聚酯工藝基礎(chǔ)知識

1、聚酯工藝基礎(chǔ)知識 聚酯工藝基礎(chǔ)知 識 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 v概述 v聚酯發(fā)展概況 v聚酯生產(chǎn)主要工藝路線 v聚酯生產(chǎn)的反應(yīng)機(jī)理 v聚酯生產(chǎn)的工藝流程介紹（中紡院五釜流程） v聚酯產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)及各指標(biāo)的影響因素 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 一、概述一、概述 聚酯是由二元或多元酸和二元或多元醇縮聚而 成的高分子化合物的總稱，用不同原料、不同方法 合成的聚酯品種繁多，可用于纖維、容器、薄膜、 涂料、工程塑料、橡膠等不同的領(lǐng)域。目前聚酯的 主要品種有聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚對 苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚對苯二甲酸丙二醇 酯（PTT）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）等高分 子化合物以及某些共聚酯系列。

2、以對苯二甲酸 （PTA）和乙二醇（EG）為原料縮聚而成的聚對苯 二甲酸乙二醇酯是世界上第一個實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和廣泛 得到應(yīng)用的聚酯產(chǎn)品，也是目前世界上產(chǎn)量最高、 用量最大、用途最廣泛的高分子合成材料。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 二、聚酯發(fā)展概況二、聚酯發(fā)展概況 發(fā)展歷史：發(fā)展歷史： 1、 20世紀(jì)40年代初，英國的和參閱了美國杜邦公 司關(guān)于脂肪族二元酸與二元醇合成聚酯的論文，對 苯二甲酸和乙二醇為原料，在實(shí)驗(yàn)室中成功地合成 了聚對苯二甲酸乙二醇酯，并制成了聚酯纖維。并 與1946年發(fā)表了世界上第一個生產(chǎn)聚酯纖維的專利。 50年代，美國杜邦公司購買了生產(chǎn)聚酯的專利權(quán)， 經(jīng)過中間試驗(yàn)，在195

3、3年建成了年產(chǎn)1.6萬噸的生 產(chǎn)裝置（間歇），成為世界上第一個實(shí)現(xiàn)聚酯生產(chǎn) 工業(yè)化的廠家。1962年，聚酯工業(yè)開始采用連續(xù)縮 聚工藝，使生產(chǎn)能力有了突破性的增長，單線的生 產(chǎn)能力大幅提高。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 2、從1953年開始工業(yè)化生產(chǎn)至今，雖然只有50多年，但一 直保持高速發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，聚酯工業(yè)的發(fā)展重 心開始轉(zhuǎn)向亞洲。90年代末以后，聚酯用量的增加以及較 高利潤的回報(bào)，使聚酯產(chǎn)能急劇擴(kuò)大。進(jìn)入21世紀(jì)，我國 內(nèi)地聚酯工業(yè)的發(fā)展有了重大的突破。生產(chǎn)、科研、設(shè)計(jì)和 設(shè)備制造部門通過技術(shù)改造和消化吸收引進(jìn)技術(shù)，研發(fā)成功 了國產(chǎn)化成套設(shè)備。大容量連續(xù)生產(chǎn)聚酯技術(shù)與設(shè)備國產(chǎn)化 的成功

4、，使聚酯裝置投資成本比90年代初下降七八成，進(jìn) 而掀起了新一輪的聚酯投資熱潮。 3、2005年全球聚酯產(chǎn)能接近5500萬噸/年，我國的聚酯產(chǎn)能 約2160多萬噸/年，約占40%，而2005年我國內(nèi)地聚酯的需 求量僅為1300萬噸左右，因此產(chǎn)能增長過快，使國內(nèi)聚酯 裝置產(chǎn)能利用率持續(xù)低位徘徊，供大于求的局面可能會保持 一個較長的階段。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 4、我國聚酯行業(yè)的現(xiàn)狀 a、產(chǎn)能大，產(chǎn)能利用率低； b、生產(chǎn)能力過剩，效益下降； c、非纖用聚酯生產(chǎn)比例低，國內(nèi)聚酯絕大多數(shù)應(yīng)用于紡織行業(yè) 表1-1 世界聚酯產(chǎn)能及預(yù)測表 200520062007200820092010 北美 南美 西歐 東歐

5、非洲/中東 亞洲/遠(yuǎn)東 世界合計(jì) 752 77.8 379.8 83.1 134.8 3346 5285.3 752.3 88.3 421.7 197.6 240.3 4103.5 5803.7 729.6 108.3 482.8 233.9 266 4414.8 6298.4 813.1 112.3 482.8 234 266 4582.6 6490.8 820.6 112.3 482.8 234.3 273.5 4741.5 6665 820.6 127.3 514.8 256.7 273.5 4832.5 6825.4 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 5、聚酯發(fā)展趨勢 a、裝置的大型化和規(guī)模效益； b

