PET生产工艺设计

摘要

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是由对苯二甲酸和乙二醇通过缩聚反应生成的一种含芳

环的饱和聚酯。虽然PET自问世以来主要都是被用于纺制纤维，应用于服装领域，但由于

PET在较宽的温度范围内能保持优良的物理性能，抗冲击强度高、耐摩擦、刚性好、硬度大、

吸湿性小、尺寸稳定性好、电性能优良、无毒无臭、加工方便、制件的外观洁净透明，能耐

绝大多数有机溶剂和无机酸的腐蚀等，使它在非纤维用途方面的应用更为广泛。特别是近十

年来，由于PET生产的大规模化，成本不断下降，PET在包装瓶、薄膜、工程塑料领域的应

用更是得到了飞速的发展。

关键词：聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚酯，精对苯二甲酸（PAT），涤纶纤维，聚酯工艺

Abstract

Poly

(ethylene terephthalate)

(PET) is

generated

by

the

polycondensation reaction

of terephthalic acid

and ethylene glycol

as a

containing

aromatic ring

of

the

unsaturated polyester.

PET

since its inception

mainly

be used for

spinning

fibers

used

in

the

clothing sector, but

able to maintain

excellent physical properties of

PET in

a

wide

temperature range,

high

impact strength, abrasion, good rigidity,

hardness

,

moisture absorption,

good dimensional stability,

excellent electrical properties,

non-toxic, odorless,

easy to process

parts

the appearance of

clean and

transparent, the

ability of

most organic solvents

and inorganic

acid corrosion, making

use

of

non-fibrous

applied more widely.

Over

the

past

decade, due to

the

large-scale

PET

production

costs continue to

decline,

PET

bottles,

films,

engineering plastics

has been

rapid

development.

Keywords: poly

(ethylene terephthalate), polyester,

fine

terephthalate

(PAT),

polyester

fiber, polyester

Process

摘要 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 1

第一章 绪论 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 4

1.2 结构与性能 --------------------------------------------------------------------------------------------- 4

------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 4

------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 5

1.3 聚酯的用途 --------------------------------------------------------------------------------------------- 6

1.3.1 纤维制造 -------------------------------------------------------------------------------------- 6

1.3.2 包装材料 -------------------------------------------------------------------------------------- 6

1.3.3 薄膜 --------------------------------------------------------------------------------------------- 6

1.3.4 工程塑料 -------------------------------------------------------------------------------------- 7

1.3.5 生物医用材料 -------------------------------------------------------------------------------- 7

第二章 PET的聚合工艺 ----------------------------------------------------------------------------------------- 8

2.1 PET的聚合原理 --------------------------------------------------------------------------------------- 8

2.1.1 酯化反应机理： ----------------------------------------------------------------------------- 8

2.1.2 缩聚反应 ------------------------------------------------------------------------------------- 9

2.1.3 螯合配位理论： ---------------------------------------------------------------------------- 10

2.1.4 酯化率和聚合度： ------------------------------------------------------------------------- 11

2.2 反应的影响因素 ------------------------------------------------------------------------------------ 11

2.2.1 酯化反应的影响因素 ---------------------------------------------------------------------- 11

2.2.2 缩聚反应的主要影响因素 -------------------------------------------------------------- 12

2.3 工艺流程图 -------------------------------------------------------------------------------------------- 14

第三章 PET聚合的原辅料规格及其影响 ------------------------------------------------------------------ 15

3.1 精对苯二甲酸(PTA) --------------------------------------------------------------------------------- 15

3.2 乙二醇(EG) -------------------------------------------------------------------------------------------- 16

3.3 乙二醇锑 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 17

3.4 添加剂 -------------------------------------------------------------------------------------------------- 18

第四章 物料衡算 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 19

第五章 热量衡算 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 21

第六章 聚酯装置设备 ------------------------------------------------------------------------------------------ 22

6.1 装置各组成部分 ------------------------------------------------------------------------------------- 22

