精品毕业论文设计年产十万吨聚对苯二甲酸乙二醇酯工艺设计.docx
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精品毕业论文设计年产十万吨聚对苯二甲酸乙二醇酯工艺设计
年产十万吨聚对苯二甲酸乙二醇酯工艺设计
日期：
2012年6月10日
摘要
本设计是年产十万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。
并利用Aspen软件对主要的流程进行模拟。
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,Aspen,AutoCAD
Summary
Thisdesignisanannualoutputofonehundredthousandtonsofpolyethyleneterephthalate（PET）processdesign.Inthispaper,thePETstudy,adetailedoverviewoftheproduction,expoundsitsroleandpositionchemicalinindustry.AndintroducesthepreparationmethodofthePETandsetthePETproductiontechnology.IndeterminingthePETproductiontechnologyisconductedonthebasisofthematerialbalancecalculations,heatbalancecalculations,themainequipmentselection,processpipingdesign.AndsimulatingthemainprograssbythesoftwareAspen.UseAutoCADsoftwaredrawthemainequipmentfigure,processflowdiagramandworkshoplayoutfigure.Thepaperalsoforwastetreatmentandrecycling,energysavingmeasuresandsafety,preliminaryanalysisontechnicalandeconomicaccountingsimplyexplained.
Keywords:
polyethyleneterephthalate,PET,Aspen,AutoCAD
前言6
1概述7
1.1基本概念7
1.2聚酯产品规格3
1.3国内外聚酯生产现状3
1.4全球聚酯发展与展望4
1.5聚酯的应用5
2.PET简介6
2.1结构与性能6
2.1.1原料性能指标6
2.1.2PET结构及性能9
2.2合成PET的副反应10
3. PET生产工艺及工艺路线的选择12
3.1合成原理及路线12
3.1.1合成原理12
3.1.2合成路线12
3.2PET生产工艺流程15
3.2.1连续缩聚16
3.2.2间歇缩聚16
3.3合成路线的选择及流程简述16
3.4世界主要生产技术17
3.5PET生产工艺条件18
3.5.1催化剂18
3.5.2稳定剂18
3.5.3缩聚反应的温度与时间18
3.5.4缩聚反应的压力19
3.5.5搅拌的影响19
3.5.6其他添加剂20
3.5.7总结20
3.6影响聚酯切片质量的因素20
3.6.1EG/PTA投料比21
3.6.2反应温度21
3.6.3酯化反应时间21
3.6.4缩聚反应釜的真空度21
3.6.5缩聚反应温度21
3.6.6缩聚反应时间21
3.6.7凝聚粒子22
4物料衡算23
4.1物料平衡关系23
4.2物料发生的化学与物理化学变化23
4.2.1化学变化23
4.2.2物理化学变化（相变化）24
4.3其它数据24
4.4计算过程26
4.5物料平衡结果总汇31
5能量衡算34
5.1主要反应条件34
6非标准设备的计算及定型设备的选型35
6.1聚酯反应器的选型原理36
6.2第一酯化反应器37
6.2.1反应器体积37
6.2.2搅拌装置的设计39
7工艺管道的计算39
7.1EG进料管的选型39
7.2水蒸气排放管的选型40
8聚酯生产的三废处理及废料回收40
8.1聚酯生产的三废处理40
8.2聚酯废料的回收41
8.2.1传统的化学回收技术42
8.2.2聚酯回收技术进展42
8.2.3聚酯回收市场及工业前景分析44
9聚酯生产中的节能措施与安全防范45
9.1六种节能技术在聚酯生产中的应用45
9.1.1冷凝液回用45