6、、新型反應(yīng)器的研制和流程的簡化； c、新型催化劑的使用； d、新添加劑技術(shù)； e、應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 三、聚酯生產(chǎn)工藝路線三、聚酯生產(chǎn)工藝路線 1、生產(chǎn)工藝路線 PTA法生產(chǎn)聚酯包括酯化和縮聚兩個部分 2、聚酯單體對苯二甲酸乙二醇酯的生產(chǎn)方法 對苯二甲酸乙二醇酯（BHET）的生產(chǎn)方法目前主要有三種， 即酯交換法、直接酯化法和環(huán)氧乙烷法，形成聚酯生產(chǎn)的三 大工藝線路。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 （1）酯交換法（DMT法） a、對苯二甲酸與甲醇反應(yīng)生成對羧基苯甲酸甲酯（MMP）： HOOC COOH+CH3OH CH3OOC COOH+H2O b、對羧基苯甲酸甲酯再與甲醇反應(yīng)生成對苯二甲酸

7、二甲酯 （DMT）： CH3OOC COOH+CH3OH CH3OOC COOCH3+H2O c、得到DMT以后，與乙二醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)就可以獲得BHET： CH3OOC COOCH3+2HOCH3CH3OH 2CH3OH + HOCH2CH2OOC COOCH2CH2OH 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 酯交換法的優(yōu)點(diǎn)： 1、反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物DEG含量較少； 2、DMT能與EG完全混合，反應(yīng)速度快； 3、原料可以使用粗PTA進(jìn)行生產(chǎn)。 酯交換發(fā)的缺點(diǎn)： 1、需要把甲醇進(jìn)行回收； 2、流程復(fù)雜，投資大。 由于酯交換法的生產(chǎn)復(fù)雜，需要甲醇的回收裝置，而且投資 大，現(xiàn)在新建的裝置基本上已經(jīng)很少用酯交換的工藝路線

8、， 而以前的裝置也慢慢的淘汰了。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 （2）直接酯化法 直接酯化法是直接用對苯二甲酸與乙二醇反應(yīng)生成對苯二甲 酸乙二醇酯的方法，也稱之為PTA法。直接酯化法是由高純 度的對苯二甲酸與乙二醇配制成的漿料投入反應(yīng)釜，發(fā)生如 下反應(yīng)： HOOC COOH+2HOCH2CH2OH 2H2O+ HOCH2CH2OOC COOCH2CH2OH 目前也有用中度純度對苯二甲酸（QTA）代替PTA進(jìn)行直接酯 化的工藝。 （3）環(huán)氧乙烷法（EO法） HOOC COOH+2CH2 CH2 HOCH2CH2OOC COOCH2CH2OH O 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 EO法技術(shù)應(yīng)該是最理想的工藝路線，但是由于環(huán)

9、氧乙 烷原料很危險，沸點(diǎn)很低（10.7），容易發(fā)生爆 炸，發(fā)展很慢。其次是PTA法發(fā)展太快造成的。 由于PTA法較DMT和EO法優(yōu)點(diǎn)更多(原料消耗低，EG 回收系統(tǒng)較小，不副產(chǎn)甲醇，生產(chǎn)較安全，流程短， 工程投資低，公用工程消耗及生產(chǎn)成本較低，反應(yīng) 速度平緩，生產(chǎn)控制比較穩(wěn)定)等，目前世界PET總 生產(chǎn)能力中大多采用PTA法。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 3、縮聚 經(jīng)過上述三種方法得到對苯二甲酸乙二醇酯后，縮聚反應(yīng)便可 開始進(jìn)行，其化學(xué)反應(yīng)式如下： nHOCH2CH2OOC COOCH2CH2OH HOCH2CH2OOC COO nCH2CH2OH+（n-1） HOCH2CH2OH 4、直接酯化法的主要