6.2 装置的工艺特点 ------------------------------------------------------------------------------------- 23

6.3 装置参数及设备流程 ------------------------------------------------------------------------------- 23

6.3.1 浆料配置 ------------------------------------------------------------------------------------- 23

6.3.2 第一酯化 ------------------------------------------------------------------------------------- 24

6.3.3 第二酯化 ------------------------------------------------------------------------------------- 24

6.3.4 乙二醇分离系统（工艺塔） ------------------------------------------------------------ 25

6.3.5 预缩聚反应 ---------------------------------------------------------------------------------- 25

6.3.6 终缩聚反应 ---------------------------------------------------------------------------------- 25

6.3.7 切片生产系统 ------------------------------------------------------------------------------- 25

第七章 结束语 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 26

参考文献： -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 27

第一章 绪论

聚酯的概述

聚酯是由二元或多元酸和二元或多元醇缩聚而成的高分子化合物的总称。用

不同原料、不同方法合成的聚酯品种繁多，可用于纤维、容器、薄膜、涂料、工

程塑料、橡胶等不同的领域。目前聚酯的主要品种有聚对苯二甲酸乙二醇酯

（PET）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚对苯二甲酸丙二醇酯（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

[1]

。以精对苯二甲酸

（PTA）和乙二醇（EG）为原料缩聚而成的聚对苯二甲酸乙二醇酯是世界上第一

个实现工业化和广泛得到应用的聚酯产品，也是目前世界上产量最高、用量最大、

用途最广泛的高分子合成材料。

1.2 结构与性能

涤纶的分子链结构

涤纶是以精对苯二甲酸(PTA)和乙二醇(EG)为基本原料制得PET熔体或切

片，再经熔体直接纺丝或切片熔融纺丝和后加工制成的纤维。因为分子结构中含

有酯基（-COO-），所以常称聚酯纤维（国外有称‘“特丽纶” 、“达克纶” 、

及“拉夫桑” 等等）。1941年英国首先合成了PET，制得聚酯纤维即涤纶。1944

年进行试验生产，1953年在美国实现大规模工业化生产。聚酯纤维由于其独特

的优越性能，因而发展异常迅速，1972年超过了锦纶，成为合成纤维中第一大

品种。

涤纶分子结构式用表示。

从该分子式可以看出，涤纶大分子结构的两端存在两个羟乙酯基，中间有一个苯

环，两个单元通过酯基相互连接。涤纶是对称的苯环结构线性大分子，大分子链

上官能团的排列很整齐。没有支链，这与其组成的单体PTA和EG分子的对称性有

关。

由分子链结构看出，涤纶大分子中存在着重复单元

，这个重复单元有柔软的链段和活动困难的苯

环。在这个单元中，由于酯基与苯环共同形成了一个共轭体系，使它成为一个整

体。在大分子链围绕着这个刚性基团自由转动时，由于转动能阻较大，它只能作

为一个整体而振动，所以涤纶大分子链的刚性较大。和锦纶相比，涤纶在结构上

的不同之处主要是纤维冷却成型时不结晶，而结晶仅在拉伸和热处理时才发生。

对于要求具有一定强度的涤纶，纤维用聚酯的分子量大约为20000--30000

数量级，其大分子长度为100--200 nm。涤纶分子空间结构的特点是大分子链上

的苯环几乎处在同一平面上。这样使得相邻大分子上的凹凸部分便于彼此镶嵌，

从而具有紧密敛集能力。从涤纶分子链结构还可以看出，不仅分子链长，有紧密

敛集能力，而且化学规整性和几何规整性高。

涤纶的性能

物理机械性能

1）、吸湿性和染色性 由于涤纶分子链结构具有紧密的敛集能力和高的结晶

度，因此吸湿和染色性很差。吸湿性较维纶、腈纶、锦纶差，在20℃、65%相对

湿度下，吸湿率为0.4%。染色性也较差，所以涤纶常采用高温高压染色。

2）、热性能 涤纶因是对称的苯环结构线性大分子，分子链上官能团排列很

整齐，所以软化点和熔点高，而且耐热性能好，在150℃下加热一星期后损失30%，

加热1000h后损失为50%，而其他民用纤维在该温度下受热200--300h就会完全被

破坏。

3）、耐光性 涤纶耐光性仅次于腈纶，而优于其他的民用合成纤维，这也与

其分子结构有关，仅在波长315nm以下区域才有一强烈的吸收光带，所以在日光

照射600h后，强度仅损失60%，大致与棉相似。

4）、强度和伸长 涤纶因链状分子相当长、取向度和结晶度高，因此强度较

高，仅稍低于锦纶，而优于腈纶和维纶，为3.5-5.0 cN/dtex,伸长与其他民用合

成纤维和羊毛相近， 为20%--30%。

5）、弹性 涤纶的压缩弹性、伸长弹性和弯曲刚性高。涤纶的弹性回复率仅

次于锦纶，而优于腈纶和羊毛等，在定伸长3%和5%时，弹性回复能力分别为100%

和96%。涤纶的弹性模量，由于分子链刚性较大，在民用合成纤维中是最高的，

为88cN/dtex，所以涤纶织物具有弹性好、挺括、抗皱和不易变形的特点。

6）、纤维的耐磨性。一般认为，纤维在拉伸过程中凡吸收变形能较大，而去

负荷时释放变形能也大的纤维比较耐磨。纤维的耐磨性与纤维的耐疲劳性成正相

关。纺织原料中以锦纶耐磨性最好。因此，适宜做耐磨性要求高的制品。涤纶耐

磨性仅次于锦纶，特别在湿态条件下，涤纶的耐磨性接近干态

[2]

