PET物料衡算.doc

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3工艺计算

一物料衡算

本聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）连续操作工艺是采用高纯度对苯二甲酸（PTA）与乙二醇（EG）为原料，直接酯化后经缩聚反应得到PET。

单条生产线每年可生产15万吨PET,这条生产线主要由浆料配制工序、酯化工序、聚合工序、切粒包装工序、回收工序五个工序组成。

1画出物料平衡关系示意图

完整PET连续操作工序的物料衡算过程比较复杂，为了说明问题，只对流经反应器的物流进行物料衡算，流经反应器物料平衡关系简图，如图1所示。

203.1202.2

003.1

101.3

201.2

102.3

102.2

101.2

203.2

101.0101.1102.1201.1202.1203.1

R101R102R201R202R203

图1PTA直接酯化缩聚连续操作主反应器物料平衡关系示意图

101.0－浆料；101.1，102.1－酯化产物；201.1，202.1－预缩聚物；203.1－PET熔体；

101.2，102.2，201.2，202.2，203.2－上升蒸汽；101.3，102.3－回流EG；003.1－消光剂

2物料发生的物理与化学变化写出主、副反应方程式

（1）化学变化

PET合成过程中，每个反应器中都发生酯化反应、酯化缩聚反应和缩聚反应，其反应方程式（用官能团表示）如下：

酯化反应（esterification）:

酯化缩聚反应（polycondensationbyesterification）:

缩聚反应（polycondensation）

在酯化反应釜中，以酯化反应与酯化缩聚反应为主;在缩聚釜中，以酯化缩聚与缩聚反应为主，在此不考虑副反应，业不对副反应进行物料衡算。

为了描述各反应进行的程度特做如下定义：

酯化率：

缩聚反应程度:

：

乙二醇与PTA摩尔比：

平均聚合度：

（2）物理化学变化（相变化）

在各酯化釜中，由于反应温度高于水和EG的沸点,酯化生成的水被蒸出反应体系。

根据气液平衡关系，反应液中仍含有少量的水,水蒸出时夹带出一定比例的EG，蒸出的EG经分离后全部返回到反应器中，因此各酯化反应器中原料配比不变，即Mr＝Mr0。

在缩聚反应釜中，为了使缩聚反应向生成聚合物的方向移动，需尽量降低反应液中EG的含量，因此,缩聚阶段特别是反应后期，需在高真空的条件下进行,各缩聚釜中生成的EG大部分被蒸出，使Mr

3收集数据资料

生产规模：

设计任务书中规定的年产量为25万吨

生产时间：

年工作日：

300d/a（24h/d）

相关技术指标

工艺配方：

酯化反应温度：

230～270℃

缩聚反应温度：

270℃，缩聚反应压力：

15KPa

投料比：

Mr=nEG:

nPTA=1.3:

1

催化剂用量：

c=0.05％PTA

消光剂用量：

d＝0.5％PTA（配制成20％EG混合浆液）

切粒、包装工序物料损失率：

e=0.5％

化学变化及物理化学变化的变化关系

表1

化合物名称

对苯二甲酸

乙二醇

水

PET链节

聚合物

相对分子质量符号

相对分子质量

166

62

18

162

19454

因各反应器中发生的主要化学反应相同,反应的进行程度（x、p）不同,因此,各反应器中物料组成变化的计量关系是相同的。

各反应器反应液中聚合物数量为:

各反应器反应液中乙二醇数量为:

酯化反应生成水数量为:

各酯化釜中水、EG的汽化量和反应液中残留量参考表2计算

表2各酯化釜中水、EG的汽化量和反应液中残留量

反应器位号

R101

R102

R201

R202

R300

抽出低聚物%（质量）

H2O汽化%（质量）

汽相%（质量）

0.89

0.75

1.12

4.0

0

97

36.75

0.97

0.87

1.12

7.6923

0

90

39.37

0.99

0.96

1.05

25.0

0.1（a）

1

0.984

1.026

62.5

0.01（b）

1

0.9901

1.0099

101.0

0

各缩聚釜蒸出EG数量为:

选择计算基准与计算单位

连续操作过程，可选择时间为计算基准，计算单位为

确定计算顺序

虽然整个工艺过程比较复杂，但可以得到产品产量与主要原料（PTA）投料量之间的比例关系，所以采用顺流程的计算顺序

4计算主要原料（PTA）投料流量

PET熔体流量与PTA理论投料WT′的关系为:

该生产装置年产量为25万吨,年开工300d,连续生产,切粒、包装工序物料损失率为0.5%,因此PET熔体流量为

PET熔体流量＝250000×100/[300×24×（1－0.005）]

＝34896.71kg/h

PTA投料质量流量：

ＷT0＝34896.71×0.85905

＝29978.02kg/h

PTA投料摩尔流量：

ＮT0＝29978.02/166

＝180.59kmol/h

5顺流程逐个设备展开计算

（1）R101物料衡算

101.

