年产50万吨PET生产车间的工艺设计

摘要

本设计是年产50万吨聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）车间合成工段初步设计。本文对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，设备选型和车间设计等过程。文中还对供电、供水、采暖等方案进行了简单的阐述。

关键词：聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET，酯交换法，反应釜选型

摘要................................................. I 1.概述 (1)

1.1聚对苯二甲酸乙二醇酯（ＰＥＴ）的概述 (1)

1.2聚酯生产技术进展 (2)

1.3中国生产消费现状 (3)

1.4产品构成 (5)

1.5中国聚酯工业及与国外先进水平的差距 (6)

2.聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的特性与应用 (9)

2.1特性 (9)

2.2应用 (13)

2.3聚对苯二甲酸乙二醇酯的改性品种 (14)

2.3.1增强改性PET (14)

2.3.2共混改性PET (15)

2.3.3结晶改性PET (15)

2.4聚对苯二甲酸乙二醇酯的成型加工 (16)

2.4.1PET的加工特性 (16)

2.4.2 PET的加工方法 (16)

3.PET制备方法的简介和选取 (18)

3.1酯交换缩聚法 (18)

3.2直接酯化缩聚法 (19)

3.3环氧乙烷法 (20)

3.4 PET合成方法的选取 (20)

4.物料衡算 (22)

4.1酯交换时期 (23)

4.1.1第一酯交换器R101物料衡算 (23)

4.1.2第二酯交换器R102物料衡算 (23)

4.1.3第三酯交换器R102物料衡算 (24)

4.1.4 BHET储槽物料衡算 (25)

4.2缩聚时期 (26)

4.2.1第一聚合釜R201物料衡算 (27)

4.2.2第二聚合釜R202物料衡算 (27)

4.2.3第二聚合釜R203物料衡算 (28)

4.3切粒包装 (29)

5关键设备的选型 (29)

5.1釜的选型 (29)

5.2 其他设备的选型 (30)

6.车间设备布置设计 (31)

6.1车间设备布置的原则 (31)

6.1.1车间设备布置的原则 (31)

6.1.2 车间设备平面布置的原则 (32)

6.1.3 车间设立面布置的原则 (33)

6.2车间设备布置 (33)

6.2.1车间设备平面布置 (33)

6.2.2车间设备立面布置 (34)

7. 公用工程 (34)

7.1供水 (34)

7.2供电 (35)

7.3供暖 (35)

7.4 通风 (35)

参考文献 (36)

致谢 (38)

1.概述

1.1聚对苯二甲酸乙二醇酯（ＰＥＴ）的概述

聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)为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成的聚合物，俗称涤纶，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。

PET是英国ICI公司于1946 年首先工业化的，美国杜邦于1948 年生产，开始要紧用于纤维和薄膜类制品，直

到1966 年日本带人公司开发出玻璃纤维增强制品后，才开始用于工程塑料领域。目前，PET 用于纤维和塑料制品差不多各半；塑料制品要紧用于透明瓶、薄膜和片材，用作工程塑料正在迅速兴起，可能今后几年会迅速增长，但目前用量专门小；日本1997年PET的总产量为139.5 万t，其中用于塑

料67.8 万t，而工程塑料只占 1.6 万t；西

欧1998 年用于塑料的PET 为111.8 万t，其中87%用于吹塑瓶、6.4%用于薄膜和片材，包括工程塑料等其他

为 6.6%；美国1998年用于塑料的PET为72.2 万t，而93.7%用于瓶类制品。

PET 薄膜的突出性能有阻隔性、力学性能和韧性

好， PET 玻璃纤维增强工程塑料的突出性能为力学性能高且受温度阻碍小、耐热温度高、冲击强度高、耐摩擦、耐蠕变性好、

刚性大、硬度大及尺寸稳定性好，增强PET在力学性能、刚性、耐热性方面都超过增强PBT，但加工性不及PBT。

1.2聚酯生产技术进展

世界聚酯装置正向更大经济规模方向进展。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、反应时刻短等优势，自80年代起己成为聚酯的要紧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 法连续工艺要紧有德国吉玛(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)，两者缩聚工艺差不多相似，区不在于酯化工艺。如5釜流程采纳较低温度及压力酯化，而3釜流程则采纳高乙二醇(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，缩短反应时刻。总的反应时刻为5釜流程10小保?釜流程3.5小时。目前世界大型聚酯公司都采纳集散型(DCS)操纵系统进行生产操纵和治理，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。采纳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55.0 kwh/t，燃料油61.0kg/t，氮气0.8m3/t，空气9.0m3/t。采纳该工艺已建有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，要紧有锑系、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纳锑系催化剂，要紧品种有三氧化二锑、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。1.3中国生产消费现状