。在合成纤维中

以腈纶纤维的耐磨性最差。通常纤维耐磨性能指标，是以纤维在一定张力下纤维

相互摩擦或纤维与磨料摩擦至断裂时的摩擦次数表示，几种纤维的耐磨性能见下

表：

化学性能

化学性能主要取决于分子链结构。涤纶除因酯基遇碱发生水解使纤维耐碱性

能较差以外耐酸和耐其他试剂的性能均较优良。

1）、耐酸性 涤纶对酸很稳定，尤其是有机酸。在100℃下于5%盐酸溶液内

浸渍24h，或在40℃下于70%硫酸溶液内浸渍72h以后，其强度均无损失，但在室

温下却不能抵抗浓硫酸或浓硝酸的长时间作用。对其他酸类也比较稳定。

2）、耐碱性 酯基对碱很敏感，容易发生水解。在常温下与浓碱、或在高温下

与稀碱作用，能使纤维破坏，只有在低温下对稀碱和弱碱才比较稳定。

3）、耐溶剂性 对一般有机溶剂有较强的抵抗力，在无极性有机溶剂作用

下，强度不受任何影响，即使对极性有机溶剂在室温下也有相当强的抵抗力。例

如在室温下，于丙酮、氯仿、甲苯、四氯化碳等溶剂中浸渍24h，纤维强度无降

低现象。但在加热下，能溶于苯酚、邻氯苯酚、苯甲醇、苯酚-四氯乙烷、苯酚-

甲苯等溶剂中。

1.3 聚酯的用途

1.3.1 纤维制造

在非纤维领域主要用于包装材料、薄膜、工程塑料和生物医用材料等。

PET纤维我们也称“涤纶”或“的确良”； PET纤维耐磨、耐穿、不易受潮；

纺织品手感好，有防皱性。PET纤维有两大类，即长纤维和短纤维，也称长

丝和短丝。PET长丝主要用做针织品，在工业方面，用做船帆、篷布、渔网

等。PET短丝主要用做服装、台布、运动服、床单、人造革等，在工业方面

用做滤布、绳索、网袋等。

1.3.2 包装材料

PET包装材料既有刚性的瓶，也有软性的袋。主要是用于饮料包装，如碳酸

饮料、茶饮料、矿泉水、啤酒瓶等；也有少部分用于盛装油瓶、调料、化妆品等。

1.3.3 薄膜

PET薄膜强度高、耐光、耐热、透明、不易破损。主要用于胶片用片基、X

光片用的片基、录像带用片基、电气绝缘、食品包装等。

1.3.4 工程塑料

目前广泛应用的主要是以玻璃纤维增强的玻璃增强塑料或进行改性后的工

程塑料，主要用于电子、机械、轻工和建材等领域。

1.3.5 生物医用材料

生物医用材料是指在生理环境中使用的高分子材料，主要用于人造血管、人

造心脏和缝合线

[3]

。

第二章 PET的聚合工艺

2.1 PET的聚合原理

工业上有两种生产聚对苯二甲乙二醇酯的方法，即酯交换法和直接酯化法。

由于精对苯二甲酸的工业化，最近以来，使直接酯化法最为经济。本聚酯装置采

用以精对苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）为原料的直接酯化法、连续缩聚生聚

酯（PET）

[4]

。

2.1.1 酯化反应机理：

PTA 直接酯化反应目前生产上一般不采用催化剂，因为PTA 分子中羧基本身

可以起催化作用，这种催化实际上为氢离子催化。

PTA 在加热、加压的条件下，可以离解为酸根和氢离子：

在体系中有氢离子存在时，就发生酸催化反应，即首先是PTA 分子被质子

化：

然后质子化的PTA 分子与EG 作用生成一个不稳定的中间体：

由于中间体不稳定，发生如下反应生成酯化物：

酯化反应为平衡可逆反应，所以上述机理的每步都是平衡可逆的，PTA 分子

中的另一个羧基同样可以发生上述反应，最后得到对苯二甲酸乙二醇酯，也叫对

苯二甲酸双羟乙酯。简称BHET。为了顺利得到酯化产品，促使平衡向生成酯化

物方向移动，必须不断地把小分子产物从反应区域移走。

2.1.2 缩聚反应

对苯二甲酸双羟基乙酯（BHET）的缩聚反应实际上是两分子BHET之间的酯交

换反应，在生成一个新的酯键的同时，脱出一个分子的乙二醇。

这也是一个平衡可逆反应，要得到大分子量的聚酯，必须在反应过程中不断

地蒸出EG。为了使EG 尽可能地蒸出，缩聚反应必须在足够高的温度和高真空下

进行。

缩聚反应需要加入适当的催化剂—金属化合物，如醋酸盐,金属氧化物。目

前工业使用较多的如醋酸锑，三氧化二锑。最近有使用效果比较好的乙二醇锑。

在有金属离子存在的条件下，BHET 的缩聚反应机理有多种，如中心配位机理和

螯合配位机理。

2.1.3 螯合配位理论：

BHET 中的羟乙酯基很容易形成内环络合物（羟乙酯基中的羟基氢和羧基氧

生成分子内氢键）在缩聚反应条件下，按酸催化的机理进行，金属离子起着质子

的作用，是金属催化剂中的金属置换氢原子，螯合物种的金属离子提供空轨道，

与羧基氧的孤对电子配位，从而增加了羰基碳的正电性。称此机理为螯合理论

(1)羟乙酯基形成内环，羟基氢易与羰基氧形成氢键

[5]

