年產(chǎn)八萬噸聚對苯二甲酸二乙醇脂(PET)合成的工藝設(shè)計

酯交換法生產(chǎn) PET工藝流程設(shè)計院、部：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師： 職稱專 業(yè)：班 級：完成時間：摘 要本設(shè)計是年產(chǎn)八萬噸聚對苯二甲酸二乙醇脂（ PET）合成的工藝設(shè)計。本文對PET的研究，生產(chǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的概述，闡述了其在化學(xué)工業(yè)中的作用與地位。并介紹了PET的制備方法和確定了PET的生產(chǎn)工藝。在確定PET生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行了物料衡算，熱量衡算，主要設(shè)備選型，工藝管路設(shè)計。利用AutoCAD軟件繪制主要設(shè)備圖，工藝流程圖以及車間布置圖。文中還對三廢處理及廢料回收、節(jié)能措施與安全防范、技術(shù)經(jīng)濟(jì)初步分析核算進(jìn)行了簡單的闡述。關(guān)鍵詞：聚對苯二甲酸二乙醇脂； PET；AutoCADIABSTRACTThisdesignisanannualoutputofeightythousandtonsofpolyethylene terephthalate(PET)processdesign.Inthispaper,thePETstudy,adetailedoverviewoftheproduction,expoundsits roleandpositionchemicalinindustry.AndintroducesthepreparationmethodofthePETandsetthePETproductiontechnology.IndeterminingthePETproductiontechnologyisconductedonthebasisofthematerialbalancecalculations,heatbalancecalculations,themainequipmentselection,processpipingdesign.UseAutoCADsoftwaredrawthemainequipmentfigure,processflowdiagramandworkshoplayoutfigure.Thepaperalsoforwastetreatmentandrecycling,energysavingmeasuresandsafety,preliminaryanalysisontechnicalandeconomicaccountingsimplyexplained.Keywords:polyethyleneterephthalate;PET;AutoCADII目 錄第一章緒論..........................................................11.1PET簡介.....................................................11.1.2PET結(jié)構(gòu)及性能.........................................31.1.3合成PET的副反應(yīng).......................................41.2聚酯的應(yīng)用...................................................6第二章工藝流程和方案的說明及論證...................................62.1工藝路線的選擇.............................錯誤！未定義書簽。2.1.1合成原理...............................................62.1.2合成路線的選擇及流程簡述...............................72.1.3合成路線...............................................72.2工藝流程設(shè)計................................................92.2.1連續(xù)縮聚...............................................92.2.2間歇縮聚..............................................102.3工藝參數(shù)的選擇.............................錯誤！未定義書簽。2.3.1催化劑................................................102.3.2穩(wěn)定劑................................................102.3.3縮聚反應(yīng)的溫度與時間..................................112.3.4縮聚反應(yīng)的壓力........................................112.3.5攪拌的影響............................................122.3.6其他添加劑............................................122.4影響聚酯反應(yīng)的因素.........................................132.4.1EG/DMT投料比........................................132.4.2反應(yīng)溫度..............................................132.4.3酯化反應(yīng)時間..........................................132.4.4縮聚反應(yīng)釜的真空度....................................142.4.5縮聚反應(yīng)溫度..........................................142.4.6縮聚反應(yīng)時間..........................................142.5工藝流程圖的繪制及說明.....................................142.5.1PET生產(chǎn)工藝流程簡圖.................................14III2.5.2生產(chǎn)工藝流程說明......................................15第三章物料衡算....................................錯誤！未定義書簽。3.1酯交換階段..................................................163.1.1第一酯交換器R101物料衡算.............................163.1.2第二酯交換器R102物料衡算.............................173.1.3第三酯交換器R103物料衡算.............................183.1.4BHET儲槽物料衡算.....................................193.2縮聚階段....................................................203.2.1第一縮聚釜R301物料衡算...............................213.2.2第二縮聚釜R501物料衡算...............................223.2.3第三縮聚釜R502物料衡算...............................223.3切粒包裝....................................................23第四章熱量衡算....................................錯誤！未定義書簽。4.1能量衡算概述................................................234.2能量衡算遵循的原則.........................................244.3主要反應(yīng)條件...............................................244.4主要計算過程...............................................254.5各應(yīng)器能量平衡..............................................27第五章聚合釜及各設(shè)備選型..........................