5000吨每年PET生产工艺流程设计Word文档格式.docx
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化学与材料工程技术学院专业班同学
题目:
5000t/aPET生产工艺流程设计
专业技术职务:
一、前言
1、课题的背景、目的和意义
背景:
PET于1941年首先由英国J.tt.Whinfield与J.T.Dickon研制成功。
英国帝国化学公司(1.c.I)于1946年以涤纶(Teleron)纤维投入生产,继而美国杜邦公司(Dupent)于1948年以“代春纶”(Dacron)纤维投入生产。
初期PET几乎都用于合成纤维(我国俗称涤纶)。
80年代以来,PET作为工程塑料有了突破性的进展,相续研制出成核剂和结晶促进剂,目前PET与PBT一起作为热塑性聚酯,成为五大工程塑料之一。
目的:
(1)培养我们独立运用所学基本理论、技术基础和专业知识、综合分析和解决对生产技术问题的能力。
(2)掌握设计的基本方法和步骤、掌握查阅和使用国家手册规范等技术资料的方法、掌握处理生产实际数据的方法,完成技术人员在工艺设计方面所必须具备的运算与绘图的基础训练,为今后从事工艺改造、工艺生产等打下基础。
意义:
经过查阅各种资料选择合适的生产工艺路线,并根据选择的生产方法画出工艺流程图,再根据所学过得基础理论和专业知识进行综合分析,提高我们的综合学习能力,为以后的工作打下基础。
2、课题的现状与发展趋势;
课题欲解决哪一方面的问题
我国的PET生产规模远远落后于国外几个主要生产厂商。
进入80年代,我国逐步从国外引进万吨~几十万吨级先进的PET树脂合成装置,质量和产量都有了长足的进展。
根据中国纺织学会统计,1997年我国生产PET切片树脂174万吨,其中高粘度包装用切片树脂生产能力为22.4万吨,所以生产PET工程塑料级的树脂来源充足。
在PET瓶行业中2012年,我国产值达到了217.38亿元,同比增长了17.3%。
2013年,我国产值达到了237.54亿元,同比增长了9.3%。
随着制造再生pet切片的技术发展,实现从原生pet材料制成的pet瓶产品,到回收废瓶制成再生pet瓶切片并用于pet瓶产品的闭环反馈式再循环、再利用的模式,并达到了国家相关标准,再生pet切片属于食品级标准,可以用于生产食品包装,从而开创了中国pet瓶循环再利用、同质化转换的先河,未来将成为投资机会前景广阔。
课题欲解决扩大生产规模、降低生产成本,提高PET的生产能力和5000t/aPET生产工艺流程设计
二、课题方案的确定
1、方案的原理、特点与选择依据
目前,PET的生产采用技术路线主要有3种:
①酯交换缩聚法(DMT法)
采用对苯二甲酸二甲酯(DMT)与乙二醇(EG)进行酯交换反应,然后缩聚成为PET。
②直接酯化缩聚法(PTA法)
用高纯度对苯二甲酸(TPA)与乙二醇或1,4-丁二醇直接酯化生成对苯二甲酸双羟乙酯或丁酯,然后进行缩聚反应。
③环氧乙烷法(EO法)
直接用环氧乙烷与PTA反应生成对苯二甲酸双羟乙酯,再进行缩聚反应。
现有生产方法评价:
经过比较,我们采取PTA法合成聚酯,采用间歇生产工艺,原因如下:
(1)PTA法较DMT法优点更多:
原料消耗低,EG回收系统较小,不副产甲醇,生产较安全,流程短,工程投资低,公用工程消耗及生产成本较低,反应速度平缓,生产控制比较稳定等,目前世界PET总生产能力中大多采用PTA法。
(2)间歇工艺其优点:
①可随时改变品种,适应市场需求。
②切片易存储和远程运输。
③开停车远比连续工艺小。
由于酯交换法的生产复杂,需要甲醇的回收装置,而且投资大,现在新建的装置基本上已经很少用酯交换的工艺路线,而以前的装置也慢慢的淘汰了。
而PTA法较DMT和EO法优点更多(原料消耗低,EG回收系统较小,不副产甲醇,生产较安全,流程短,工程投资低,公用工程消耗及生产成本较低,反应速度平缓,生产控制比较稳定)等,目前世界PET总生产能力中大多采用PTA法。
反应原理:
第一步是PTA与EG进行酯化反应,生成对苯二甲酸乙二酯(或称对苯二甲酸双羟乙酯,简称BHET)为微放热反应;
第二步是BHET在催化剂作用下发生缩聚反应生成PET。
2、课题完成步骤
①查阅资料,做开题报告