9.1.2使用氧气尾气输送对苯二甲酸46
9.1.3优化工艺降低反应水中乙二醇（EG）含量47
9.1.4EG回用47
9.1.5热媒炉“油”改“气”47
9.1.6聚酯装置碱洗技术48
9.2安全防范48
9.2.1防火防爆48
9.2.2防毒49
9.2.3防烫伤49
9.2.4防辐射49
10技术经济初步分析核算50
11计算机模拟过程52
11.1.画出流程图52
11.2.基本设置52
11.3.定义组分52
11.4.定义聚合物的连段结构53
11.5.聚合物属性的定义53
11.6.定义低聚物54
11.7.热力学方法的选择54
11.8.输入进料数据54
11.9.输入反应器数据55
11.10.反应基团定义55
11.11.定义反应速率常数56
11.12.给每个反应定义反应速率常数56
11.13计算结果57
参考文献58
致谢59
前言
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。
聚酯的用途可分为纤维和非纤维两大类。
聚酯开发初期主要用于制造合成纤维（占PET消耗量的70％左右），以聚酯为原料生产的聚酯纤维因其极佳的纺用性能，能很好地替代天然纤维中的棉花、羊毛、真丝、麻类纤维等，其用量很快超过尼龙纤维，成为合成纤维的主导产品。
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。
1概述
1.1基本概念
高分子化合物（macromolcularcompound）：
是由成千上万个原子通过化学键连接而成的高分子（macromolecule）所组成的化合物，简称为聚合物[1]。
聚酯：
是指高分子主链上具有重复羰酯结构的树脂状高聚物，由二元酸或二元醇与二元或多元酸缩聚而成。
有聚酯树脂，聚酯纤维和聚酯橡胶等。
按所用酸不同，又可分为饱和聚酯和不饱和聚酯。
饱和聚酯：
是饱和二元酸和二元醇经缩聚反应而得，是在大分子主链上含有许多酯键的一大类聚合物。
饱和聚酯通常指的是聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethleneterephthalate，PET），聚对苯二甲酸丁二醇酯（polybntyleneterephthalate，PBT），聚萘二甲酸乙二酯（polyethylenenaphthalate，PEN）。
不饱和聚酯：
是含有碳碳双键的线性共聚物，在有游离基引发剂存在条件下，这些双键可以进一步聚合。
这种共聚酯通常是由一个饱和二元羧酸或其酸酐，一个不饱和二元羧酸或其酸酐和一个或多个二元醇生产的。
高聚物按用途可分为塑料、橡胶、纤维、涂料、黏合剂、离子交换树脂等，其中前三种成为三大合成材料。
纤维（fiber）：
弹性模数较大（约109～1010N/m2）；受力时形变较小（百分之几到二十）；纤维大分子沿轴向按一定规则排列，长径比大；在较广泛的温度范围内（－50～1500C），机械性能变化不大。
常用的合成纤维有尼龙、涤纶、丙纶、维尼纶等。
橡胶（rubber）：
弹性模数小（约105～106N/m2）；室温下，在很小外力作用下，能产生很大形变（可达1000％），即弹性高；除去外力后，能迅速恢复原状。
常见的橡胶有天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、硅橡胶等。
塑料（plastics）：
弹性模数介于纤维和橡胶之间（约107～108N/m2）；当温度稍高时，受力形变可达百分之几十至几百，部分形变可逆，部分形变不可逆；弹性模数，黏度等物理性能与温度的变化直接关系，反映出塑性行为，根据塑料受热时的不同，可以将塑料分为热塑性塑料和热固性塑料两大类型。
三大合成塑料有时很难区分，某些高聚物即可以作橡胶使用也可以作塑料或纤维使用。
如尼龙、涤纶即可以作工程塑料，这完全取决于加工过程。
缩聚反应（polycondensation reaction）：
是在聚合过程中，除形成聚合物外，同时还有低分子副产物产生的反应。
其产物称为缩聚物。
实质是官能团之间的多次重复的缩合反应，并在缩聚物中保留官能团的特征，如酯键、醚键等。
所以，大部分缩聚物是杂键高聚物。
容易被水、醇、酸等药品水解、醇解、酸解。
缩聚反应依据不同的原则进行分类，常见的有如下几种：
按反应热力学的特征分平衡缩聚和不平衡缩聚；按所生成产物的结构分线型缩聚和体型缩聚；按参加反应单体的种类分均缩聚、异缩聚（又称混缩聚）和共缩聚；按在反应中生成的键合基团（特征基团）分聚酯化反应、聚醚化反应、聚氨酯化反应等反应。