錯誤！未定義書簽。5.1釜的選型....................................................275.2其他設(shè)備的選型.............................................275.2.1攪拌器的選型..........................................285.2.2換熱器的選型.............................5.2.2換熱器的選型5.2.3EG進(jìn)料管道的選型.....................................29第六章聚酯生產(chǎn)的三廢處理...........................................296.1聚酯生產(chǎn)的三廢處理.........................................296.2聚酯廢料的回收.............................................30參考文獻(xiàn)...........................................................32致謝.............................................................33IV第一章緒論1.1PET簡介聚酯是熱塑性飽和聚酯的總稱，它包括PET、PEN、PCT及其共聚物等。其中PET是開發(fā)最早、產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的聚酯。聚對苯二甲酸乙二醇酯，英文名polyethyleneterephthalate( 簡稱PET)，1941年由英國的J.R.Whenfield 和J.T.Dikson采用乙二醇與對苯二甲酸直接酯化縮聚而得。最初是作為合成纖維的原料而開發(fā)的，1950年，美國DuPont公司以它為原料，首次開發(fā)了聚酯纖維。然而當(dāng)時對苯二甲酸的精制工藝尚未工業(yè)化，首先工業(yè)化的是對苯二甲酚二甲酯（DMT）生產(chǎn)工藝，因此直到20世紀(jì)60年代中期，DMT一直是PET生產(chǎn)的主要原料。隨著高純度對苯二甲酸（ PTA）工藝的不斷發(fā)展，它逐漸替代了 DMT成為生產(chǎn)PET的原料。采用高純度的PTA不需回收，也不用回收甲醇，而且還有一個優(yōu)點就是預(yù)聚合物的酯化過程比酯交換反應(yīng)快得多，酯交換反應(yīng)是由DMT作原料生產(chǎn)PET的第一步反應(yīng)。自從PET商品化以來，非纖維方面由于廉價的原料以及所制的薄膜和容器具有諸多優(yōu)點，如質(zhì)輕、透明、容易重新密封，因而其使用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，用量亦越來越大，成為塑料包裝中用量增長最快的樹脂。目前世界上每年僅PET瓶消費樹脂就高達(dá)300萬噸以上，大部分作為一次性包裝使用。近幾年來，隨著人們生活水平的不斷改善，和消費水平的日益提高，對塑料包裝的高性能、多功能性及環(huán)境保護(hù)性的要求也越來越高。近幾十年來，由于聚酯在纖維和非纖維領(lǐng)域的發(fā)展都較快，需求日益擴(kuò)大，因此在世界范圍內(nèi)，尤其是亞洲地區(qū)的聚酯生產(chǎn)飛速發(fā)展，同時也促進(jìn)和帶動聚酯上下游產(chǎn)業(yè)的成長。PET聚酯可由乙二醇和對苯二甲酸反應(yīng)而得， 也可由乙二醇與對苯二甲酸二甲酯反應(yīng)而得，但較為常見的方法還是用乙二醇與對苯二甲酸縮聚制得。對苯二甲酸的結(jié)構(gòu)式為：對苯二甲酸是芳香族二元羧酸的一種，在常溫下，外觀為白色晶體，無毒，易燃。稍溶于水，不溶于氯仿、乙醚、醋酸，能溶于堿。物性常數(shù)如下：相對分子質(zhì)量166.13相對密度1.55錯誤！未指定書簽。熔點 384 ～421℃升華點 402 ℃自然點 680℃升華熱 98.4kJ/mol燃燒熱 3227.8kJ/mol生產(chǎn)二甲酸的方法較多，就是現(xiàn)在使用的方法也還在不斷改進(jìn)，主要的方法有下面三種[2]。（1）對二甲苯高溫氧化法（Amoco法——美印第安納標(biāo)準(zhǔn)石油公司，SD法或M.C法——美國Mid-Century公司的A.Saffer和R.S.Barker發(fā)明）其反應(yīng)如下：此法收率為90%～95％，其工藝流程較簡單，設(shè)備數(shù)量少，占地小，投資少，在世界上聚酯原料產(chǎn)量的第一位，且可制成精PTA用于直接酯化。但溴化物及醋酸對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，需用鈦材或襯鈦。2）對二甲苯低溫氧化法（Mobil法，Kodak-Eastman法和東麗法）為了進(jìn)一步改革對二甲苯高溫氧化法，采用氧化促進(jìn)劑進(jìn)行氧化，以醋酸為溶劑，醋酸鈷作催化劑，在 100～150℃下進(jìn)行氧化，不用鈦材，但工藝流程較復(fù)雜，設(shè)備臺數(shù)多。Mobil法使用的氧化促進(jìn)劑為甲乙酮，壓力為15atm，時間為2h，收率為98％。Eastman法采用乙醛為氧化促進(jìn)劑，壓力10kg/cm2，收率為95％。東麗法用三聚乙醛做氧化催進(jìn)劑，壓力28～35kg/cm2，收率為95％。3）對二甲苯分段氧化法（Hercules-Witten法）整個工藝過程為二步氧化和二步酯化，又稱四步法，反應(yīng)式如下：CH 3 COOH COOCH 3 COOCH 3 COOCH 3O2 CH3OH O2 CH3OHHOOCCH3 COOH CH3 COOH COOCH 3對苯二甲酸二甲酯的結(jié)構(gòu)式為：對苯二甲酸二甲酯是芳香族的一種，在常溫下，外觀為白色晶體粉末，無毒、易燃，其蒸汽或粉塵與空氣混合至一定比例，能發(fā)生爆炸。物性常數(shù)如下：相對分子質(zhì)量194.18相對密度1.065熔點140.65℃錯誤！未指定書簽。沸點288℃純度99.9％對苯二甲酸二甲酯由對苯二甲酸與甲醇酯化，然后經(jīng)重結(jié)晶或真空蒸餾制得。乙二醇的結(jié)構(gòu)式為：HO－CH2－CH2－OH乙二醇為無色微粘稠液體。具有較強的吸濕性，有醇味但不能飲用?？梢院退?、醇、醛、吡啶等混溶，微溶于乙醚。其物性常數(shù)如下：相對分子質(zhì)量62.07熔點－13℃沸點197.6℃閃點(開口)116℃相對密度1.1154黏度(20oC)20.93折射率1.4316膨脹系數(shù)0.00062介電常數(shù)38.66乙二醇主要由環(huán)氧乙烷水合制得。1.1.2PET結(jié)構(gòu)及性能PET分子可表示為：若原料中不含有官能度?=3的雜質(zhì)，或合成時不發(fā)生副反應(yīng)而支化，則PET大分子是具有對稱性芳環(huán)結(jié)構(gòu)的線型大分子。由于分子中C－C鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，PET分子中可有兩種構(gòu)象，即有順式（無定形）和反式（結(jié)晶態(tài)）兩種。順式（重復(fù)周期為 1.09nm）反式（重復(fù)周期為 1.075nm）（其能量低于順式構(gòu)象）這種大分子長鏈既對稱，又規(guī)整，所有的苯環(huán)幾乎處于同一平面上，且沿著分子長鏈方向拉伸時能互相平行排列，故能緊密斂集而易于結(jié)晶。表1 聚酯切片的質(zhì)量指標(biāo)序號 項 目 單位 指標(biāo)錯誤！未指定書簽。1特性黏度（在20℃苯酚/四氧乙烷1：1，0.5％液中測得）0.072黏度波動范圍≤±0.13相對黏度（在20℃，1％間甲苯酸中測得）≤1.644熔點℃2605TiO2含量（相對于消光劑0.4％）％0.40±56端羧基（－COOH）mval/kg≤287二甘醇（DEG）wt％≤1.18色相（用DUPONT法測定）L≥829水含量（切片）wt％≤0.410灰分（不含TiO2）wt％≤0.0411凝聚粒子>10μm個/mg無125～10μm個/mg0.413鐵含量ppm≤31.1.3合成PET的副反應(yīng)PET合成采用高純度對苯二甲酸（PTA）與乙二醇（EG）為原料，經(jīng)過酯化反應(yīng)階段和縮聚反應(yīng)階段生成聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）?？