②收集数据,进行工艺计算
③设备选型
④设计图纸
⑤完成毕业设计说明书
三、阶段性设计计划、设计目标与应用价值
第一阶段:
5天时间
1、准备手册、参考书、计算与绘图工具汇总
2、收集设计资料、画出工艺流程草图
第二阶段:
15天时间
1、物料及热量衡算
2、反应器工艺设计
3、其它设备选型和设计
第三阶段:
10天时间
1、生产工艺流程图
2、物料流程图
3、设备平面布置图
第四阶段:
5天时间
1、整理、抄写设计说明书并与图纸装订成册
第五阶段:
5天时间
1、设计答辩
2、修改上交
应用价值:
明确目标,条理清晰,能够快速有效完成任务。
五、指导教师审阅意见
签名:
年月日
目录
1总论 1
1.1设计依据 1
1.2建设规模 1
1.2.1产品品种、规格、数量 1
1.2.2主要原料、产品的物理化学性质、规格、来源 2
1.3产品方案 3
1.3.1产品的用途 3
1.3.2工艺路线的确定 4
1.3.3工艺流程简述 10
2工艺计算 9
2.1物料衡算 9
2.1.1基础数据 9
2.1.2原料、产品的技术规格 9
2.1.3物料衡算 10
2.2热量衡算 11
2.2.1基础数据 11
2.2.2动力(水、电、汽、气)技术规格 12
3设备选型计算 13
3.1反应设备的选型说明及计算 13
4设备布置 17
4.1厂址选择的依据及原则 17
4.2车间布置考虑的问题 18
5三废处理及环境保护 19
5.1车间三废排量及组成 19
5.2三废处理措施及效果 20
6安全生产与劳动保护 22
6.1危险性物质物性一览表 22
6.2消防安全措施 23
6.3劳动防护措施 23
7节能措施 24
致谢 26
参考文献 27
主要符号表
符号表
VR
反应液体积
VT
反应器实际体积
D
聚合釜直径
H
聚合釜高度
ρ
密度
V
体积
PTA
精对苯二甲酸
EG
乙二醇
BHET
对苯二甲酸二羟基乙酯
PET
聚对苯二甲酸乙二醇酯
W
物料的总重量kg/h
总论
1.1设计依据
本设计以设计任务书为基础,综合文献检索、资料收集,综合分析,以现有的成熟生产技术和实际经验为依据,博众家之长,选择合适设计方案。
1.2建设规模
1.2.1产品品种、规格、数量
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%【1】。
进入80年代,我国逐步从国外引进万吨~几十万吨级先进的PET树脂合成装置,质量和产量都有了长足的进展。
根据中国防治学会统计,1997年我国生产的PET切片树脂174万吨,其中高黏度包装用(饮料瓶和包装片材等)切片树脂生产能力为22.4万吨,所以生产PET工程塑料级的树脂来源充足。
由于制备各种混配改性PET塑料的装置于其他聚合物混配改性用的装置是通用的,国内混配用挤出机等制造业形成一定规模,所以只要市场一旦开拓,国内PET塑料的生产也会快速增长。
我国聚酯工业及国外先进水平的差距主要表现在一下几点:
【2】
(1)聚酯产品价格竞争力较弱,企业赢利性不强。
国内每吨产品加工成本高于韩国和台湾企业30美元左右,直接原料成本的平均水平每吨高出100美元以上。
(2)上下游生产能力不配套。
原料发展滞后于聚合,聚合又滞后于抽丝,而抽丝又不能满足纺织工业需要,主要原料进口依存度高达50%以上。
聚酯重要原料PTA、EG供应不足,每年有1/3原料需进口补充,这两种原料占产品成本70~75%。
(3)生产集约化程度不高。
装置规模小,生产效率低,生产成本高,缺乏竞争力。
企业单线规模除仪化、龙涤、开平和翔鹭等具有单线300~400吨/天能力外,绝大部分为100吨/天、200吨/天能力。
在整厂规模上,除仪化、上化、辽化及翔鹭具备20万吨/年以上能力外,大部分在6万吨/年左右和以下,而目前世界聚酯经济规模单厂产能一般在20万吨/年以上。
而目前生产能力在6万吨/年以下和采用间歇法工艺路线的小型聚酯装置的生产能力约占我国聚酯总生产能力的50%,造成装置平均生产能力很低,难以发挥规模效益。
据测算,小型聚酯装置单位生产能力投资比大型聚酯装置约低20%,而运行能耗增加约30%,损耗多10%以上,而且产品质量较差。
(4)聚酯产品结构与世界先进水平差距较大。