酯化反应：
端羧基和端羟基在一定条件下，生成酯基和水的反应。
1.2聚酯产品规格
PET树脂分为标准级与工程级两类。
标准级中有用于拉伸吹塑成型用的，又分为无色的、绿色的、琥珀色的。
无色树脂又按特性黏度分几档，结晶速率较慢的适用于较宽的加工条件，可以生产高质量的饮料瓶。
1.3国内外聚酯生产现状
据国家统计局统计，2004年1～11月全国累计生产聚酯切片及熔体750.17万吨.我国聚酯的生产起步较晚，20世纪70年代开始形成上海、天津、辽阳等生产基地，20世纪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。
资料表明，全国93家较大聚酯生产厂总聚酯生产能力已由1997年334万t/a增加到2000年676万t/a，2001年底约达到730万t/a。
2002年我国聚酯生产能力同比增加200万t/a以上，一举突破1000万t/a大关，达到1100万t/a，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。
2003和2004年我国聚酯生产能力分别达到1438万t/a和1600万t/a。
主要聚酯生产企业集中在中国石化和中国石油两大集团公司。
中国石化2001年聚酯产量达到202.97万t，占全国总产量的69.2 %。
中国石油2001年产量为46.61万t，占全国总产量的15.9 ％。
目前主要的40多家聚酯生产企业，2001年产量在1万t以上的企业有29家，在10万t以上的企业有9家，在30万t以上的企业有4家。
仪征化纤公司是目前我国聚酯生产能力和产量最大的企业，2001年聚酯产量达到110.85万t，占全国总产量的37.8％，已成为世界十大聚酯生产企业之一；其次是辽阳石化公司，2001年产量40.75万t，占13.9％；上海石化公司居第三位，2001年产量为38.35万t，占13.1 ％。
2002年上海石化公司产量达到42万t，辽阳石油化纤公司达40万t，洛阳石化公司达22万t，天津石化公司达21万t，2003年我国共有100多家聚酯生产企业，其中小聚酯（指采用间隙法生产工艺的装置）企业有近70家，为大聚酯企业总数的2倍多，而产能约占全国总生产能力的32％。
1999年至今，我国民营聚酯企业激增，聚酯生产能力急剧膨胀。
到2002年底，民营企业的聚酯生产能力已占我国总生产能力的40 %左右，目前纤维级聚酯已出现生产能力相对过剩的状况。
近年我国聚酯生产能力大幅度增长，产量也同步上升，产量和增长幅度己远超过美国，居世界首位。
2002年聚酯表观消费量已达786.9万t。
因近年国内聚酯树脂和涤纶产品需求量较大，每年进口总量均在100万t以上。
2005年我国聚酯生产能力分别达到1696万t，聚酯产量将分别达到1253万t。
占世界总产量比例将从1995年9 %、2002年25 %提高到2005年27 %。
预计到2010年在世界十大聚酯生产商中，中国将至少占有2～3家。
根据报导，聚酯纤维产品的市场竞争已日趋激烈。
从国际化学纤维市场的发展趋势来看，美国、西欧和日本生产量呈现下降趋势，主要原因是他们放弃了产量高、附加价值低、生产过程中环境污染严重的大宗产品的生产，继而转向高层次、高技术及高附加价值产品的开发与生产。
并把技术含量低的大宗货生产技术转到中国大陆、台湾、韩国及东南亚各国，使国际聚酯生产能力呈现东移现象。
目前亚洲已成为世界聚酯生产中心，并主要集中在日本、韩国和台湾等地。
日本化学纤维工业有着较长的发展历史，长期的科技投入已积累了雄厚的产品开发基础。
因此，近年来日本化学纤维工业的结构调整取得了实际效果。
目前，日本已经很少生产普通品种的化学纤维产品，他们在中国大陆和印尼、泰国等发展中国家建立独资或合资企业生产大宗产品，而在本土开发和生产高技术含量、高附加价值的差别化、功能性化学纤维产品，这些高品质、 高价值产品的研究和开发为日本化学纤维工业注入了活力，并已经成为韩国和台湾等地化学纤维业者竞相效仿的对手而紧紧追赶。
韩国为了保持韩国化学纤维产品的竞争力，韩国政府组织学术界和产业界共同制定了改善化学纤维结构的计划。
根据这个计划，着重推进生产设施的自动化和省力化，增加了技术开发投资，追求产品的高级化和多样化，为了取得更好的效果，韩国选择附加价值大、技术差距大的染色加工业为突破口，给予战略上的支援。
预计2007年韩国的出口将达300亿美元，占世界市场的9％，如果这个目标能够实现，韩国将进入化学纤维先进国家行列。