101.3

101.2

101.1

101.0

Ｒ101

图2Ｒ101物料平衡示意图

PTA：

29978.02kg/h

EG：

ＮT0×Ｍr0×ＭEG＝180.59×1.12×62

＝12540.17kg/h

催化剂：

ＷT0×0.05％＝29978.02×0.05％

　　　　　　　　　　　＝14.99kg/h

合计：

29978.02＋12540.17＋14.99＝42533.18kg/h

101.2

H2O：

2NT0×△x×ＭW×0.97＝2×180.59×0.89×18×0.97

＝5612.52kg/h（酯化反应生成的水有97％被汽化）

EG：

5612.52×[0.3675/（1－0.3675）]×（62/18）＝11217.94kg/h（气相中EG的摩尔分率为0.3675）

合计：

5612.52＋11217.94＝16830.46kg/h

101.3

　EG：

11217.94kg/h（蒸出的乙二醇经分离后全部返回到反应器R101中，且无其他组分）

101.1

催化剂：

14.99kg/h

H2O：

5612.52×（1－97％）÷0.97＝173.58kg/h（反应液中水的残留量是生成水量的3％）

　EG：

ＮT0（Ｍr－2x＋p）ＭEG＝180.59×（1.12－2×0.89＋0.75）×62

　＝1007.69kg/h

聚合物：

ＮT0[ＭT＋（2x－p）ＭEG－2xＭW]

＝180.59×[166＋（2×0.89－0.75）×62－2×0.89×18]

＝35724.31kg/h

合计：

14.99＋173.58＋1007.69+35724.31＝36920.57kg/h

R101物料平衡验算：

总进料量＝42533.18＋5612.52＝48145.70kg/h

总出料量＝36920.57＋11217.94＝48138.51kg/h

（2）R102物料衡算

102.2

102.3

102.1

101.1

Ｒ102

图3Ｒ102物料平衡示意图

102.2

H2O：

（2ＮT0×Δx×18＋52.08）×0.9

＝[2×180.59×（0.97－0.89）×18＋62.49]×0.9

＝524.33kg/h（Ｒ102中生成水加上Ｒ101中残留水的90％被蒸出）

EG：

524.33×[0.3937/（1－0.3937）]×62/18＝1172.40kg/h

（气相中EG摩尔分率为0.3937）

合计：

524.33＋1172.40＝1696.73kg／h

102.3

EG：

1172.40kg/h

102.1

催化剂：

14.99kg/h

H2O：

524.33×0.1÷0.9＝58.26kg/h

EG：

ＮT0（Ｍr－2x＋p）ＭEG

＝180.59×（1.12－2×0.97＋0.87）×62

＝559.83kg/h

聚合物：

ＮT0[ＭT＋（2x－p）ＭEG－2xＭW]

＝180.59×[166＋（2×0.97－0.87）×62－2×0.97×18]

＝35652.08kg/h

合计：

14.99＋58.26＋559.83＋35652.08＝36284.41kg/h

R102物料平衡验算：

总进料量＝36920.57＋1172.40＝38092.97kg/h

总出料量＝36284.41＋1696.73＝37981.14kg/h

（3）R201物料衡算

003.1

201.2

201R

102.1

201.1

图4R201物料平衡示意图

在R201中加入消光剂二氧化钛溶液（003.1）。

由于抽真空会有少量聚合物被夹带出，使201.1中的

ＮT0减少为ＮT0'，同时夹带出极少量的消光剂及催化剂。

003.1（20％消光剂—EG混合浆液）

消光剂：

ＷT0×0.5％＝29978.02×0.005＝149.89kg/h

EG：

149.89×0.8÷0.2＝599.56kg/h

合计：

149.89＋599.56＝749.45kg/h

201.1

ＮT0'＝0.999×ＮT0＝0.999×180.59

＝180.41kmol/h

（由于抽真空带出低聚物引起）

消光剂：

149.89×0.999＝149.74kg/h

催化剂：

14.99×0.999＝14.98kg/h

EG：

ＮT0'（Ｍr－2x＋p）×ＭEG

　＝180.41×（1.05－2×0.99＋0.96）×62

＝335.56kg/h

聚合物：

ＮT0'[ＭT＋（2x－p）ＭEG－2xＭW]

＝180.41×[166＋（2×0.99－0.96）×62－2×0.99×18]

＝34927.38kg/h

合计：

149.74＋14.98＋335.56＋34927.38＝35427.66kg/h

201.2

消光剂：

149.89×0.001＝0.15kg/h

催化剂：

14.98×0.001＝0.001kg/h

H2O：

2ＮT0×Δx×18＋20.81

＝2×180.59×（0.99－0.97）×18＋58.26

＝188.28kg/h