产十万吨涤纶PET的生产工艺设计doc.docx

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产十万吨涤纶PET的生产工艺设计doc

2013届毕业设计说明书

年产十万吨涤纶（PET）的生产工艺设计

院、部：

材料与化学工程学院

学生姓名：

肖卓群

指导教师：

张春燕职称讲师

彭晖冰职称副教授

专业：

化学工程与工艺

班级：

化本0902

完成时间：

2013年6月

摘要-3-

ABSTRACT-3-

1综述-4-

1.1聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的简介-4-

1.1.1PET一般性质-4-

1.1.2PET的组织结构-4-

1.2聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的特性与应用-5-

1.2.1特性-5-

1.2.2应用-7-

1.2.3PET的加工特性-8-

1.2.4PET的加工方法-8-

1.3中国生产消费现状及产品构成-9-

1.3.1国内生产消费水平现状-9-

1.3.2产品构成-9-

1.4聚酯生产技术进展及现状-10-

1.4.1聚酯生产技术进展-10-

1.4.2聚酯生产能力现状-11-

1.5中国聚酯工业及与国外先进水平的差距-14-

1.6研究内容、目的及意义-15-

2PET生产工艺的比较与确定-17-

2.1PET的生产工艺简介-17-

2.1.1酯交换法生产工艺简介（DMT法）-17-

2.1.2直接酯化法生产工艺简介（PTA法）-18-

2.1.3环氧乙烷法生产工艺简介（EO法）-18-

2.2各生产工艺优劣势比较及工艺选择-19-

2.2.1TPA法的生产优势-19-

2.2.2DMT法的生产优势-20-

2.2.3生产工艺的选择-21-

2.3工艺过程介绍-21-

2.3．1反应条件-21-

2.3．2生产工艺控制简图-23-

3物料衡算与能量衡算-24-

3.1物料衡算-24-

3.1.1酯交换阶段-24-

3.1.2缩聚阶段-27-

3.2能量衡算-29-

3.2.1酯化工序段能量衡算-30-

3.2.3聚合工序段热量衡算-30-

4设备的选型-32-

4.1缩聚釜的选型-32-

4.2其他设备的选型-32-

4.2.1搅拌装置的设计-32-

4.2.2泵的选择-33-

4.2.3换热器的选型-33-

5车间设备布置设计-34-

5.1车间设备布置的原则-34-

5.1.1车间设备布置的原则-34-

5.1.2车间设备平面布置的原则-34-

5.1.3车间设立面布置的原则-35-

5.2车间设备布置-35-

5.2.1车间设备平面布置-35-

5.2.2车间设备立面布置-35-

6公用工程-36-

6.1供水-36-

6.2供电-36-

6.3供暖-36-

6.4通风-36-

7生产安全及环境保护-37-

7.1安全要求-37-

7.2环境保护-37-

7.2.1三废治理-37-

7.2.2噪声控制-38-

8经济衡算-39-

参考文献-40-

致谢-41-

湖南工学院20届毕业设计（论文）课题任务书-42-

湖南工学院本科生毕业论文开题报告-44-

湖南工学院毕业设计（论文）工作进度检查表-47-

湖南工学院20届毕业设计（论文）指导教师评阅表-48-

湖南工学院毕业设计（论文）评阅评语表-49-

湖南工学院毕业设计（论文）答辩资格审查表-50-

湖南工学院20届毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表-52-

附件

摘要

本设计是年产10万吨涤纶（PET）生产工艺设计。

本文主要对PET的研究，生产和应用进行了详细的概述，阐述了其在化学工业中的作用和地位。

并介绍了PET的制备方法和确定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、经济衡算，设备选型和车间设计等过程。

并对安全，供水，排污等方面进行简单的阐述。

最后绘制带控制点的工艺流程图，主要设备图及厂区布置图。

关键词：

聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET，酯交换法，缩聚

ABSTRACT

Thisdesignistoproduce100,000tonsofpolyester（PET）productionprocessdesign.Inthispaper,PETresearch,productionandapplicationofadetailedoverviewdescribeditsroleinthechemicalindustryandstatus.AnddescribesthepreparationofPETanddeterminingthePETproductionprocess.IndeterminingthePETproductionprocessbasedonamaterialbalance,heatbalance,economicaccounting,equipmentselectionandplantdesignprocess.Andsafety,watersupply,sewageandotheraspectsofsimpleexposition.Finallydrawingflowchartwithcontrolpoints,themainequipmentdrawingsandplantlayout.