s聚反應(yīng)過程總是通過一定的方法實現(xiàn)的。目前工業(yè)上廣泛采用的有熔融縮聚、溶液縮聚和界面縮聚等方法。PET的合成采用的是熔融縮聚，即在反應(yīng)中不加溶劑，使反應(yīng)溫度在原料單體和縮聚產(chǎn)物熔化溫度以上（一般高于熔點 10～25℃）進(jìn)行的縮聚反應(yīng)。熔融縮聚法的特點是反應(yīng)溫度高（一般在200℃以上）。溫度高有利于提高反應(yīng)速率和低分子副產(chǎn)物的排除。此法一般用于室溫下反應(yīng)速率很小的可逆縮聚反應(yīng)。熔融縮聚生產(chǎn)工藝簡單，由于不需要溶劑，減少了溶劑蒸發(fā)的損失和省去回收溶劑的工序，減少污染，有利于降低成本。由于反應(yīng)為可逆平衡，在生成大分子的同時，還有若干副反應(yīng)產(chǎn)生，這些可看作逆反應(yīng)，PET合成的副反應(yīng)可分以下三個方面：1）單體或低聚物的環(huán)化反應(yīng)環(huán)化物的含量溫度的升高而增加。往往生成通式為OOO(CH2)2OCCnCCO(CH2)2O錯誤！未指定書簽。OO的環(huán)化物（n一般為2）。當(dāng)溫度有210℃升到340℃時，其含量由1％增加到5％。（2）單體的副反應(yīng)由于熔融縮聚的反應(yīng)溫度較高，在縮聚過程中常發(fā)生各種各樣的副反應(yīng)。單體乙二醇形成二氧六環(huán)溫度越高，反應(yīng)越明顯。乙二醇的脫水反應(yīng)如果催化劑為醋酸鋅，此種反應(yīng)更為明顯。此外，乙二醇還可進(jìn)行二聚反應(yīng)。而二元羧酸單體，在反應(yīng)溫度較高時也會發(fā)生脫羧反應(yīng)。3）聚合物的副反應(yīng)a大分子鏈端基的裂解與環(huán)狀齊聚物的形成HO(CH2)2O(CH2)OH→CH2＝CHO(CH2)OH+H2OCH2=CHO(CH2)2OH→2CH3CHO由于大分子鏈中酯鍵的裂解作用， 或分子內(nèi)、分子外的酯交換作用，使縮聚過程中生成環(huán)狀齊聚物。OOOOCCOCH2CH2OCCOCH2CH2OHOOOOOCCCCOCH2CH2OCH2CH2OH+OOCHOCCCH2OHOO錯誤！未指定書簽。大分子鏈的熱裂解與鏈交換作用PET大分子鏈中的酯基（）能與體系中存在的水、酸、醇等進(jìn)行裂解反應(yīng)，且鏈節(jié)之間進(jìn)行交換。這種酯鍵的熱裂解反應(yīng)是一種親電子的異裂反應(yīng)，羧基上的氧原子向位于酯鍵β位的氫原子進(jìn)攻，形成羧基和烯烴，這種熱裂解反應(yīng)可在任意位置的酯鍵上發(fā)生。故，為防止這類副反應(yīng)，必須在無氧及惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行縮聚反應(yīng)。另外，還可添加穩(wěn)定劑等添加劑，以提高其熱穩(wěn)定性。1.2聚酯的應(yīng)用聚酯的用途可分為纖維和非纖維兩大類。聚酯開發(fā)初期主要用于制造合成纖維(占PET消耗量的70％左右)，以聚酯為原料生產(chǎn)的聚酯纖維因其極佳的紡用性能，能很好地替代天然纖維中的棉花、羊毛、真絲、麻類纖維等，其用量很快超過尼龍纖維，成為合成纖維中的主導(dǎo)產(chǎn)品。聚酯的非纖維應(yīng)用包括薄膜、容器和工程塑料。聚酯非纖維應(yīng)用的主要領(lǐng)域是制造充裝飲料、食品等的包裝容器。由于聚酯有較好的結(jié)晶性、剛性和強度，對非極性氣體的阻隔性高，耐蠕變性和尺寸穩(wěn)定性好，線膨脹系數(shù)小，這些優(yōu)良性能使其很適用于做包裝材料。 與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，力學(xué)強度高，耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點。聚酯的另一大非纖維應(yīng)用是生產(chǎn)聚酯薄膜，聚酯薄膜具有良好的熱穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性、防潮性、耐化學(xué)性、阻隔性和較高的透明度及硬度，且易于運輸，因此聚酯薄膜可用作包裝、印刷、磁記錄、感光、絕緣材料等，其中尤以食品包裝用途最為廣泛。另外，根據(jù)對產(chǎn)品性能的要求，通過復(fù)合等措施，聚酯薄膜的性能還能有進(jìn)一步的改進(jìn)。第二章 工藝流程和方案的說明及論證2.1工藝路線的選擇2.1.1 合成原理用精制后的對苯二甲酸雙羥乙酯或它與苯甲酸混合的反應(yīng)物進(jìn)行縮聚反應(yīng)，錯誤！未指定書簽。分離出乙二醇后即得聚對苯二甲酸乙二醇酯，其反應(yīng)如下：2.1.2 合成路線的選擇及流程簡述基于以上對合成路線及工藝流程的簡單介紹，再結(jié)合設(shè)計的需要，最后本次設(shè)計采用酯交換法的連續(xù)縮聚法。由于酯交換法中其原料對苯二甲酸二甲酯DMT）可用較容易的蒸餾和重結(jié)晶方法精制，連續(xù)生產(chǎn)較易，所以酯交換法應(yīng)用最廣。目前，世界上多數(shù)工廠仍以此法為主，后兩種制法是近年來發(fā)展起來的新合成方法。2.1.3 合成路線PET可由單體對苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）經(jīng)縮聚反應(yīng)而成。工業(yè)生產(chǎn)中，按其合成路線可分三種。（1）直縮法PTA與EG直接酯化生成對苯二甲酸二乙二醇酯（或稱對苯二甲酸雙羥乙酯，簡稱BHET），再由BHET經(jīng)縮聚反應(yīng)得 PET，其反應(yīng)如下：此法是先直接酯化再縮聚，故稱直縮法。用高純度的對苯二甲酸與乙二醇反應(yīng)，可省去對苯二甲酸二甲酯的制造和精制及甲醇的回收，因而成本有所降低。1956年開始研究此法，于1963年開始工業(yè)化生產(chǎn)。對苯二甲酸與乙二醇的混合物不象對苯二甲酸二甲酯與乙二醇的混合物，后者為一均勻溶液，前者為漿狀物。要將這種漿狀物混合均勻并加熱反應(yīng)很困難的，且在高溫下PTA易升華，不但反應(yīng)速度緩慢，還易產(chǎn)生醚化反應(yīng)。為使?jié){狀物混合良好，往往加入過量的乙二醇，這樣又會加速醚化反應(yīng)，結(jié)果使所得聚合物質(zhì)量低劣。因而直接酯化法的關(guān)鍵在于：解決漿狀物的混合問題；提高反應(yīng)速度，使其達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的要求；抑制醚化反應(yīng)。（2）酯交換法早期生產(chǎn)的單體PTA純度不高，又不易提純，不能由直接法制得質(zhì)量合格的PET。因而將純度不高的PTA先與甲醇反應(yīng)生成對苯二甲酸二甲酯（DMT），后者較易提純。再由EG與高純度的DMT（≥99.9％）進(jìn)行酯交換反應(yīng)生成BHET，隨后縮聚成PET，其反應(yīng)如下：（DMT）（DMT） （EG）錯誤！未指定書簽。因合成過程中必須經(jīng)過酯交換反應(yīng)，工業(yè)中稱此法為酯交換法。BHET 合成是在催化劑存在下進(jìn)行的，催化劑多為乙酸鋅、乙酸錳或乙酸鈷，或者與三氧化銻混合使用，催化劑用量為 0.01％～0.05％（DMT重）。在生產(chǎn)中，先將乙二醇加入溶解釜中，然后加入DMT，EG：DMT=1：2.5（mol），溶解溫度為150～160℃，EG過量可促使酯交換反應(yīng)進(jìn)行完全。當(dāng)物料完全溶解后用泵溶液輸送至酯交換釜，同時加入催化劑。加料完畢后升溫到 180～190℃，甲醇在170℃左右開始蒸出。在酯交換過程中應(yīng)通入氮氣保護(hù)以防止氧化。當(dāng)甲醇餾出量為理論的 85％～95％時，就可認(rèn)為酯交換反應(yīng)完畢，時間約為 3～6小時。當(dāng)溫度上升到 260～280℃時即達(dá)反應(yīng)終點。（3）環(huán)氧乙烷加成法因為乙二醇是由環(huán)氧乙烷制成的，若由環(huán)氧乙烷（ EO）與PTA直接加成得BHET，再縮聚成PET。這個方法稱為環(huán)氧乙烷法，反應(yīng)步驟如下：（PTA） （EO）此法可省去由EO制取乙二醇這一個步驟，故成本低，而反應(yīng)又快，優(yōu)于直縮法。但因EO易于開環(huán)生成聚醚，反應(yīng)熱大（約 100kJ/mol），EO易熱分解，又EO在常溫下為氣體，運輸及貯存都較困難，故此法尚未大規(guī)模采用。