酯交换法生产PET工艺流程设计

酯交换法生产PET工艺流程设计院、部：学生姓名：指导教师：职称专业：班级：完成时间：摘要本设计是年产八万吨聚对苯二甲酸二乙醇脂（PET）合成的工艺设计。本文对PET的研究，生产进行了详细的概述，阐述了其在化学工业中的作用与地位。并介绍了PET的制备方法和确定了PET的生产工艺。在确定PET生产工艺的基础上进行了物料衡算，热量衡算，主要设备选型，工艺管路设计。利用AutoCAD软件绘制主要设备图，工艺流程图以及车间布置图。文中还对三废处理及废料回收、节能措施与安全防范、技术经济初步分析核算进行了简单的阐述。关键词：聚对苯二甲酸二乙醇脂；PET；AutoCADABSTRACTThisdesignisanannualoutputofeightythousandtonsofpolyethyleneterephthalate(PET)processdesign.Inthispaper,thePETstudy,adetailedoverviewoftheproduction,expoundsitsroleandpositionchemicalinindustry.AndintroducesthepreparationmethodofthePETandsetthePETproductiontechnology.IndeterminingthePETproductiontechnologyisconductedonthebasisofthematerialbalancecalculations,heatbalancecalculations,themainequipmentselection,processpipingdesign.UseAutoCADsoftwaredrawthemainequipmentfigure,processflowdiagramandworkshoplayoutfigure.Thepaperalsoforwastetreatmentandrecycling,energysavingmeasuresandsafety,preliminaryanalysisontechnicalandeconomicaccountingsimplyexplained.Keywords:polyethyleneterephthalate;PET;AutoCAD目录第一章绪论01.1PET简介01.1.2PET结构及性能21.1.3合成PET的副反应31.2聚酯的应用5第二章工艺流程和方案的说明及论证52.1工艺路线的选择错误!未定义书签。2.1.1合成原理52.1.2合成路线的选择及流程简述62.1.3合成路线62.2工艺流程设计82.2.1连续缩聚82.2.2间歇缩聚92.3工艺参数的选择错误!未定义书签。2.3.1催化剂92.3.2稳定剂92.3.3缩聚反应的温度与时间102.3.4缩聚反应的压力102.3.5搅拌的影响112.3.6其他添加剂112.4影响聚酯反应的因素122.4.1EG/DMT投料比122.4.2反应温度122.4.3酯化反应时间122.4.4缩聚反应釜的真空度132.4.5缩聚反应温度132.4.6缩聚反应时间132.5工艺流程图的绘制及说明132.5.1PET生产工艺流程简图132.5.2生产工艺流程说明14第三章物料衡算错误!未定义书签。3.1酯交换阶段153.1.1第一酯交换器R101物料衡算153.1.2第二酯交换器R102物料衡算163.1.3第三酯交换器R103物料衡算173.1.4BHET储槽物料衡算183.2缩聚阶段193.2.1第一缩聚釜R301物料衡算203.2.2第二缩聚釜R501物料衡算213.2.3第三缩聚釜R502物料衡算213.3切粒包装22第四章热量衡算错误!未定义书签。4.1能量衡算概述224.2能量衡算遵循的原则234.3主要反应条件234.4主要计算过程244.5各应器能量平衡26第五章聚合釜及各设备选型错误!