。

(2)形成螯合配位催化体，氢原子被锑原子置换

(3)发生碰撞进行缩聚，羟基氧与羰基碳发生碰撞缩聚，生成聚合物和乙二

醇锑

2.1.4 酯化率和聚合度：

PTA 与EG 的直接酯化是一个酯化和缩聚反应同时进行的过程，酯化反应进

行的程度用酯化率来表示，上面已讲到的是可逆反应，为提高聚合度必须使反应

生成的小分子物（乙二醇和水）从物料中脱除。随着缩聚反应的进行，聚合度提

高，物料粘度增大，当小分子在物料中的脱除速率低于缩聚反应的速率时，过程

处于传质控制，称为后缩聚。在后缩聚段，只有提高足够的传质面积，才能加快

过程速率。缩聚反应前期，过程处于反应速率控制，称为预缩聚。在预缩聚段，

提高反应温度和降低操作压力，都可以加快反应速率。

2.2 反应的影响因素

2.2.1 酯化反应的影响因素

（1）EG/PTA摩尔比的影响

进入第一酯化反应器浆料的EG/PTA摩尔比(MR)是控制酯化反应的重要工艺

条件。MR的稳定与否直接关系到酯化反应能否稳定进行，进而影响缩聚反应。

EG/PTA摩尔比过低，浆料粘度大，反应慢而不均，MR过高，则EG的回收量大且

不经济，而且会导致产品中的DEG含量升高，产品软化点和熔点降低，这主要是

由于反应物中EG含量过大将加剧DEG生成的副反应。因此在满足各种要求的情

况下，应尽量降低EG/PTA摩尔比，以免影响产品的品质及增加原料的消耗。

（2）反应温度的影响

由于酯化反应是一个微吸热反应，在其他条件一定的情况下，反应温度在一

定范围内变化对反应平衡的影响不大，但会影响反应速度。提高反应温度可以加

快反应速度。但是，反应温度不能过高，否则会加剧EG脱水生成DEG的副反应。

（3）反应时间的影响

所谓反应时间也就是反应物在反应釜中停留时间，反应时间的长短由反应器

的料位高低和系统的产量大小决定。酯化反应的关键是要使进入预缩聚前的酯化

物的酯化率达到96—98%左右，为此必须要有足够的反应时间，但是反应时间又

与反应温度，EG/PTA摩尔比的工艺参数有关。一般来说。在满足酯化率的情况

下，反应时间越短，产品质量越好。

（4）反应压力的影响

酯化反应可以在常压或加压条件下进行。由于EG在常压的沸点仅为197℃，

而酯化反应的温度通常控制在240℃以上，在常压下反应会造成EG大量蒸发，为

[6]