在三種合成路線中，酯交換聚酯法和直接酯化法現(xiàn)在依然是合成聚酯的兩大主要工藝路線，其生產(chǎn)過程（如圖1）所示DMT（固體）PTAEGDMT（液體）PTA料倉EG單批DMT槽料倉漿料混合器熔化槽水分餾塔 酯化 酯交換 甲醇分餾塔水預(yù)縮聚甲醇廢乙二醇排出蒸汽冷凝中等黏度縮聚結(jié)晶干燥造粒高黏度的最終反應(yīng)器錯誤！未指定書簽。熔融擠壓機結(jié)晶圖1 酯交換和直接酯化聚酯法工藝路線的生產(chǎn)2.2工藝流程設(shè)計PET生產(chǎn)的工藝流程可分為間歇法、連續(xù)法和半連續(xù)法。間歇法比較簡單，主要是一個酯化（或酯交換）反應(yīng)器及一個縮聚反應(yīng)器組成；而連續(xù)法，則由很多個反應(yīng)器串聯(lián)而成，最終產(chǎn)品PET可連續(xù)不斷地送去鑄帶、切拉，或直接紡絲。連續(xù)式所得產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，適合大批量生產(chǎn)。我國幾個大的石化公司如：上海金山石化公司、北京燕山石化總公司等均采用連續(xù)縮聚。也有人研究并開發(fā)了半連續(xù)法，即在酯化和縮聚兩個過程之間設(shè)一個中間貯存糟，酯化后得到的BHET可存放于此槽中，定時定量的送入間歇縮聚反應(yīng)器中進(jìn)行縮聚。一個中間槽可配幾個縮聚反應(yīng)器，故此法適宜生產(chǎn)多品種PET的需求。2.2.1連續(xù)縮聚一般可分為三段：第一段是除去酯化或酯交換反應(yīng)中多余或產(chǎn)生的乙二醇；第二段是低聚合度物料縮聚，這時物料黏度較低，設(shè)備可以用釜式、塔式（容量板塔）和臥式反應(yīng)器，設(shè)備容量較大，要求物料接觸充分，加熱均勻，不堵塞、不返料，采用二級蒸汽噴射泵抽真空， 一般稱這一階段為預(yù)縮聚。 遼寧石化總公司的預(yù)縮聚結(jié)構(gòu)較特殊，有 12塊塔板，塔板上有熱油盤管，加熱均勻，無返料，副反應(yīng)少；第三段是在高真空下進(jìn)行的縮聚， 稱后縮聚，此時進(jìn)入后縮聚釜的物料黏度較大（反應(yīng)后期已達(dá) 200Pa·s以上），設(shè)備的結(jié)構(gòu)較新，以利于小分子副產(chǎn)物排除。盡量使物料呈活塞流動，不發(fā)生返混現(xiàn)象。防止物料滯留、局部過熱降解，影響產(chǎn)品質(zhì)量?？s聚釜的形式很多，常見的有盤環(huán)式、鼠籠式、螺桿反應(yīng)式等。物料用泵強制輸送，錯誤！未指定書簽。采用四、五級蒸汽噴射泵抽真空。2.2.2間歇縮聚間歇縮聚的工藝流程比較簡單，只有一臺縮聚釜。酯交換結(jié)束后的物料BHET）用氮氣壓入縮聚釜，在低真空下（40mmHg）進(jìn)行前縮聚，然后在高真空下進(jìn)行后縮聚?？s聚結(jié)束后由氮氣將物料壓出，鑄帶、冷卻、切粒及干燥，最后得粒狀產(chǎn)物。2.3工藝參數(shù)的選擇2.3.1催化劑為了加速BHET的縮聚反應(yīng)，常須加入催化劑。對催化劑的要求應(yīng)為：有較強的催化作用；不催化副反應(yīng)及PET的熱降解反應(yīng)；能很好地溶解于PET中，且不使PET著色。在PTA與EG直接酯化中所用催化劑，如醋酸鈷、鈣、鋅等化合物雖然對BHET的縮聚反應(yīng)也有催化作用，但他們在高溫下卻能使PET加速熱降解，自身又能被產(chǎn)生的羧基抑制而“中毒”失去催化效用。經(jīng)過大量的篩選和研究，至今找到的最合適的BHET縮聚催化劑是Sb2O3。由動力學(xué)研究測知，Sb2O3的催化活性與反應(yīng)中羥基的濃度成反比。在縮聚反應(yīng)的后期， PET分子量上升，羥基濃度下降，使得Sb2O3的催化活性更為有效。Sb2O3的用量一般為PTA質(zhì)量的0.05％，或DMT質(zhì)量的0.03％～0.05％。因Sb2O3溶解性稍差，近年來有采用溶解性好的醋酸銻，或熱降解作用小的鍺化合物，也有用鈦化合物的。2.3.2穩(wěn)定劑為了防止PET在合成過程中和后加工熔融紡絲時發(fā)生熱降解（包括熱氧降解）常加入一些穩(wěn)定劑。工業(yè)上最常用的是磷酸三甲酯（ TMP）和亞磷酸三苯酯和磷酸三苯酯。尤其是后者效果更佳，因為它還具有抗氧化作用。對穩(wěn)定劑的作用有兩種觀點；一種認(rèn)為是封鎖端基的作用，防止 PET降解；另一種認(rèn)為是穩(wěn)定劑能與直接酯化過程中的催化劑金屬醋酸鹽相互結(jié)合，抑制了醋酸鹽對PET熱降解反應(yīng)的催化作用。穩(wěn)定劑用量越高，即PET中含磷量越高，其熱穩(wěn)定性也越好。但是穩(wěn)定劑可使縮聚反應(yīng)的速度下降，在同樣的反應(yīng)時間下所得PET的分子量較低，即對縮聚反應(yīng)有遲緩作用，工業(yè)生產(chǎn)中必須考慮這個副作用。穩(wěn)定劑用量一般為 PTA的錯誤！未指定書簽。1.25％（質(zhì)量），或DMT的1.5％～3％（質(zhì)量）。2.3.3縮聚反應(yīng)的溫度與時間縮聚時產(chǎn)物PET的分子量（即[η]）與反應(yīng)溫度及時間的關(guān)系（見圖 2）所示。從圖中可看到每一個反應(yīng)溫度下， [η]值都出現(xiàn)一個高峰。說明縮聚時既有使分子鏈增長的反應(yīng)，同時存在有使分子鏈斷裂的降解反應(yīng)。反應(yīng)開始時，由低聚物縮聚成較大分子的反應(yīng)為主，待PET分子增大后，裂解反應(yīng)起主要作用。反應(yīng)溫度較高時，反應(yīng)速率較快，故[η]到達(dá)極大值的時間較短，但高溫下熱降解嚴(yán)重，此極大值較低。在生產(chǎn)中必須根據(jù)具體的工藝條件和要求的黏度值來確定最合適的縮聚溫度與反應(yīng)時間。當(dāng)黏度達(dá)到極大值后，應(yīng)盡快出料，避免因出料時間延長而引起分子量下降。272℃1.0特0.8283℃性黏0.6293℃度0.40.224681012時間，h圖2PET的[η]與縮聚反應(yīng)溫度及時間的關(guān)系2.3.4縮聚反應(yīng)的壓力因為BHET縮聚反應(yīng)是一個平衡常數(shù)很小的可逆反應(yīng)，為了使反應(yīng)向產(chǎn)物PET生成的方向移動，必須盡量除去EG，也就是說反應(yīng)過程中需要抽高真空。圖3指出不同壓力下PET的[η]與反應(yīng)時間的關(guān)系?？芍?85℃下反應(yīng)時，壓力越低，可在較短的反應(yīng)時間內(nèi)獲得較高的[η]值40Pa1.0270Pa特0.8性黏0.6度0.4670Pa0.22670Pa錯誤！未指定書簽。1.02.03.04.05.0 時間，h圖3PET的[η]與壓力及反應(yīng)時間的關(guān)系一般在縮聚反應(yīng)的后階段中可要求反應(yīng)壓力低達(dá)0.1kPa。工業(yè)上常用五級蒸汽噴射泵或乙二醇噴射泵來達(dá)到這個要求。2.3.5攪拌的影響PET合成時，必須采用激烈的攪拌，使熔體的氣液界面不斷更新，有利于EG逸出。在同樣反應(yīng)條件下，攪拌速率越快，獲得的PET分子量越高。在連續(xù)縮聚法中，當(dāng)反應(yīng)處于初縮聚階段，?？刹捎盟皆O(shè)備。黏度不太大的熔體可在塔內(nèi)的垂直管中自上而下作薄層運動，以提高EG蒸發(fā)的表面積。當(dāng)縮聚反應(yīng)進(jìn)行至中、后期，熔體黏度較大，通常采用臥式熔融縮聚釜。臥式熔融縮聚釜具有橫臥式的中心軸，軸上安裝有多層螺旋片，可推動物料前進(jìn)；另有數(shù)層網(wǎng)片（插在螺旋片間），可增加EG蒸發(fā)表面。網(wǎng)片旋轉(zhuǎn)時，網(wǎng)片上的網(wǎng)孔將粘附有薄膜狀的物料暴露于縮聚釜上半部的空間中，不斷形成新表面，有助于 EG的排除?？傊?，無論采用哪種攪拌形式，其作用是增加EG的蒸發(fā)擴(kuò)散的表面積，或減少擴(kuò)散液層的厚度，以加速縮聚反應(yīng)。2.3.6其他添加劑（1）擴(kuò)鏈劑在縮聚后期，EG不易排除，?？杉尤攵岫锦ィㄈ绮菟岫锦ィ┳鳛閿U(kuò)鏈劑，可發(fā)生下列反應(yīng)。生成的苯酚易于逸出，有利于大分子鏈增長。如[η]=0.5的PET樹脂，加入一定量的擴(kuò)鏈劑，抽至高真空，在20分鐘左右即可提高至[η]=1.0。（2）消光劑由此可以改進(jìn)反光色調(diào)，并具有增白作用。其用量常為 PET的0.5％。（3）著色劑有時可把色料和縮聚原料一起加入反應(yīng)釜中反應(yīng)，可得到顏色較為均勻的有色PET樹脂，這種方法稱為原液著色。因為縮聚反應(yīng)溫度較高，必須采用耐溫型的著色劑，如酞菁蘭、炭黑及還原艷紫等。2.3.7 總結(jié)（1）影響聚酯反應(yīng)的主要因素有：反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、物料停留時間、 PTA錯誤！