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。

目前我国要紧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202.97万吨，占全国总产量的69.2%。中国石油2001年产量为46.61万吨，占全国总产量的15.9%。目前要紧的40多家聚酯生产企业，2001年产量在1万吨以上的企业有29家，在10万吨以上的企业有9家，在30万吨以上的企业有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110.85万吨，占全国总产量的37.8%；其次是辽阳石化公司，2001年产量40.75万吨，占13.9%；上海石化公司居第三位，2001年产量为38.35万吨，占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，洛阳石化公司达22万吨，天津石化公司达21万吨。

2003年我国共有100多家聚酯生产企业，其中小聚酯(指采纳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%。我国现在最大的聚酯生产企业是中石化仪征化纤股份公司，总年产能力达到120万吨，已成为世界十大聚酯生产企业之一。除仪征化纤外，我国聚酯大型企业还有辽阳石油化纤公司、上海石化股份有限公司、天津石油化工公司、翔鹭涤纶纺纤(厦门)有限公司。上述5大企业的生产能力约占全国总产能的1/3。

近年仍有一些新厂在建，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，自1985年以来，聚酯产量一直以两位数的速度增长，中国聚酯产量已由1995年179.1万吨增加到2001年632.5万吨，2002年聚酯产量已达到776.1万吨，2002年国内聚酯生产能力达到850万吨，产量和增长幅度己远超过美国，居世界首位。我国现已成为世界第二大聚酯生产国。2002年聚酯表观消费量已达786.9

万吨。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100万吨以上。

1.4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，其中聚酯瓶片进展特不迅速，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进展，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要紧国家。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，非纤聚酯的进展速度专门快。1996年，世

界聚酯包装树脂和薄膜产量分不为451.9万吨和138.2万吨，占世界聚酯总产量的20.7%和6.3%，1998年则分不为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

不达到823.6万吨和176.9万吨，年均增长率分不为17.6%和

6.2%，各占世界聚酯总产量的26.0%和5.59%。可能到2003年，非纤聚酯产量约占聚酯总产量的1/3。

1.5中国聚酯工业及与国外先进水平的差距

PET 的国外生产商有: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、新疆独出于石化公司、上海涤纶厂、岳阳化工二仪征石化公司及广州黄埔化工厂等。

我国的ＰＥＴ生产规模远远落后于国外几个要紧生产厂商。进入８０年代，我国逐步从国外引进万度～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。依照中国防治学会统计，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，因此生产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，因此只要市场一旦开拓，国内ＰＥＴ塑料的生产也会快速增长。

中国聚酯工业及国外先进水平的差距要紧表现在一下几点：

(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。原料进展滞后于聚合，聚合又滞后于抽丝，而抽丝又不能满足纺织工业需要，要紧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。

直纺涤纶短纤维的整厂规模仅仪化、辽化、上化、翔鹭大于10万吨/年，其余也均较小。目前生产能力在6万吨/年以下和采纳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专门低，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一般产品，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，发达国家的纤维差不化率是我国的两倍。新产品开发能力弱，化纤差不化率仅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。尽管近年我国瓶用聚酯产能进展专门快，但工程用聚酯生产仍是空白。

2.聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的特性与应用

2.1特性

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，抗蠕变性，耐疲劳性，耐摩擦性、尺寸稳定性都专门好。PET 有酯键，在强酸、强碱和水蒸汽作用下会发生分解，耐有机溶剂、耐候性好。缺点是结晶速率慢，成型加

工困难，模塑温度高，生产周期长，冲击性能差。一般通过增强、填充、共混等方法改进其加工性和物性，以玻璃纤维增强效果明显，提高树脂刚性、耐热性、耐药品性、电气性能和耐候性。但仍需改进结晶速度慢的弊病，能够采取添加成核剂和结晶促进剂等手段。加阻燃剂和防燃滴落剂可改进 PET阻燃性和自熄性。

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2-1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 -5K -1)

热变形温度(1.28MPa)/℃

1.38

0.26

1.8

115

2.98～

3.16

1018

1.69

0.05

0.2～0.9

124.2

195.5

R120

2.9

215.5

3.6

19.6

1016

介电常数(60～

63～190

106 Hz)

介电强度

/(kV/mm)

体积电阻率

/(Ω·cm)

耐电弧/s

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180 cm3 ?mm/(m2?d?MPa)；PET的吸水率

为0.6%，吸水性较大。

2、力学性能

PET膜的拉伸强度专门高，可与铝箔媳美，是HDPE 膜

的9 倍、是PC 和PA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的力学性能受温度阻碍较小。

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