Keywords：

Polyethyleneterephthalate；PET；Transesterification;Condensationpolymerization

1综述

1.1聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的简介

1.1.1PET一般性质

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是用聚对苯二甲酸和乙二醇直接酯化法或聚对苯二甲酸二甲酯与乙二醇酯交换法制的，英文名称 Polyethyleneterephthalate，简称PET或PETP，俗称涤纶树脂。

他是对苯二甲酸与乙二醇的缩聚物，与PBT一起统称为热塑性聚酯，或饱和聚酯。

分子结构式为：

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都具有优异的机械性能，可在120℃长期使用，耐蠕变性佳，耐疲劳性好，耐磨性强，尺寸稳定性良好,电绝缘性优异，即使在高温高频下，其电性能仍好，但耐电晕性较差。

PET含有酯键，在强酸，碱和水蒸汽下会发生分解反应，耐有机溶剂性，耐候性良好。

缺点是结晶速率慢，加工成型困难，模塑温度高，生产周期长，抗冲击性能较差。

一般能通过增强，填充，共混等方法，以提高它们的可加工性和物理性能，以玻璃纤维增强效果明显，显着改善树脂的刚性，耐热性，耐化学性，耐药品性，电性能和耐候性。

但仍然需要进一步改良结晶速度慢的弊病，可以采取添加成核剂和结晶促进剂等手段。

加阻燃剂能增强PET的阻燃性，加防滴落剂可改进PET的自熄性。

1.1.2PET的组织结构

化学结构：

涤纶的基本组成物质是聚对苯二甲酸二乙酯，故也称聚酯纤维（PET），其长链分子的化学结构式为H（OCH2CCOCO）NOCH2CH2OH,相对分子量一般在18000~25000左右。

实际上，其中还有少量的单体和低聚物存在。

这些低聚物的聚合度较低，又以环状形式存在。

聚对苯二甲酸乙二酯可由对苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）通过直接酯化法制取对苯二甲酸乙二酯后缩聚而成。

由PET分子的结构来看，它是短链的脂族烃，酯基，苯环，端羟基构成该组合物的。

此外，其除了两个端羟基外，没有其他的极性基团，从而涤纶纤维的亲水性非常差。

且PET分子中含有约46％的酯基，酯基高温下可水解，热裂解，遇碱则皂解，使聚合度降低；涤纶分子中还含有脂肪族烃链，它可以使PET分子有一定程度的柔性弯曲，但其内部还有不能发生内旋转的苯环，所以大分子的PET基本上是刚性的分子，分子链易于保持线。