未指定書簽。濃度、EG濃度、催化劑濃度等。2）在不同反應(yīng)階段，各項影響因素對最終產(chǎn)品各項指標(biāo)的影響力度不同，應(yīng)找出最主要的影響因素加以調(diào)整。3）對于最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響因素，應(yīng)綜合不同反應(yīng)階段一起調(diào)整。4）酯化反應(yīng)主要受溫度、壓力、停留時間的影響，僅在后期受EG/PTA摩爾比的影響。DEG的生成主要是在酯化階段，DEG含量應(yīng)主要從酯化階段入手。預(yù)縮聚階段端羧基含量高的主要原因與酯化反應(yīng)的酯化率有很大關(guān)系。因此，酯化反應(yīng)的優(yōu)化非常重要。5）在參數(shù)優(yōu)化過程中，影響參數(shù)也應(yīng)綜合考慮，在調(diào)整一項參數(shù)的同時，可以適當(dāng)調(diào)整其它參數(shù)，以補償因調(diào)整該項參數(shù)對其它指標(biāo)造成的影響。2.4影響聚酯反應(yīng)的因素2.4.1 EG/DMT投料比EG/DMT投料比指EG/DMT實際投入打漿釜的摩爾比。從反應(yīng)機理中可知，反應(yīng)生成的BHET可代替EG參加酯化反應(yīng)，同時在縮聚反應(yīng)中又生成EG，因而理論上EG/PTA投料比是2。但實際生產(chǎn)控制在1.1～1.33為宜。EG/DMT投料比增大，EG加入量增大，從而使酯化反應(yīng)釜中酯化反應(yīng)的副反應(yīng)——醚化反應(yīng)增大，最終導(dǎo)致產(chǎn)品熔點下降。此外，酯化分餾柱溫度及柱頂溫度控制高出正常值范圍，也會使酯化水中EG含量過高（>5%）而影響正常生產(chǎn)。EG/PTA投料比減小，將導(dǎo)致酯化不完全。未參加反應(yīng)的PTA物料導(dǎo)入縮聚釜后，由于大分子鏈端基部分大部分為羧基，形成了鏈終止劑，從而不能生成工藝要求所需的大分子PET。2.4.2反應(yīng)溫度當(dāng)反應(yīng)溫度過低時，酯化反應(yīng)停止。大量EG在次溫度下蒸發(fā)（EG沸點為197℃）。在實際生產(chǎn)中，酯化分餾柱溫度及柱頂溫度超出正常工藝范圍值，會導(dǎo)致大量EG蒸出，進(jìn)一步導(dǎo)致EG/DMT摩爾比下調(diào)，最終導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。當(dāng)反應(yīng)溫度高時，反應(yīng)速度加快，導(dǎo)致釜內(nèi)生成的水不能及時蒸出，副反應(yīng)增多，產(chǎn)品熔點降低，影響后加工染色性能，使色度增加，影響產(chǎn)品外觀。2.4.3酯化反應(yīng)時間物料在酯化釜內(nèi)停留時間一般不宜過長。反應(yīng)時間過長會導(dǎo)致副反應(yīng)增大，錯誤！未指定書簽。熔點下降，色值增大。反應(yīng)時間過短會形成釜內(nèi)起壓或?qū)е碌陀诜磻?yīng)溫度而形成EG蒸出現(xiàn)象。因而反應(yīng)時間必須按實際設(shè)計的工藝要求控制。2.4.4縮聚反應(yīng)釜的真空度縮聚反應(yīng)的真空階段分兩個部分即低真空階段和高真空階段。在低真空階段，反應(yīng)物較稀，分子鏈小，真空度上升的速度要均衡，否則會使物料大量帶出造成泛液，一般低真空階段控制在30min~40min；在高真空階段，反應(yīng)物料較為粘稠，分子鏈長，分子之間縮合出EG也越來越少，因此，要從較粘稠的物料中抽出少的EG，必須使真空度提高。因而在反應(yīng)后期，若真空度達(dá)不到規(guī)定工藝值，反應(yīng)生成的EG就不能及時抽出，致使反應(yīng)時間過長，最終影響產(chǎn)品的黏度與色值。2.4.5縮聚反應(yīng)溫度縮聚反應(yīng)本身是一個放熱反應(yīng)，但由于反應(yīng)初期有大量的EG生成，為了使其蒸發(fā)，需要大量的蒸發(fā)熱，因反應(yīng)放出的熱量不足使大量生成的乙二醇（EG）蒸發(fā)，故反應(yīng)初期必須對其加熱。反應(yīng)后期，生成的EG量少，反應(yīng)本身放出的熱量即可維持反應(yīng)進(jìn)行。2.4.6縮聚反應(yīng)時間縮聚反應(yīng)時間也是影響產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)——黏度的重要因素。 反應(yīng)時間長，黏度大，產(chǎn)品聚合度高；但過長會導(dǎo)致物料在釜內(nèi)熱裂解，端羧基增多，黏度下降，色值上升。生產(chǎn)中，應(yīng)按工藝要求控制縮聚反應(yīng)時間。2.5工藝流程圖的繪制及說明2.5.1 PET生產(chǎn)工藝流程簡圖EG/ 甲醇回收穩(wěn) 定 劑DMT 乙二醇一級酯交換 二級酯交換 三級酯交換 BHE儲槽 脫除器產(chǎn)品PET前縮聚釜錯誤！未指定書簽。后縮聚釜EG回收圖1 PET工藝流程方塊圖2.5.2生產(chǎn)工藝流程說明EG和DMT以一定的摩爾比[(2.～2.5:1)配制好的漿料經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入三個串聯(lián)的階梯式酯化釜的第一級.Co-Ca催化劑（0.04%）也在此加入.第一級酯化釜溫度控制在180-190℃,反應(yīng)大約3h,一級常壓酯交換率為69%-70%。二級酯交換反應(yīng)釜溫度控制在200-210℃，反應(yīng)3h,常壓酯酯交換率為90%-92%。三級酯交換反應(yīng)釜溫度控制在210-215℃，反應(yīng)3h,常壓酯酯交換率為97%-98%。由于酯交換反應(yīng)溫度高，酯交換生成的甲醇夾帶著EG被蒸出反應(yīng)釜，為了保持反應(yīng)釜的原料配比（EG與DMT摩爾比）不變，甲醇與EG混合蒸汽分別在精餾塔中進(jìn)行分離。經(jīng)過冷凝器冷凝，回收甲醇。通過酯交換反應(yīng)生成的BHET等物料送入BHET儲槽，同時加入消光劑（0.4%）與穩(wěn)定劑（2%），在此釜中控制溫度230-235℃，攪拌1-1.5h，常壓酯交換率>99%.由BHET儲槽出來的物料先后進(jìn)入到縮聚反應(yīng)釜，在抽真空條件下進(jìn)行縮聚反應(yīng)，得到具有一定聚合度的PET熔體。由縮聚釜蒸出的EG蒸汽經(jīng)過分離出夾帶的少量低聚物后，進(jìn)入EG洗滌器進(jìn)行冷凝。冷凝下來的EG通過循環(huán)泵冷卻器冷卻后循環(huán)使用，多余的EG送到EG回收裝置處理。其中第一縮聚釜反應(yīng)溫度控制在230-235℃,在45-50KPa下反應(yīng)1h；第二縮聚釜反應(yīng)溫度控制在270-275℃,在1.5-3.0KPa下反應(yīng)2.5-3.0h；第三縮聚釜反應(yīng)溫度控制在275-280℃,在0.1-0.3KPa下反應(yīng)5-6h；最后由縮聚釜出來的熔體 PET進(jìn)行后處理得到產(chǎn)品?；厥盏男链家徊糠种苯友h(huán)到酯化部分使用，另一部分需進(jìn)行分餾和催化加氫處理。生產(chǎn)廢水（COD值700～1500mHg/L）用活性污泥進(jìn)行生化處理后再排放。本工藝流程特點：原料簡單，工藝流程短，物料循環(huán)使用，生產(chǎn)效率高。第三章 物料衡算錯誤！未指定書簽。本工藝的配方如下（以 DMT質(zhì)量為參考標(biāo)準(zhǔn)）：DMT 100 催化劑 0.04穩(wěn)定劑 2 消光劑 0.5物料配比：DMT：EG=1:2.15（摩爾比）。采用順流程的計算順序進(jìn)行物料衡算，該工藝為年產(chǎn) 8萬噸PET，開工300天，每天生產(chǎn)24小時，總損耗為 5%。三級酯交換率分別為 70%、92%和98%。一些物質(zhì)的參數(shù)如下表 3-1表3-1名稱TPAEG水甲醇BHETDMT相對分子166621832254194質(zhì)量假設(shè)PET的聚合度為103，鏈節(jié)為162，相對分子質(zhì)量為20000。具體物料衡算過程如下：PET熔體=8×107/（300×24×0.95）=11695.91kg/h；故DMT投料的摩爾量n=11695.91/20000×103=60.23kmol/h；DMT的投料質(zhì)量為M=n×194=11685.38kg/h。