此许多装置都采用加压的方法，以提高酯化反应体系中EG的浓度，使反应速度提

高，酯化时间缩短。但是。随着反应压力的升高，酯化物中副产物DEG的含量也

会增加，而且加压反应对反应设备方面的要求也更严格，给工艺操作也造成一定

的困难，同时由于加压作用也不利于酯化反应产生的水挥发和采出。

（5）酯化水采出状况的影响

由于酯化反应是一个可逆反应，需要不断地把反应生成的水从体系中除去，

使酯化反应不断地向正方向进行下去，这样才能达到所要求的酯化率。如果酯化

水不能被及时的除去，那么反应进行到一定阶段就会达到平衡状态，使反应无法

进一步进行下去，最终达不到所要求的酯化率。因此，酯化水能否及时地从体系

中采出，关系到酯化反应能否顺利进行，以及酯化产物的酯化率能否达到要求。

同时，酯化水采出量的大小，在一定程度上反映了酯化反应进行的程度。所以，

在实际生产中一定要注意酯化水的采出情况是否达到要求，并且此作为酯化反应

程度控制的一个辅助手段。

（6）PTA颗粒平均粒径及内在质量的影响

在酯化反应初期，反应体系为固液非均相体系。因此，进入第一酯化反应器

的浆料的性质对酯化反应有一定影响。浆料浆化性好，则在相同的摩尔比下浆料

粘度较低，而稳定性好的PTA配成的浆料不易沉淀结块，这两种特性降低搅拌器

功率，提高酯化反应速度和反应均匀性以及产品的质量都有实际意义。资料表明，

在一定范围内PTA平均粒径增加，其浆化性和稳定性均有提高，较适宜的PTA颗粒

的平均粒径在120—130um之间。

PTA 的内在质量对酯化反应乃至产品质量也有一定影响。其中，影响较大的

有重金属杂质含量，单官能团杂质含量，含水量等。PTA中重金属杂质主要是指

铁Fe，铬Ce, 钛Ti, 钼Mo等。它们不仅会影响产品的色相，而且由于这些重

金属都是PET降解反应的催化剂，在缩聚反应时还会导致PET大分子热降解。单

官能团杂质主要是甲基苯甲酸（PT酸），对羧基苯甲醛(4—CBA)等。它们只有一

个羧基能参加酯化反应，是一种链的中止基或封端基，在反应过程中会封锁端基

使其失去活性而中止酯化或缩聚反应。其中，4—CBA还会影响产品的色相。

2.2.2 缩聚反应的主要影响因素

（1）催化剂的影响

[7]

缩聚催化剂的种类很多，如锑系，锗系，钴系等。锑系催化剂具有较高的活

性，尤其是在高粘度阶段对副反应的作用较小，常用的有三醋酸锑(SbAc3),乙二