品种结构与国际先进水平有较大差距,常规产品生产能力过剩,生产品种范围窄,非纤聚酯比例明显偏低。
大多数企业只能生产常规普通产品,许多高科技、多功能和高附加值产品仍需进口解决。
以涤纶纤维为例,发达国家的纤维差别化率是我国的两倍。
新产品开发能力弱,化纤差别化率仅6~20%,远低于发达国家的40~50%。
我国非纤维产品产量占聚酯产品总产量的比重大大低于世界平均水平。
虽然近年我国瓶用聚酯产能发展很快,但工程用聚酯生产仍是空白。
PET主要用于纤维,少量用于薄膜和工程塑料,PET应用于工程塑料中的PET板。
PET板主要是采用聚酯原料经挤出机高温挤出,通过不同口径磨具口挤出而得到不同厚度的板材。
它是对苯二甲酸与乙二醇的缩聚物。
目前PET与PBT一起作为热塑性聚酯,为五大工程塑料之一。
其为白色不透明物,厚度(0.5~100mm)*宽500mm/1000mm*长1000mm/2000mm。
1.2.2主要原料、产品的物理化学性质、规格、来源
PET聚酯生产所需的原料都必须是较高的纯度,尤其是生产相对分子质量大的聚合物对原料的纯度要求更高。
一般要求PTA的纯度达到99.96%(质量分数)以上。
采用PTA做原料,第一步反应是生成聚合物对苯二甲酸双β-羟乙酯(BHET),BHET随后进行聚合得到PET。
主要原料来源为在外采购。
原料PTA
在常温下是白色晶体或粉末,低毒,易燃。
若与空气混合,在一定的限度内遇火即燃烧甚至发生爆炸。
它的自燃点680℃,燃点384~421℃,升华热98.4kJ/mol,燃烧热3225.9kJ/mol,密度1.55g/cm3,摩尔质量166.13g/mol。
溶于碱溶液,微溶于热乙醇,不溶于水、乙醚、冰醋酸及氯仿。
低毒类物质,对皮肤和粘膜有一定的刺激作用,避免与皮肤和眼睛接触。
原料EG
乙二醇又名“甘醇”,简称EG。
在常温下是无色无臭、有甜味液体,对动物有毒性,人类致死剂量约为1.6g/kg。
乙二醇能与水、丙酮互溶,但在醚类中溶解度较小。
用作溶剂、防冻剂以及合成涤纶的原料。
分子量62.07,熔点-13.2℃沸点:
197.5℃,蒸汽压6.21kPa/20℃,闪点:
110℃,燃点:
418℃,燃烧热:
1180.26KJ/mol,在25摄氏度下,介电常数为37,浓度较高时易吸潮。
与水、低级脂肪族醇、甘油、醋酸、丙酮及类似酮类、醛类、吡啶及类似的煤焦油碱类混溶,微溶于乙醚,几乎不溶于苯及其同系物、氯代烃、石油醚和油类。
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具有优良的物理机械性能,长期使用温度可达120℃,电绝缘性优良,甚至在高温高频下,其电性能仍较好,但耐电晕性较差,耐蠕变性、耐疲劳性、耐摩擦性、尺寸稳定性都很好。
1.3产品方案
1.3.1产品的用途
PET按用途可分为纤维和非纤维两大类,后者包括薄膜、容器和工程塑料。
PET在开发初期主要用于制造合成纤维(占PET消耗量的70%左右);
其次,PET还作为工程塑料用于电子、电器等领域,如仪表壳、热风口罩等。
其中尤以包装容器的发展最引人注目。
在过去五年中,工程级PET和共聚酯,作为新聚合物产品,已分别用于工程和特殊包装材料。
PET在汽水饮料包装材料上的成功应用是由于它的韧性和透明度,取向能力、极好的经济价值和高速度瓶加工技术的发展。
PET饮料罐具有重量轻、耐碎、可重复利用性和很好的气密性能。
灌满的2升PET饮料瓶比相类似的玻璃瓶轻24%;
空瓶重量是同型号玻璃瓶的10%。
使其在从生产商到消费者的各环节中,节省劳动力、能源和成本。
PET应用于食品、酒类、洗涤剂。
未加碳酸气饮料和工业产品包装物,对PET的需求预计将持续增长。
根据FDA规范21CFR177-1630,PET热塑性树脂和共聚酯是法定的用于食品接触的制品材料。
PET容器的一个最新、增长速度最快的应用是食品或饮料包装,要求在高温下灌装。
制作容器在拉伸吹塑时产生应力集中。
改进加工时耐热性技术已有发展,通常称之为“热定型”技术。
PET的其它最终用途是广泛应用于挤压涂层和挤压成型薄膜和板材。
PET用作可烘烤纸板包装物的挤压涂层材料,此外,也可以结晶型PET(CPET)为基本材料制作烤炉中的盘子。
1.3.2工艺路线的确定
(1)DMT法