未定义书签。5.1釜的选型265.2其他设备的选型265.2.1搅拌器的选型275.2.2换热器的选型285.2.3EG进料管道的选型28第六章聚酯生产的三废处理286.1聚酯生产的三废处理286.2聚酯废料的回收29参考文献31致谢32第一章绪论1.1PET简介聚酯是热塑性饱和聚酯的总称，它包括PET、PEN、PCT及其共聚物等。其中PET是开发最早、产量最大、应用最广的聚酯。聚对苯二甲酸乙二醇酯，英文名polyethyleneterephthalate(简称PET)，1941年由英国的J.R.Whenfield和J.T.Dikson采用乙二醇与对苯二甲酸直接酯化缩聚而得。最初是作为合成纤维的原料而开发的，1950年，美国DuPont公司以它为原料，首次开发了聚酯纤维。然而当时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，它逐渐替代了DMT成为生产PET的原料。采用高纯度的PTA不需回收，也不用回收甲醇，而且还有一个优点就是预聚合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。自从PET商品化以来，非纤维方面由于廉价的原料以及所制的薄膜和容器具有诸多优点，如质轻、透明、容易重新密封，因而其使用领域日益扩大，用量亦越来越大，成为塑料包装中用量增长最快的树脂。目前世界上每年仅PET瓶消费树脂就高达300万吨以上，大部分作为一次性包装使用。近几年来，随着人们生活水平的不断改善，和消费水平的日益提高，对塑料包装的高性能、多功能性及环境保护性的要求也越来越高。近几十年来，由于聚酯在纤维和非纤维领域的发展都较快，需求日益扩大，因此在世界范围内，尤其是亚洲地区的聚酯生产飞速发展，同时也促进和带动聚酯上下游产业的成长。PET聚酯可由乙二醇和对苯二甲酸反应而得，也可由乙二醇与对苯二甲酸二甲酯反应而得，但较为常见的方法还是用乙二醇与对苯二甲酸缩聚制得。对苯二甲酸的结构式为：对苯二甲酸是芳香族二元羧酸的一种，在常温下，外观为白色晶体，无毒，易燃。稍溶于水，不溶于氯仿、乙醚、醋酸，能溶于碱。物性常数如下：相对分子质量166.13相对密度1.55熔点384～421℃升华点402℃自然点680℃升华热98.4kJ/mol燃烧热3227.8kJ/mol生产二甲酸的方法较多，就是现在使用的方法也还在不断改进，主要的方法有下面三种[2]。（1）对二甲苯高温氧化法（Amoco法——美印第安纳标准石油公司，SD法或M.C法——美国Mid-Century公司的A.Saffer和R.S.Barker发明）其反应如下：此法收率为90%～95％，其工艺流程较简单，设备数量少，占地小，投资少，在世界上聚酯原料产量的第一位，且可制成精PTA用于直接酯化。但溴化物及醋酸对设备腐蚀严重，需用钛材或衬钛。（2）对二甲苯低温氧化法（Mobil法，Kodak-Eastman法和东丽法）为了进一步改革对二甲苯高温氧化法，采用氧化促进剂进行氧化，以醋酸为溶剂，醋酸钴作催化剂，在100～150℃下进行氧化，不用钛材，但工艺流程较复杂，设备台数多。Mobil法使用的氧化促进剂为甲乙酮，压力为15atm，时间为2h，收率为98％。Eastman法采用乙醛为氧化促进剂，压力10kg/cm2，收率为95％。东丽法用三聚乙醛做氧化催进剂，压力28～35kg/cm2，收率为95％。（3）对二甲苯分段氧化法（Hercules-Witten法）整个工艺过程为二步氧化和二步酯化，又称四步法，反应式如下：CH3CH3O2COOHCOOHCH3OHCOOCH3CH3O2COOCH3COOHCH3OHCOOCH3COOCH3HOOC对苯二甲酸二甲酯的结构式为：对苯二甲酸二甲酯是芳香族的一种，在常温下，外观为白色晶体粉末，无毒、易燃，其蒸汽或粉尘与空气混合至一定比例，能发生爆炸。