10、生產(chǎn)工藝 直接酯化法生產(chǎn)聚酯的工藝主要有吉瑪工藝、鈡紡工藝、杜邦 工藝、伊文達(dá)工藝等。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 吉瑪工藝的特點(diǎn)： （1）選用單一的縮聚催化劑； （2）酯化反應(yīng)溫度較低，停留時間較長，但操作穩(wěn)定，產(chǎn) 品中二甘醇（DEG）含量較低，產(chǎn)品質(zhì)量較好； （3）采用刮板冷凝器，解決了縮聚真空系統(tǒng)低聚物堵塞的 問題。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 鐘紡工藝過程的特點(diǎn)： （1）原料配制時乙二醇摩爾比低，故反應(yīng)系統(tǒng)中EG過 剩量少，能耗低，生成二甘醇副產(chǎn)物少，使產(chǎn)品中的 DEG含量較低； （2）各級反應(yīng)條件（壓力、溫度、停留時間）適中， 各縮聚反應(yīng)級間聚合度分配合理，使產(chǎn)品質(zhì)量

11、較高； （3）利用攪拌功率以及終聚在線毛細(xì)管黏度計(jì)來調(diào)節(jié) 終聚的真空度，使產(chǎn)品黏度控制穩(wěn)定； （4）縮聚反應(yīng)器中有兩釜采用臥式反應(yīng)器，內(nèi)部為多 槽溢流串聯(lián)結(jié)構(gòu)，液面穩(wěn)定，減少了劣化物的生成； 同時，改善了物料的活塞流情況，有利于產(chǎn)品的相對 分子質(zhì)量分布。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 杜邦工藝的特點(diǎn)： （1）工藝流程簡單合理，停留時間短，雖然反應(yīng)條件強(qiáng)烈， 但產(chǎn)品質(zhì)量較好； （2）設(shè)備簡單，動設(shè)備少，維修量少，裝置連續(xù)運(yùn)行時間較 長，可達(dá)到4年； （3）添加劑加入口有噴嘴和靜態(tài)混合器，分散性好，品種轉(zhuǎn) 換時間較短。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 伊文達(dá)工藝的特點(diǎn); （1）酯化、縮聚

12、等主工藝過程充分利用壓差和位差作為 物料攪拌和輸送動力，減少動設(shè)備，能耗低； （2）反應(yīng)器結(jié)構(gòu)合理，有利于傳質(zhì)、傳熱和反應(yīng)的需要； （3）縮聚過程的噴淋冷凝器均設(shè)有自動刮板，解決了真 空系統(tǒng)的堵塞問題。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 四、聚合反應(yīng)機(jī)理 1、酯化反應(yīng)機(jī)理 PTA和EG的酯化反應(yīng)可在PTA的氫離子（H+）自催化作用下 進(jìn)行，自催化的反應(yīng)機(jī)理是原料PTA羧基解離的H+自催化和 EG進(jìn)行親和酯化反應(yīng)。其實(shí)，酯化反應(yīng)和縮聚反應(yīng)在整個 生產(chǎn)反應(yīng)過程中都同時存在，在反應(yīng)剛開始時，反應(yīng)條件有 利于酯化反應(yīng)的進(jìn)行。酯化反應(yīng)為可逆反應(yīng)，為了向正反應(yīng) 方向進(jìn)行，必須及時除去生成的水。另外EG與PTA的配比 也有

13、一定的影響，當(dāng)EG過量時，會發(fā)生EG之間、EG與 BHET之間的醚化反應(yīng)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，酯化反應(yīng)生成 的BHET經(jīng)本體聚合生成二聚體、三聚體等，在反應(yīng)結(jié)束時， 反應(yīng)物料大部分為BHET的四聚體和五聚體。在酯化反應(yīng)過 程中，也有縮聚反應(yīng)、水解反應(yīng)（酯化反應(yīng)的逆反應(yīng)）、醇 解反應(yīng)、生成醚的副反應(yīng)等。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 2、影響酯化反應(yīng)的主要工藝條件： （1）EG/PTA摩爾比的影響； （2）反應(yīng)壓力的影響； （3）反應(yīng)溫度的影響； （4）反應(yīng)時間的影響； （5）PTA粒徑的影響； （6）催化劑的影響。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 3、縮聚的反應(yīng)機(jī)理 由于聚酯的縮聚反應(yīng)是可逆反應(yīng)，并且反應(yīng)平衡常數(shù)較 小，

14、因此，在反應(yīng)過程中必須盡快除去反應(yīng)生成的 EG，否則，將會影響縮聚反應(yīng)速率和聚合度?？s聚 階段主要是一個鏈增長的過程，這一階段伴隨著高分 子聚合物的生成，同時也釋放出許多地相對分子量的 EG及其他化合物。為了確?？s聚反應(yīng)順利進(jìn)行，得 到優(yōu)質(zhì)的聚酯產(chǎn)品，必須把這些反應(yīng)所產(chǎn)生的小分子 物質(zhì)迅速分離出反應(yīng)系統(tǒng)。因此，縮聚反應(yīng)通常是在 相對較高的溫度、高真空的條件下進(jìn)行的。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 4、影響縮聚反應(yīng)的主要工藝條件： （1）催化劑的影響； （2）穩(wěn)定劑的影響； （3）反應(yīng)溫度的影響； （4）反應(yīng)壓力的影響； （5）反應(yīng)時間的影響； （6）攪拌速度的影響； （7）熔體層厚度的影響； （8）酯化率