采用对苯二甲酸二甲酯(DMT)与乙二醇(EG)进行酯交换反应,然后缩聚成为PET。
(2)、直接酯化缩聚法(PTA法)
该法用高纯度对苯二甲酸(TPA)与乙二醇或1,4-丁二醇直接酯化生成对苯二甲酸双羟乙酯或丁酯,然后进行缩聚反应。
(3)、环氧乙烷法(EO法)该法直接用环氧乙烷与PTA反应生成对苯二甲酸双羟乙酯,再进行缩聚反应。
特点:
本车间采取PTA法合成聚酯,采用间歇生产工艺,原因如下:
【3】
由于酯交换法的生产复杂,需要甲醇的回收装置,而且投资大,现在新建的装置基本上已经很少用酯交换的工艺路线,而以前的装置也慢慢的淘汰了。
PTA法合成聚酯过程包括酯化和缩聚两个阶段,可以将合成工艺分为三釜流程和五釜流程。
采用三釜流程,即酯化釜、预缩聚釜和终缩聚釜,而采用五釜流程,即第一酯化釜、第二酯化釜、第一预缩聚釜、第二预缩聚釜和终缩聚釜。
五釜流程每个阶段的反应较均匀,副产物少。
三釜流程的反应均匀性稍逊色,但流程短,可减少设备和管道的数量。
从发展上看,三釜流程更有前程,所以我选三釜流程。
五釜和三釜PET工艺流程的主要特点分别是:
(l)三釜流程预缩聚反应器中同时存在真空状态下的酯化反应,优于五釜流程酯化阶段带压操作;
(2)三釜流程物料通过反应器的停留时间比五釜流程略短;
(3)三釜流程的反应温度要比五釜流程高;
(4)三釜流程的动设备比五釜流程少;
(5)三釜流程一般采用气相热媒加热;
(6)三釜流程的催化剂及其它添加剂是从齐聚物管道上注人的,而五釜流程则在浆料调制时加人。
反应原理:
第二步是BHET在催化剂作用下发生缩聚反应生成PET。
反应条件:
摩尔比配料
酯化反应中要让酯化反应完全R值应为2,但固体PTA在反应条件下只能部分溶于EG,因此反应过程前期为固-液非均相。
但从最终产物的结构来看,PTA和EG合成整个反应是所需的摩尔比为1:
1,随着R增加酯化反应速度会加快、反应时间缩短;
但DEG量也会随R升高而增加,最终产物PET的质量会下降。
在酯化反应过程中生成的中间体BHET也会缩聚放出EG,R也不能过低,否则酯化产物的羧基含量会增高。
生产中,在保证酯化率的前提下,可以适当降低进料摩尔比EG/PTA或者采取降低酯化反应压力的方法来调整产品中DEG的含量。
需要注意的是进料摩尔比EG/PTA不能过低,否则会影响浆料的流动性,导致过料困难,正常的生产就要受到破坏。
故此我采用PTA:
EG=1:
1.3(摩尔比)配料。
表1-1EG/PTA配比与PET质量【4】
序号
EG/PTA
摩尔比
酯化率,%
PET
DEG,%
熔点,℃
1
1.8:
96.63
3.08
252
2
1.7:
96.80
3.0
3
1.6:
97.0
2.5
253
4
1.5:
96.9
1.9
255.7
5
1.4:
97.3
1.6
258
6
1.3:
97.9
1.4
259-260
(注:
《聚酯的生产及应用》P93表5-1)
催化剂选用
在酯化过程中,PTA溶于EG后释放出的H+具有自催化功能,可不用催化剂。
在缩聚过程中必需催化剂。
选择催化剂时,应符合下列要求:
a能促进主反应,力求减少副反应。
b易在原料或产物中溶解,便于均匀分布。
c所得产品在粘度、熔点、色相、热稳定性等方面,不得因使用催化剂而降低质量指标。
d价廉、容易取得。
根据上述要求,我采用三醋酸锑作为催化剂,它的一个较大的优点是易溶于EG中。
相比于三氧化二锑它对缩聚反应具有更强的催化能力,并且其不含杂质无需设置过滤器加以过滤。
但三醋酸锑温度超过60℃后,会发生分解反应,为了防止催化剂分解失效,工艺上往往将溶解温度控制在60℃以下。
同时,适当的搅拌可以加速催化剂的溶解。
反应温度
温度是影响EG/PTA酯化的重要因素。
提高温度不仅加速反应,同时也增大了PTA在EG体系中的溶解度,从而进一步促进酯化反应和提高酯化率。
当然升高温度也加速了副反应,从而副反应DEG和CH3CHO增多,EG蒸发量加大,能耗提高。
编号
温度℃
III段酯化率%
副产物,mol
CH3CHODEG
蒸汽中EG/H2Omol/mol
I段
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- 5000 每年 PET 生产工艺 流程 设计