因此，在一定条件下，PET大分子可以很容易的进行结晶，因此PET具有较高的结晶度和取向性。

物理结构：

采用熔纺法制得的涤纶在显微镜中观察到的形态结构具有圆形的截面和无特殊的纵向结构。

在电子显微镜下可观察到丝状的原纤组织，

异形纤维可改变纤维的弹性，使纤维具有特殊的光泽与膨松性，并改善纤维的抱合性能与覆盖能力以及抗起球、减少静电等性能。

如三角形纤维有闪光效应；五叶形纤维有肥光般光泽，手感良好，并抗起球；中空纤维由于内部有空腔，密度小，保暖性好。

聚集态结构：

应用电子衍射测得的涤纶折叠链片晶的厚度约为10NM左右，而涤纶单基的长度为1.075NM，因此，可认为片晶厚度相当于9个涤纶分子的单基长度。

但是，涤纶大分子链长约为1.075*130（平均聚合度）=140NM,由此可见涤纶片晶大分子链必须取折叠链结构。

折叠有可能发生在-CH2-CH2-链段处，其原因是该处链的柔曲性较好，易于折曲。

此外，由于涤纶大分子也能形成伸直链结晶（原纤化结晶）。

可见，涤纶内部折叠链结晶和原纤结晶共存。

这两种结晶比例随拉伸倍数、热定型条件而异。

1.2聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的特性与应用

1.2.1特性

PET的分子为高度对称芳环的线性聚合物，易于取向和结晶，具有较高的强度和良好的成纤性及成膜性，结晶度为40%～60%，结晶速度慢。

纯PET耐磨耗、低摩擦、吸水性小、尺寸稳定性高，但力学性能、耐热性和冲击性能较差，经玻璃纤维增强后PET的力学性能和耐热性大幅度提高，可用于工程塑料。

PET及增强PET的具体性能如下表所示。

表1-1纯PET和玻璃纤维增强PET的性能

性能

纯 PET

30%GF－PET

相对密度

吸水率/%

成型收缩率/%

拉伸强度/MPa

断裂伸长率/%

弯曲强度/MPa

缺口冲击强度/（kJ/m 2）

洛氏硬度

热膨胀系数/（×10 5 K 1）

热变形温度（1.28MPa）/℃

介电常数（60～106 Hz）

介电强度/（kV/mm）

体积电阻率/（Ω·cm）

1.38

0.26

1.8

78

50

115

4

10

85

2.98～3.16

30

1018

1.69

0.05

0.2～0.9

124.2

3

195.5

80

R120

2.9

215.5

3.6

19.6

1016

（1）一般性能 

PET 树脂为乳白色半透明或无色透明体，相对密度 1.38，折射率为 1.655，透光率为 90%；PET 属于中等阻隔性材料，对O2的透过系数为50～90cm3 ∙mm/（m2 ∙d∙MPa），对CO2 的透过系数为180cm3 ∙mm/（m2 ∙d∙MPa）；PET的吸水率为0.6%，吸水性较大。

（2）力学性能 

PET膜的拉伸强度很高，可与铝箔媳美，是HDPE 膜的9倍，是PC（聚碳酸酯薄膜）和 PA（聚酰胺，尼龙）膜的3倍。

增强 PET的蠕变性小、耐疲劳极好（好于增强 PC 和 PA）、耐磨性和耐摩擦性良好。

PET的力学性能受

温度影响较小。

（3）热学性能

纯PET的耐热性能不高，但增强处理后大幅度提高，在180℃时的机械性能比PF层压板好，是增强的热塑性工程塑料中耐热较好的品种；PET 的耐热老化性好，脆化温度为70℃，在30℃时仍具有一定韧性；PET不易燃烧，火焰呈黄色，有落滴。