3.1酯交換階段3.1.1第一酯交換器R101物料衡算101.0DMT：MDMT=11685.38kg/hEG:MEG=2.15×n×62=8028.66kg/h101.2催化劑用量：M=0.04/100×M=4.67kg/h101.0R101101.1催化劑DMT合計：11685.38+8028.66+4.67=19718.71kg/h101.1由于酯交換率為 70%，所以生成BHET質(zhì)量為 ：MBHET1=n×0.7×254=10708.89kg/h；生成甲醇的質(zhì)量為：M甲醇1=n×0.7×2×32=2698.30kg/h；剩余DMT質(zhì)量為：M剩DMT1=11685.38×0.3=3505.61kg/h；剩余EG質(zhì)量為：M剩EG1=（60.23×2.15-2×60.23×0.7）×62=2800.70kg/h；因此101.1為：M催化劑+MBHET1+M剩DMT1+M剩EG1=17019.87kg/h；錯誤！未指定書簽。101.2為：M甲醇1=n×0.7×2×32=2698.30kg/h；R101物料平衡驗算：總進(jìn)料量=11685.38+8028.66+4.67=19718.71kg/h總出料量=M催化劑+MBHET+M剩DMT1+M剩EG1+M甲醇=19718.71kg/h整理計算結(jié)果得：表3-2DMT酯交換法連續(xù)操作物料平衡表單位：kg/h物料名稱進(jìn)料出料DMT11685.383505.61EG8028.662800.70催化劑4.674.67BHET~10708.89甲醇~2698.30合計19718.7119718.713.1.2第二酯交換器R102物料衡算102.0催化劑：M催化劑=0.04/100×MDMT=4.67kg/h102.2BHET質(zhì)量為：MBHET=n×0.7×254=10708.89kg/h；102.0R102102.1DMT質(zhì)量為：M=11685.38×0.3=3505.61kg/h；剩DMT1EG質(zhì)量為：M=（60.23×2.15-2×60.23×0.7）×62=2800.70kg/h；剩EG1合計：4.67+10708.89+3505.61+2800.70=17019.87kg/h；102.1此階段酯交換率為92%，故又反應(yīng)了22%。所以又生成BHET質(zhì)量為 ：MBHET2=n×0.22×254=3365.65kg/h；又生成甲醇的質(zhì)量為：M甲醇2=n×0.22×2×32=848.04kg/h剩余DMT質(zhì)量為：M剩DMT2=11685.38×0.08=934.83kg/h；剩余EG質(zhì)量為：M剩EG2=（60.23×2.15-2×60.23×0.92）×62=1157.62kg/h；因此102.1為：M催化劑+MBHET1+MBHET2+M剩DMT2+M剩EG2=16171.66/h；102.2為：M甲醇2=n×0.22×2×32=848.04kg/hR102物料平衡驗算：錯誤！未指定書簽。總進(jìn)料量=4.67+10708.89+3505.61+2800.70=17019.87kg/h ；總出料量=16171.66+848.04=17019.87kg/h整理計算結(jié)果得：表3-3DMT酯交換法連續(xù)操作物料平衡表單位：kg/h物料名稱進(jìn)料出料DMT3505.61934.83EG2800.701157.62催化劑4.674.67BHET10708.8914074.55甲醇~848.04合計17019.8717019.873.1.3第三酯交換器R103物料衡算103.0催化劑：M催化劑=0.04/100×MDMT=4.67kg/hBHET質(zhì)量為：MBHET=n×0.92×254=14074.55kg/h；103.2DMT質(zhì)量為：M剩DMT=934.83kg/h；R103103.1103.0EG質(zhì)量為：M剩EG=1157.62kg/h；合計：4.67+14074.54+934.83+1157.62=16171.66kg/h；103.1此階段酯交換率為98%，故又反應(yīng)了6%。所以又生成BHET質(zhì)量為 ：MBHET3=n×0.06×254=917.90kg/h；生成又甲醇的質(zhì)量為：M甲醇3=n×0.06×2×32=231.28kg/h剩余DMT質(zhì)量為：M剩DMT3=6883.12×0.02=233.71kg/h ；剩余EG質(zhì)量為：M剩EG3=（60.23×2.15-2×60.23×0.98）×62=709.51kg/h；因此103.1為：M催化劑+MBHET總+M剩DMT3+M剩EG3=15940.38kg/h；103.2為：M甲醇3=n×0.06×2×32=231.28kg/hR103物料平衡驗算：錯誤！未指定書簽。總進(jìn)料量=4.67+14074.55+934.83+1157.62=16171.67kg/h ；總出料量=15940.38+231.28=16171.67kg/h整理計算結(jié)果得：表3-4DMT酯交換法連續(xù)操作物料平衡表單位：kg/h物料名稱進(jìn)料出料DMT934.83233.71EG1157.62709.51催化劑4.674.67BHET14074.5514992.45甲醇~231.28合計16171.6716171.673.1.4BHET儲槽物料衡算R201.0催化劑：M催化劑=0.04/100×MDMT=4.67kg/hBHET質(zhì)量為：MBHET=n×0.98×254=14992.45kg/h；DMT質(zhì)量為：M剩DMT=233.71kg/h；201.1EG質(zhì)量為：M=709.51kg/h；2R201剩EG01.0此階段加入穩(wěn)定劑和消光劑，質(zhì)量分別如下：M穩(wěn)定劑=0.02MDMT=233.71kg/h；M消光劑=0.005MDMT=58.43kg/h；合計4.67+917.90+233.71+709.51+233.71+58.43=2157.32kg/h；假設(shè)此階段酯交換率為99.5%，故又反應(yīng)了1.5%。所以又生成BHET質(zhì)量為 ：MBHET3=n×0.015×254=229.48kg/h；又生成甲醇的質(zhì)量為：M甲醇3=n×0.015×2×32=57.82kg/h剩余DMT質(zhì)量為：M剩DMT3=11685.38×0.005=58.43kg/h ；剩余EG質(zhì)量為：M剩EG3=（60.23×2.15-2×60.23×0.995）×62=597.48kg/h；故儲槽中總的物料質(zhì)量為： 2157.32-57.82=2099.5kg/h ；BHET的質(zhì)量為：917.90+229.48=1147.38kg/h ；錯誤！未指定書簽。整理計算結(jié)果得：表3-5DMT酯交換法連續(xù)操作物料平衡表單位：kg/h物料名稱進(jìn)料出料DMT233.7158.43EG709.51597.48催化劑4.674.67BHET14992.4515221.93甲醇~57.82穩(wěn)定劑233.71233.71消光劑58.4358.43合計16232.4816232.483.2縮聚階段本工藝采取三級反應(yīng)釜縮聚，具體參數(shù)如表 4-2：表3-6R201R202R203X0.9911P0.960.9840.9901Mr1.051.0261.0099Xn25.062.5103損失1.5%1%0假設(shè)在聚合之前進(jìn)行的脫 EG工藝損失物料1.5%，切粒包裝階段損失物料 1%。則進(jìn)入聚合釜R201的物料分別變?yōu)椋築HET：M1=15221.93×98.5%=14993.60kg/h；n=M1/254=59.03kmol/h；催化劑：M2=4.67×98.5%=4.60kg/h；錯誤！未指定書簽。穩(wěn)定劑：M3=233.71×98.5%=230.20kg/h；消光劑：M4=58.43×98.5%=57.55kg/h；3.2.1第一縮聚釜R301物料衡算301.2R301.0301.0R201201.11234合計：M+M+M+M=15285.95kg/h；R301.1由于抽真空會有部分聚合物被夾帶出，同時也夾帶出少量的助劑，故n1=n×0.985=58.14kmol/h；催化劑變?yōu)椋篗2×98.5%=4.53kg/h；3穩(wěn)定劑變?yōu)椋篗×98.5%=226.75kg/h；消光劑變?yōu)椋篗4×98.5%=56.69kg/h；聚合反應(yīng)生成EG的質(zhì)量：M=n×P×62=3460.49kg/h；EG11生成聚合物的質(zhì)量：M=n1×P×254-M=10716.37kg/h；PET1EG1剩余BHET質(zhì)量為：M=n×(1-P)×254=590.70kg/h；BHET11故R301.2為：3460.49+15285.95×0.015=3689.78kg/h；R301.1為：4.53+226.75+56.69+10716.37+590.70=11595.04kg/h；R301物料平衡驗算：總進(jìn)料量=15285.94kg/h總出料量=3689.78+11595.04=15285.94kg/h；整理計算結(jié)果得：表3-7DMT酯交換法連續(xù)操作物料平衡表單位：kg/h物料名稱進(jìn)料出料EG~3689.78催化劑4.604.53BHET14993.60590.70穩(wěn)定劑230.20226.75消光劑57.5556.69聚合物~10716.37合計15285.9515285.95錯誤！