15、對聚合度的影響。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 五、聚酯生產(chǎn)的工藝流程介紹（五釜） 聚酯二部有兩條共40萬噸的聚酯裝置，BP和CP線，采用的是 中國紡織工業(yè)設(shè)計(jì)院技術(shù)的五釜流程。BP線在2007年7月份 開車，CP線在07年11月份開車。 聚酯裝置包括PTA下料及輸送單元、漿料配置單元、酯化單元、 縮聚單元、真空系統(tǒng)、熔體輸送單元和熱媒爐單元。 PTA ADD H2O 五釜流程工藝示意圖 漿料配制酯化1酯化2預(yù)聚1預(yù)聚2終聚 EG回收 EG循環(huán) 熔體輸送紡絲 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 PTA輸送及漿料配制 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 酯化1 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 酯化2 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 EG/H2O分離塔（工藝塔） 聚酯工藝

16、基礎(chǔ)知識 預(yù)聚1 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 預(yù)聚2 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 預(yù)聚物過濾器（預(yù)聚物輸送） 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 終聚 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 熔體輸送（1） 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 熔體輸送（2） 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 熔體輸送（3） 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 六、PET的質(zhì)量指標(biāo)及各指標(biāo)的影響因素 為了使生產(chǎn)的PET滿足后加工的要求，其質(zhì)量必須滿 足一定的條件。常用來衡量PET質(zhì)量的指標(biāo)有黏度、 熔點(diǎn)、端羧基、色相、凝集粒子、水含量、異狀切 片、灰分、鐵含量、二甘醇含量等。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 1、黏度 黏度是聚酯的非常重要的指標(biāo)，一般用特性黏度（相 對黏度）表示。黏度是分子內(nèi)摩擦的量度，由于高 分子的流動是通過鏈段的位

17、移形成的，鏈段越長， 摩擦力越大，其黏度越高，因此黏度是分子量大小 的一個標(biāo)志。 2、熔點(diǎn) 熔點(diǎn)是指將結(jié)晶的固態(tài)物質(zhì)加熱到一定溫度時，有固 態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)時的溫度。純聚酯結(jié)晶聚合物（100% 結(jié)晶）的熔點(diǎn)在300左右，但實(shí)際生產(chǎn)中不可 能達(dá)到，一般在260 左右。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 3、端羧基 端羧基（COOH）含量使聚酯的一項(xiàng)重要質(zhì)量指標(biāo)， 對聚酯制品的物理性能、后加工性能及后加工成品 的后序影響很大。一般認(rèn)為，在一定的范圍內(nèi)端羧 基含量高，聚酯的熱穩(wěn)定性差，隨著熱降解時間的 增長，端羧基含量增大。另外，端羧基會對酯基進(jìn) 行酸解反應(yīng)，使黏度降低。因此，控制聚酯的端羧 基含量，使其穩(wěn)定在適當(dāng)?shù)乃?/p>

18、平是非常重要的。 在縮聚過程中，聚合工藝條件有波動，縮聚的反應(yīng)溫 度高，真空度偏低或停留時間過長，這些都對降低 產(chǎn)品中的端羧基含量不利。 聚酯工藝基礎(chǔ)知識 4、色相 色相通常用L值（黑白度）、B值（黃藍(lán)指數(shù)）、a值 （紅綠指數(shù)）表征。我們一般用B值和L值表示。聚 酯發(fā)黃的原因除了原材料的色澤影響外，主要是被 氧化的結(jié)果。此外由于熱降解產(chǎn)生的乙醛對銻的還 原作用，會導(dǎo)致聚酯發(fā)灰、L值下降。 5、凝集粒子 凝集粒子是指凝聚粒子、凝膠粒子、炭黑粒子以及其 他雜質(zhì)粒子的總稱。凝聚粒子是由TiO2產(chǎn)生；凝膠 粒子是由于反應(yīng)釜有死角或其他原因造成降解的熔 體逐漸形成的高結(jié)晶聚合物；炭黑是由于聚酯高溫 炭化后形成的。凝集例子對生產(chǎn)最大的影響是熔體