（4）电学性能 

PET虽为极性聚合物，但电绝缘性优良，在高频下仍能很好保持。

PET的耐电晕性较差，不能用于高压绝缘；电绝缘性受温度和湿度影响，并以湿度的影响较大。

（5）环境性能 

PET具有酯键，在较高的温度和蒸汽条件下，水，酸和碱对其的影响作用很大。

PET对有机溶剂，如丙酮，苯，甲苯，三氯乙烷，四氯化碳和油很稳定，一些氧化剂如过氧化氢，次氯酸钠，重铬酸钾，也有较高的抗性。

PET具有优良的耐候性，长期在户外使用无碍。

PET树脂的玻璃化温度高，结晶速度慢，模塑周期长，成型周期长，成型收缩率大，尺寸稳定差，结晶化的成型呈脆性，耐热性低等。

PET除了具有PBT的特性外，还有以下的特点：

1是热变形温度和长期使用温度最高的热塑性通用工程塑料；

②因为耐热高，增强PET在250℃的焊锡浴中浸渍10S，几乎不变性也不变色，特别适合制备锡焊的电子、电器零件；

③弯曲强度200MPa，弹性模量达4000MPa，耐蠕变及疲劳性也很好，表面硬度高，机械性能与热固性塑料相近；

④由于生产PET所用乙二醇比生产PBT所用丁二醇的价格几乎便宜一半，所以PET树脂和增强PET是工程塑料中价格最低的，具有很高的价格比。

⑤耐磨性好。

耐磨性仅次于耐磨性最好的锦纶，比其他天然纤维和合成纤维都好。

⑥耐光性好。

耐光性仅次于腈纶。

涤纶织物的耐光性较好，除比腈纶差外，其耐晒能力胜过天然纤维织物。

尤其是在玻璃后面的耐晒能力很好，几乎与腈纶不相上下。

⑦耐腐蚀。

可耐漂白剂、氧化剂、烃类、酮类、石油产品及无机酸。

耐稀碱，不怕霉，但热碱可使其分解。

还有较强的抗酸碱性，抗紫外线的能力。

1.2.2应用

PET主要用于纤维，少量用于薄膜和工程塑料。

ＰＥＴ纤维主要用于纺织工业。

PET薄膜主要用于电器绝缘材料，如电容器、电缆绝缘、印刷电路布线基材，电极槽绝缘等。

PET薄膜的另一个应用领域是片基和基带，如电影胶片、Ｘ光片、录音磁带、电子计算机磁带等。

PET薄膜也应用于真空镀铝制成金属化薄膜，如金银线、微型电容器薄膜等。

PET的另一个用途就是吹塑制品，用于包装的聚酯拉伸瓶。

PET除纤维之外主要用于薄膜和片材、瓶类及工程塑料三大类。

1、薄膜和片材 

PET 薄膜和片材主要用于包装材料如食品、药品及无毒无菌的卫生包装和纺织品、精密仪器、电子元件的高档包装，录音、录像、照相、电影、磁盘、光盘及磁卡等基材，电器绝缘材料如电容器膜、柔性印刷线路板及格薄膜开关等。

2、瓶类 

PET瓶的透明性高、阻隔性好，可用于保鲜包装材料。

具体包装产品有啤酒、白酒、碳酸饮料、食用油、食品、调味品、药品、化妆品及保健食品等。

3、工程塑料

主要为PET的增强品种，具体用于如下几个方面。

①电子电器，如连接器、线圈绕线管、集成电路外壳、电容器外壳、变压器外壳、电视机配件、调谐器、开关、计时器外壳及继电器等。

②汽车配件，配电盘罩、阀门、排气零件、分电器盖及小型电动机壳等。

③机械零件，齿轮、凸轮、泵壳体、皮带轮、电动机架框及钟表零件等。

④拉链材料，为继PA和POM 之后的第三代拉链材料，可用于宽窄两种类型。

1.2.3PET的加工特性 

PET属极性聚合物，熔融温度和熔体粘度都较大，具体加工特性如下。

PET属非牛顿流体，粘度对温度的敏感性小而对剪切速率敏感大。

PET吸水性大，加工前必须干燥处理；干燥条件为温度 130～150℃，时间 3～4h。

PET的加工温度范围较窄，一般为270～290℃，接近分解温度为 300℃，加工中要注意温度不能太高。

PET的结晶速度慢，为促进结晶，常采用高模温，一般为 100～130℃。

PET的成型收缩率较大，增强改性后可大大降低，但生产高精度制品是要进行后处理。

后处理的条件为:

温度 130～140℃，时间为 1～2h。

1.2.4PET的加工方法 

（1）注塑透明制品常采用热流道，螺杆长径比要大。

具体工艺条件为:

料筒温度 270～290℃，喷嘴温度 240～250℃，模具温度壁厚小时为 50～70℃、壁厚大时为 140℃，注塑压力为 40～100MPa。

（2）挤出用于生产薄膜和片类制品。

为改善其制品力学性能和光学性能，常进行双向拉伸处理。

拉伸温度为 85～90℃，拉伸速率为1000%～1500%，拉伸倍率为 2.5～3。

（3）吹塑用于生产 PET 瓶体，常用注拉吹方法成型，以保证拉伸改性效果。

注塑型坯的工艺条件同注塑，吹塑的加热温度为 100℃。

吹塑压力 2MPa。

1.3中国生产消费现状及产品构成

1.3.1国内生产消费水平现状

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年代时国产的间歇式、半连续式的小聚酯生产装置的建设仍旧较多。

目前我国的聚酯生产企业主要集中在中石化和中石油两大公司。

中石化2001年聚酯的总产量达202.97万吨，占全国聚酯总产量的69.2%。

中石油2001年总产量为46.61万吨，占全国聚酯总产量的15.9%。

目前，主要的聚酯生产企业有超过40家，年产量为万吨以上的，2001年有29家，年产量在10万吨以上的有9家，年产量超过30万吨的企业有4家。

仪征化学纤维公司是目前中国最大的聚酯生产企业，在2001年生产达到1,108,500吨聚酯，占全国总量37.8%;随后是辽阳石化公司，2001年度输出407500吨，占全国总产量的13.9％;上海石化公司于2001年，年产383500吨排名第三，占全国总产量的13.1％。

2002年上海石化公司产量达到42万吨，辽阳石油化纤公司达40万吨，洛阳石化公司22万吨，天津石化公司达21万吨。

1.3.2产品构成

在产品品种方面，目前我国聚酯生产仍以纤用聚酯为主，占总年产能力的88%；国内非纤用聚酯切片年产能力约100万吨，其中聚酯瓶片发展特别迅速，仅2002年就新增50多万吨年产能力。