未指定書簽。3.2.2第二縮聚釜R501物料衡算R501.0進(jìn)料為201.1=11595.04kg/h；501.25R501501.1此階段物料損失為1%，則：01.0n2=590.70/254×0.99=2.30kmol/h；催化劑變?yōu)椋?.53×0.99=4.48kg/h；穩(wěn)定劑變?yōu)椋?26.75×0.99=224.48kg/h；消光劑變?yōu)椋?6.69×0.99=56.12kg/h；聚合反應(yīng)生成EG的質(zhì)量：MEG2=n2×P×62=140.32kg/h；生成聚合物的質(zhì)量：MPET2=n2×P×254-MEG2=434.53kg/h；BHET22剩余BHET質(zhì)量為：M=n×(1-P)×254=9.35kg/h；故R501.2為：140.32+11595.04×0.01=256.27kg/h；R501.1為：4.48+224.48+56.12+MPET總+9.35=11445.63kg/h；R501物料平衡驗算：總進(jìn)料量=11595.04kg/h總出料量=256.27+11338.63=11595.04kg/h；整理計算結(jié)果得：表3-8R501.0酯交換法連續(xù)操作物料平衡表單位：kg/h物料名稱進(jìn)料出料EG~140.32催化劑4.534.48BHET590.709.35穩(wěn)定劑226.75224.48消光劑56.6956.12聚合物10716.3711150.09合計11595.0411595.043.2.3第三縮聚釜R502物料衡算R502.0進(jìn)料為R501.1=11445.63kg/h；502.2在此階段沒有物料損失，則：5502.102.0R502錯誤！未指定書簽。n3=9.35/254=0.0368kmol/h；助劑總量為同上一階段，共計 285.08kg/h聚合反應(yīng)生成EG的質(zhì)量：MEG3=n3×P×62=2.26kg/h；生成聚合物的質(zhì)量：MPET3=n3×P×254-MEG3=6.99kg/h；剩余BHET質(zhì)量為：MBHET3=n3×(1-P)×254=0.09kg/h；故R502.2為：2.26kg/h；R502.1為：MPET總+M助劑+0.09=11443.06kg/h；R502物料平衡驗算：總進(jìn)料量=11445.63kg/h總出料量=2.26+11336.37=11445.63kg/h；整理計算結(jié)果得：表3-8R501.0酯交換法連續(xù)操作物料平衡表單位：kg/h物料名稱進(jìn)料出料EG~2.26催化劑4.484.48BHET9.350.09穩(wěn)定劑224.48224.48消光劑56.1256.12聚合物11150.0911157.09合計11445.6311445.633.3切粒包裝此階段物料損失 1%，則純PET質(zhì)量為：MPET總×0.99=11157.09×0.99=11045.52kg/h。第四章 熱量衡算4.1能量衡算概述在化工生產(chǎn)中，有些過程需消耗巨大的能量，如蒸發(fā)、干燥、蒸餾等；而另一些過程則可釋放大量能量， 如燃燒、放熱化學(xué)反應(yīng)過程等。為了使生產(chǎn)保持在錯誤！未指定書簽。適宜的工藝條件下進(jìn)行，必須掌握物料帶入或帶出體系的能量，控制能量的供給速率和放熱速率。為此，需要對各生產(chǎn)體系進(jìn)行能量衡算。衡量化工產(chǎn)品能量消耗水平的指標(biāo)是能耗，即制造單位質(zhì)量（或單位體積）產(chǎn)品的能量消耗費用。能耗也是衡量化工生產(chǎn)技術(shù)水平的主要指標(biāo)之一。而能量衡算可為提高能量的利用率，降低能耗提供主要依據(jù)。通過能量衡算，可確定整個工藝系統(tǒng)的能耗是否符合設(shè)計合同的要求。4.2能量衡算遵循的原則物流焓的基準(zhǔn)狀態(tài)包括物流焓的基準(zhǔn)狀態(tài)包括物流的基準(zhǔn)壓強、基準(zhǔn)溫度、基準(zhǔn)相狀態(tài)，由能量守恒定律：輸入系統(tǒng)的能量=輸出系統(tǒng)的能量+系統(tǒng)積累的能量。對于連續(xù)系統(tǒng)：Q+W=ΣHout–ΣhinQ——設(shè)備的熱負(fù)荷。W——輸入系統(tǒng)的機械能。Hout——離開設(shè)備的各物料焓之和。ΣHin——進(jìn)入設(shè)備的各物料焓之和。本工藝計算以單元設(shè)備為對象，考慮由機械能轉(zhuǎn)換、化學(xué)反應(yīng)釋放能量和單純的物理變化帶來的熱量變化。（1）主要物性參數(shù)，由相關(guān)資料查得以下數(shù)據(jù)：HθEG（25℃）＝－454.92KJ/molHθCH3OH（25℃）=－726.65KJ/molHθDMT（25℃）=－642.52KJ/molHθPET（25℃）＝－209.2KJ/molHθ水（25℃）＝－241.818KJ/mol-1CP（甲醇）＝81.6J/mol.KCP（PET）＝261.1J/mol.K -1-1CP（EG）＝149.8J/mol.K（2）基本公式∑Q=∑H出—∑H進(jìn)Q=WCp TH=H2—H1汽化熱H甲醇/T沸=88J/molH乙二醇/T沸=134J/mol4.3主要反應(yīng)條件表4.3 PET 生產(chǎn)主要反應(yīng)條件錯誤！未指定書簽。名稱酯化一釜酯化二釜酯化三釜前縮聚釜后縮聚釜T（℃）180~190200~210210~215270~275275~280t（h）2~32~32~32.5~3.05~6P（105Pa）1.01~11.01~11.01~10.015~0.030.001~0.0034.4主要計算過程根據(jù)物料平衡關(guān)系示意圖，忽略催化劑、消光劑的影響。將 EG投入漿料罐時，取室溫為25℃。參考表7的工藝條件參數(shù)。101.0進(jìn)料EG帶入的能量：HEG（25℃）＝ HθEG（25℃）×NT0（EG）＝－454.92KJ/mol×8028.66(kg/h)/62(kg/kmol) ＝－58909.65KJ/h式中NT0（EG）——EG的進(jìn)料摩爾流量。進(jìn)料DMT帶入的能量：θHDMT(25℃)=HDMT（25℃）×NT0（DMT）=－642.52KJ/mol×60.23kmol/h) ＝－38698.98KJ/h式中NT0（DMT）——DMT的進(jìn)料摩爾流量合計：－58909.65－38698.98=－97608.63KJ/h101.2取第一酯交換反應(yīng)釜的溫度為 190℃，上升甲醇的質(zhì)量流量為2698.30Kg/h，則 H 醇（190℃）＝（Hθ＋CP T）N＝[－726.65＋48.785×10-3（190－25）]×2698.30×103÷32＝-60593739.43KJ/hH醇?xì)猓?8×10-3×（273＋139）×2698.30×103÷32＝3057173.90KJ/h合計：-60593739.43＋3057173.90＝-57536565.53KJ/h102.2取第二酯交換反應(yīng)釜的溫度為 210℃，上升甲醇的質(zhì)量流量為 848.04Kg/h，則H醇θPT）N＝[－726.65-3（210－25）]×（210℃）＝（H＋C＋48.785×10848.04×103÷32＝-19017953.57kJ/hH醇?xì)猓?8×10-3×（273＋139）×848.04×103÷32＝960829.32KJ/h合計：-19017953.57＋960829.32＝-18057124.25KJ/h103.2錯誤！未指定書簽。