2年，2年检修一次，年平均检修10天。DuPont技术虽然有不少优点，但是也有缺点，如产品中含EG偏高，色相值偏大，原料和公用工