但由于国内市场容量有限，因此聚酯瓶片装置开工率不足50%。

80年代后，随着合成纤维工业的迅速发展，我国聚酯的消费量也快速增长。

1990年合成纤维用聚酯表观消费量为105.4万吨，1995年增加到268.9万吨。

2000年表观消费量增长到616.8万吨，2001年达到710.7万吨，2002年达到859.7万吨。

我国聚酯的消费绝大部分用于生产涤纶纤维。

涤纶纤维是我国合成纤维中增长最快的品种，1965年涤纶纤维产量只有100吨，仅占我国合成纤维总产量约1.92%，位于锦纶、维纶和腈纶之后而居第四位。

1976年涤纶纤维产量上升到2.69万吨，超过上述三种纤维而跃居首位，占合成纤维总产量的34.3%。

1990年产量突破100万吨，达到104.2万吨。

2001年产量猛增到632.6万吨，2002年更达到772.1万吨，创历史最高记录。

1996～2002年间，我国涤纶纤维平均年递增82万吨，占世界年均增量的一半以上，成为推动世界聚酯纤维增长的主要国家。

近期内，我国涤纶纤维产量仍将以10%的年率增长，生产涤纶纤维消耗聚酯约占聚酯总消费量的90%。

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%。

预计到2003年，非纤聚酯产量约占聚酯总产量的1/3

1.4聚酯生产技术进展及现状

1.4.1聚酯生产技术进展

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。

聚酯工艺路线有直接酯化法（PTA法）和酯交换法（DMT法）。

PTA法具有原料消耗低、反应时间短等优势，自80年代起己成为聚酯的主要工艺和首选技术路线。

大规模生产线的为连续生产工艺，半连续及间歇生产工艺则适合中、小型多种生产装置。

PTA法连续工艺主要有德国吉玛（Zimmer）公司、美国杜邦公司、瑞士伊文达（Inventa）公司和日本钟纺（Konebo）公司等几家技术。

其中吉玛、伊文达、钟纺技术为5釜流程，杜邦则开发了3釜流程（目前正在开发2釜流程），两者缩聚工艺基本相似，区别在于酯化工艺。

如5釜流程采用较低温度及压力酯化，而3釜流程则采用高乙二醇（EG）/PTA摩尔比和较高的酯化温度，以强化反应条件，加快反应速度，缩短反应时间。

总的反应时间为5釜流程10小时3釜流程3.5小时。

目前世界大型聚酯公司都采用集散型（DCS）控制系统进行生产控制和管理，并对全流程或单釜流程进行仿真计算。

2003年初，伊文达-费希尔（Inventa-Fisher）（I-F）公司公布了其聚酯生产流程和能耗。

该工艺从PTA或DMT与乙二醇（EG）反应生产树脂级或纺织级聚酯。

采用4釜（4R）工艺，由PTA和EG或熔融DMT和EG组成的浆液，进入第一酯化/酯交换反应器，反应在较高压力和温度（200～270℃）下进行，生成的低聚物进入第二串级搅拌式反应器，在较低压力和较高温度下进行反应，反应转化率大于97%。

然后在低于常压和较高温度下，藉第3台串级反应器预聚合，缩聚程度大于20，经第4台DISCAGE精制器后，使最终缩聚物的特性粘度（i.V.）提高到0.9。

能耗为：

电力55.0kwh/t，燃料油61.0kg/t，氮气0.8m3/t，空气9.0m3/t。

采用该工艺已建有50多套装置，其中13条生产线能力为100～700吨/天。

现已有单系列700吨/天生产线投运。

用于聚酯生产缩聚反应的催化剂种类繁多，主要有锑系、锗系、钛系、锡系等。

由于锑系催化剂在缩聚过程中能大大促进缩聚反应，而对热降解反应的促进程度较小，因此目前聚酯工业普遍采用锑系催化剂，主要品种有三氧化二锑、醋酸锑以及近年来开始受到广泛关注的乙二醇锑。

此外，用于酯交换反应的锰、锌、钙、钴、铅等金属的醋酸盐对缩聚反应也有一定的催化作用

1.4.2聚酯生产能力现状

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合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。