物性常数如下：相对分子质量194.18相对密度1.065熔点140.65℃沸点288℃纯度99.9％对苯二甲酸二甲酯由对苯二甲酸与甲醇酯化，然后经重结晶或真空蒸馏制得。乙二醇的结构式为：HO－CH2－CH2－OH乙二醇为无色微粘稠液体。具有较强的吸湿性，有醇味但不能饮用。可以和水、醇、醛、吡啶等混溶，微溶于乙醚。其物性常数如下：相对分子质量62.07熔点－13℃沸点197.6℃闪点(开口)116℃相对密度1.1154黏度(20oC)20.93折射率1.4316膨胀系数0.00062介电常数38.66乙二醇主要由环氧乙烷水合制得。1.1.2PET结构及性能PET分子可表示为：若原料中不含有官能度ƒ=3的杂质，或合成时不发生副反应而支化，则PET大分子是具有对称性芳环结构的线型大分子。由于分子中C－C键的内旋转，PET分子中可有两种构象，即有顺式（无定形）和反式（结晶态）两种。顺式（重复周期为1.09nm）反式（重复周期为1.075nm）（其能量低于顺式构象）这种大分子长链既对称，又规整，所有的苯环几乎处于同一平面上，且沿着分子长链方向拉伸时能互相平行排列，故能紧密敛集而易于结晶。表1聚酯切片的质量指标序号项目单位指标1特性黏度（在20℃苯酚/四氧乙烷1：1，0.5％液中测得）0.072黏度波动范围≤±0.13相对黏度（在20℃，1％间甲苯酸中测得）≤1.644熔点℃2605TiO2含量（相对于消光剂0.4％）％0.40±56端羧基（－COOH）mval/kg≤287二甘醇（DEG）wt％≤1.18色相（用DUPONT法测定）L≥829水含量（切片）wt％≤0.410111213灰分（不含TiO2）凝聚粒子10µm5～10µm铁含量wt％个/mg个/mgppm≤0.04无0.4≤31.1.3合成PET的副反应PET合成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酯（PET）。缩聚反应过程总是通过一定的方法实现的。目前工业上广泛采用的有熔融缩聚、溶液缩聚和界面缩聚等方法。PET的合成采用的是熔融缩聚，即在反应中不加溶剂，使反应温度在原料单体和缩聚产物熔化温度以上（一般高于熔点10～25℃）进行的缩聚反应。熔融缩聚法的特点是反应温度高（一般在200℃以上）。温度高有利于提高反应速率和低分子副产物的排除。此法一般用于室温下反应速率很小的可逆缩聚反应。熔融缩聚生产工艺简单，由于不需要溶剂，减少了溶剂蒸发的损失和省去回收溶剂的工序，减少污染，有利于降低成本。由于反应为可逆平衡，在生成大分子的同时，还有若干副反应产生，这些可看作逆反应，PET合成的副反应可分以下三个方面：（1）单体或低聚物的环化反应环化物的含量温度的升高而增加。往往生成通式为COCOO(CH2)2OnCOCOO(CH2)2O的环化物（n一般为2）。当温度有210℃升到340℃时，其含量由1％增加到5％。（2）单体的副反应由于熔融缩聚的反应温度较高，在缩聚过程中常发生各种各样的副反应。a.单体乙二醇形成二氧六环温度越高，反应越明显。b.乙二醇的脱水反应如果催化剂为醋酸锌，此种反应更为明显。此外，乙二醇还可进行二聚反应。而二元羧酸单体，在反应温度较高时也会发生脱羧反应。（3）聚合物的副反应a大分子链端基的裂解与环状齐聚物的形成HO(CH2)2O(CH2)OH→CH2＝CHO(CH2)OH+H2OCH2=CHO(CH2)2OH→2CH3CHO由于大分子链中酯键的裂解作用，或分子内、分子外的酯交换作用，使缩聚过程中生成环状齐聚物。OCOCOCH2CH2OCOOCOCOCOCH2CH2OHOOCH2CH2OH+OCOCOCHCH2OHOCOOCH2CH2COOb大分子链的热裂解与链交换作用PET大分子链中的酯基（）能与体系中存在的水、酸、醇等进行裂解反应，且链节之间进行交换。这种酯键的热裂解反应是一种亲电子的异裂反应，羧基上的氧原子向位于酯键β位的氢原子进攻，形成羧基和烯烃，这种热裂