台湾为了提高化学纤维的竞争能力，已经从以往以量取胜及低成本策略调整为以新纤维开发及少量多样快速反应的纺织品为主、求质不求量的生产策略，并逐渐导向非纺织品生产领域。
各个化学纤维企业均利用高科技手段开发新型化学纤维，他们的发展方向是“新原料、新纱线、新布料”，这一策略确立了台湾在亚洲化学纤维的地位。
1.4全球聚酯发展与展望
近来，随着生产能力的过剩和毛利的下降，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）已经显示了快速商品化的迹象。
据有关人士分析，未来几年全球PET市场的需求增长仍然看好，但生产毛利并不好看。
PET是一种热塑性工程材料，曾经以较高的生产利润成为石油化工业的宠儿。
每年以两位数的速率快速增长，在过去的十年中它的增长速度超过了其他任何塑料产品，在全球塑料市场需求的份额也由3%增长到6％。
根据CMAI的一份分析报告指出，未来五年，全球PET市场需求将以每年接近10%的速度快速增长。
全球每年将新增100万吨的PET的需求量。
亚洲和欧洲的增长速度将超过美洲，到2007年，这两个地区的PET需求总量将超过美洲。
1.5聚酯的应用[2]
自从聚酯及其产品被开发出来以后，由于它具有多种优良特性，倍受人们的亲睐。
聚酯的用途可分为纤维和非纤维两大类。
聚酯开发初期主要用于制造合成纤维（占PET消耗量的70％左右），以聚酯为原料生产的聚酯纤维因其极佳的纺用性能，能很好地替代天然纤维中的棉花、羊毛、真丝、麻类纤维等，其用量很快超过尼龙纤维，成为合成纤维中的主导产品。
聚酯的非纤维应用包括薄膜、容器和工程塑料。
聚酯非纤维应用的主要领域是制造充装饮料、食品等的包装容器。
由于聚酯有较好的结晶性、刚性和强度，对非极性气体的阻隔性高，耐蠕变性和尺寸稳定性好，线膨胀系数小，这些优良性能使其很适用于做包装材料。
与玻璃瓶和一般的塑料瓶相比，聚酯瓶具有透明性好，易于回收，力学强度高，耐化学腐蚀等优点。
聚酯的另一大非纤维应用是生产聚酯薄膜，聚酯薄膜具有良好的热稳定性、尺寸稳定性、防潮性、耐化学性、阻隔性和较高的透明度及硬度，且易于运输，因此聚酯薄膜可用作包装、印刷、磁记录、感光、绝缘材料等，其中尤以食品包装用途最为广泛。
另外，根据对产品性能的要求，通过复合等措施，聚酯薄膜的性能还能有进一步的改进。
此外，聚酯还作为工程塑料，用于电子、电器等领域，如做接插件、仪表壳、热风口罩等。
聚酯非纤维应用发展很快，其中尤以包装容器的发展引人注目现在大约20％以上的PET用作包装材料，且有上升的趋势。
包装已成为PET的第二大应用领域，仅次于合成纤维。
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，尤其是在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。
1.6PET简介
1.6.1原料性能指标
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：
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。
其中直接酯化聚酯法对对苯二甲酸和乙二醇的质量要求如（表1）。
表1直接酯化聚酯法对对苯二甲酸和乙二醇的质量指标
Table1Directesterificationofterephthalicacidandethyleneglycolpolyestermethodofqualityindicators
原料
性能
单位
指标
对苯二甲酸
乙二醇
纯度
酸值
%（质量）
mgKOH/g
≥99.96
675
60～100
5～10
0.1
6～7
1～2
10
1.1130～1.1136
140±0.7
0.05
0.1
≤1.0
≤0.005
≤30
无色透明
对甲苯甲酸含量μL/L
4-羧基苯甲醛含量
湿度
金属含量
离子含量
灰分
相对密度
沸点
二缩、三缩乙二醇
水分
铁离子含量
乙酸含量
醛含量
外观
μL/L
%（质量）
μL/L
μL/L
μL/L
℃
%（质量）
%（质量）
μL/L
%（质量）
μL/L
1.6.2PET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。
聚酯产品质量指标
表2聚酯切片的质量指标
Table2Polyesterchipqualityindex
序号
项目
单位
指标
1
特性黏度（在20℃苯酚/四氧乙烷1：
1，0.
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