取第三酯交換反應(yīng)釜的溫度為 210℃，上升甲醇的質(zhì)231.28Kg/h，則H醇（210℃）θ＋CPT）N＝[－726.65-33＝＝（H＋48.785×10（210－25）]×231.28×10÷32-5186633.06kJ/hH醇?xì)猓?8×10-3×（273＋139）×231.28×103÷32＝262040.24KJ/h合計：-5186633.06＋262040.24＝-4924592.82KJ/h301.2取第一縮聚反應(yīng)器的溫度為235℃，上升乙二醇的質(zhì)量流量為3460.49Kg/h，則θ＋CP-3×3460.49H乙二醇（235℃）＝（HT）N＝[－454.92＋149.8×10（235－25）]×103÷62＝-23593453.38KJ/hH汽＝134×10-3×（273＋143）×3460.49×103/62＝3111315.40KJ/h合計：-23593453.38＋3111315.40＝-20482137.98KJ/h501.2取第二縮聚反應(yīng)器的溫度為275℃，上升乙二醇的質(zhì)量流量為140.32Kg/h，則θ＋CP-3×140.32H乙二醇（275℃）＝（HT）N＝[－454.92＋149.8×10（275－25）]×103÷62＝—944828.87KJ/hH汽＝134×10-3×（273＋143）×140.32×103/62＝126161.25.58KJ/h合計：-944828.87＋126161.25.58＝-818667.62KJ/h502.2取第二縮聚反應(yīng)器的溫度為 285℃，上升乙二醇的質(zhì)量流量為 2.26Kg/h，則H乙二醇（285℃）＝（Hθ＋CP T）N＝[－454.92＋149.8×10-3（285－25）]×2.26×103÷62＝-15162.85KJ/hH汽＝134×10-3×（273＋143）×2.26×103/62＝2031.96KJ/h合計：-15162.85＋2031.96＝-13130.89KJ/h502.1出料熔體帶出的能量：HPET（285℃）＝[HθPET(25℃)＋CP·ΔT]·NPET＝[－209.2KJ/mol＋261.1J/mol·K×10-3×（285－25）]×11157.09kg/h×103÷20000＝－78832.65KJ/h式中NPET——出料熔體的質(zhì)量流量總的能量平衡關(guān)系為：H EG（25℃）＋HDMT（25℃）＋ Q熱媒＝HPET（285℃）＋Σ（H甲醇＋H乙二醇）則Q熱媒＝（-57536565.53－18057124.25－4924592.82－20482137.98－818667.62－13130.89）－(－97608.63) ＝-101734610.5kJ/h錯誤！未指定書簽。盡管在聚酯工藝中所有的載熱管道均采用了包裹石棉的保溫措施，但還是避免不了一部分熱量的散失，這里以10％的散失率來計算，所以熱煤爐消耗的功率為：W熱媒＝Q熱媒÷（1－10％）÷3600＝101734610.5÷0.9÷3600＝31399.57KW4.5各應(yīng)器能量平衡表4.5各個反應(yīng)器熱量平衡表設(shè)備進(jìn)出熱交換R101-52795.937MJ/h-36274.805MJ/h15638.125MJ/hR102-16666.225J/h-15738.725MJ/h368.895MJ/hR103-30495.222MJ/h-29890.366MJ/h604.856MJ/hR301-29478.841MJ/h-29478.841MJ/h0.1817MJ/hR501-28766.483MJ/h-28766.483MJ/h8.4MJ/hR502-14781.55MJ/h-15738.725MJ/h34.56MJ/h第五章 聚合釜及各設(shè)備選型5.1釜的選型反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)主要有釜體、攪拌裝置、傳熱裝置、工藝接管等組成。這里只對第一酯化釜的釜體進(jìn)行相關(guān)設(shè)計計算。本工藝采用酯交換法生產(chǎn) PET，可采用如下方法計算釜的體積。a.根據(jù)年產(chǎn)量確定每小時處理量 WdWd=80000×103/（300×24）=11111.11kg/d；b.確定物料平均停留時間 t，t=3h；c.確定裝料系數(shù)，取 0.6；故反應(yīng)液的體積為：VR=11111.11×3/1084錯誤！未指定書簽。 =30.750m3；反應(yīng)液的總體積為：VT=VR/0.6=51.251m3；3對于此反應(yīng)可選用60m不銹鋼聚合釜，此釜的直徑為650mm，筒體切線長度為975mm，長徑比為1.5，釜重1016.6kg。此釜封頭高度根據(jù)國標(biāo)h=0.25D=162mm，封頭直邊高度為100mm。反應(yīng)釜的殼套厚度選取100mm。5.2其他設(shè)備的選型其它的設(shè)備主要是泵的選擇。工業(yè)生產(chǎn)中有進(jìn)料泵、回流泵、塔底泵、循環(huán)錯誤！未指定書簽。泵、產(chǎn)品泵等，石油化工泵的選擇應(yīng)該滿足流量，揚程、壓力、溫度、氣蝕余量等工藝參數(shù)的要求，滿足介質(zhì)特性的要求和現(xiàn)場安裝的要求。在選泵時：首先要綜合考慮泵的流量。一方面，應(yīng)按設(shè)計要求達(dá)到的能力確定泵的流量，并使之與其他設(shè)備能力協(xié)調(diào)平衡；另一方面，也要根據(jù)生產(chǎn)需要確定泵的流量。在確定泵的流量時應(yīng)綜合考慮裝置的富裕能力及裝置內(nèi)各設(shè)備能力的協(xié)調(diào)平衡。其次根據(jù)生產(chǎn)要求確定泵的揚程。選泵時，由于工藝過程設(shè)計中管道系統(tǒng)壓力降計算比較復(fù)雜，因此泵的揚程要留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，一般為正常需要揚程的1.05～1.1倍。最后根據(jù)流體輸送設(shè)備的特性曲線確定蚌型選泵時，確定哪一種設(shè)備，應(yīng)在生產(chǎn)上所需要的流量和揚程后進(jìn)行。5.2.1攪拌器的選型攪拌葉與攪拌軸之間的夾角不同，對流體產(chǎn)生的攪拌效果不同，按此原則可將攪拌槳大致分為三類。平葉槳：攪拌槳葉與攪拌軸平行，以剪切作用為主，流動類型為徑向流動，如平槳、直葉或彎葉渦輪槳、錨式槳、框式槳等。折葉槳：攪拌槳葉與攪拌軸有一定的角度，以循環(huán)流動為主，流動類型為軸向流動，如斜槳、開啟式折葉渦輪槳和圓盤式折葉渦輪槳等。螺旋葉面槳：攪拌槳葉繞攪拌軸螺旋上升，如推進(jìn)式槳、螺桿式槳、螺帶式槳等。一個好的選型方法最好具備兩個條件，一是選擇結(jié)構(gòu)合理，一是選擇方法簡便，而這兩點卻往往難以同時具備。由于液體的黏度對攪拌狀態(tài)有很大影響。所以根據(jù)攪拌介質(zhì)黏度大小來選型是一種基本的方法。對于高黏度體系，由于黏度較大，不能有太大的剪切速率，否則易造成摩擦生熱，另外還會使攪拌軸承受較大的扭矩，攪拌功率大，能量消耗大，因此高黏體系需在很低的轉(zhuǎn)速下攪拌。在低攪拌轉(zhuǎn)速條件下，物料處于層流狀態(tài)，單靠流動是不能滿足混合需要的，所以需要有較大的推動面積及攪拌直徑。 隨著黏度增高的各種攪拌器使用順序為推進(jìn)式、渦輪式、槳式、錨式和螺帶式等。根據(jù)攪拌過程的目的與攪拌器造成的流動狀態(tài)，本設(shè)計的攪拌器采用圓盤式斜葉渦輪槳和圓盤式直葉渦輪槳，攪拌級別為7-10級。根據(jù)《聚合物合成工藝設(shè)計》表6-4知圓盤式渦輪槳的Z=4~8，d/D=1/4~1/2，b/d=1/8~1/5，C/D=1，ut=2~10m/s，d:L:b=20:5:4，因此取d/D=1/3，則d=0.33×2600=867mmL=0.25d=0.25×867=217mmb=0.2d=0.2×867=173mm錯誤！未指定書簽。5.2.2換熱器的選型在釜體外側(cè)安裝各種形狀的鋼結(jié)構(gòu)，使其與釜體表面形成密閉的空間，在此空間內(nèi)通入傳熱介質(zhì)，這種結(jié)構(gòu)稱為夾套，攪拌釜一般都采用夾套這種傳熱裝置。PET合成中有氣體蒸出，且易夾帶低聚物，所以夾套方式采用全包式，以便使低聚物遇到熱的上封頭時熔融，流回到反應(yīng)液中，防止物料掛壁。當(dāng)需要的傳熱面積較大，單靠夾套面積不能滿足需求時， 可采用內(nèi)置傳熱裝置的方法增加傳熱面積。內(nèi)置傳熱器的主要型式有蛇管（盤管）式、列管式、直管式、傳熱環(huán)等多種型式。因為反應(yīng)前期反應(yīng)體系的黏度不大， 因此本設(shè)計采用列管式換熱器。5.2.3EG進(jìn)料管道的選型由《化工原理》查得，20℃時,ρ＝1113kg/m3，μＥＧ＝23mPa·s，屬于高黏度液體，查《聚合物合成工藝設(shè)計》，取u＝0.5m/s.則-133/sVS＝WS/ρ＝9124.39kg·h÷1113kg·m÷3600s＝0.002277mS1/2＝[4×0.002277÷(3.14×0.5)]1/2＝0.07617m＝76.17mmd＝(4V/πu)式中WS——EG的質(zhì)量流量；VS——EG的體積流量。根據(jù)《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》附錄 7，采用Ф80×3mm的熱軋無縫鋼管。第六章聚酯生產(chǎn)的三廢處理6.1 聚酯生產(chǎn)的三廢處理國內(nèi)聚酯生產(chǎn)初