醇锑（Sb2（OC2H4O）3）和三氧化二锑(Sb2O3)。若采用三氧化二锑，由于常温

下其在乙二醇中的溶解性较差，易造成反应物中局部催化剂过量，生成高熔点的

环状三聚体，不利于后段纺丝，且使产品白度降低。针对这个问题，可以采用高

温配制的方法配制催化剂，使Sb2O3可以充分溶解，基本可以克服这方面问题。

一般来说，催化剂在加速主反应的同时，也一定程度地加剧副反应。催化剂的加

入量大小对缩聚反应有着重要的影响。若加入量过小则反应速度慢，加入量大则

副反应速度也加大，副产品增加，导致产品质量降低。因此，催化剂的加入量应

根据系统产量大小以及其他工艺条件的不同，控制在一定适当的范围内。

（2）反应温度的影响

在一定范围内升高反应温度，一方面可以提高反应速度，缩短反应时间。另

一方面也可以使反应体系粘度下降，有利于反应体系中EG排除。但是。反应温度

过高，又会促进热降解和生成环状齐聚物。聚合物的粘度降加剧，端羧基含量上

升，黄度上升。在满足要求的前提下，反应温度应控制的低一些为宜。

（3）反应压力的影响

缩聚反应是在真空条件下进行。压力越小（即真空度越高），EG扩散越容易，

因而反应速度越快。但反应压力又与催化剂加入量有关，催化剂加入量少，则反

应压力低。

（4）熔体层厚度的影响

由于聚酯熔体的粘度很高，所以除依赖高真空外，还要使熔体形成薄的液膜，

以利于反应体系中EG的扩散和挥发。通常液膜越薄越好。液膜的厚度决定于缩聚

反应器的搅拌器叶片的设计。

（5）反应时间的影响

在缩聚反应过程中，链增长反应和热降解反应同时进行。在反应初期，主要

是单体的齐聚物逐渐缩聚成大分子，粘度上升较快。随着反应的进行，大分子在

高温下开始降解。缩聚和降解两种反应竞争的结果是使粘度出现最大值。在粘度

达到最大值之后，随着反应时间的延长，粘度反而会下降，因此应合理地控制反

应时间。同时。由于降解反应将使产品中端羧基含量增加，在一定反应温度下反

应时间越长，端羧基含量越高。

（6）搅拌速度的影响

搅拌可以使物料的气液相界面不断更新。特别是在缩聚反应的后期，通过特

殊设计的搅拌器，可以将高粘度的熔体拉成液膜，有利于体系中EG的挥发。一般

来说，搅拌速度加快，有利于聚合物的提高。

（7）酯化率对聚合度的影响

对某一特定的聚酯装置而言，其生产能力已基本确定，缩聚部分对酯化物酯

化率的要求也就基本确定。只有控制酯化物的酯化率在一定范围内，才能保证缩

聚部分的生产能力满足要求。如果酯化率偏低，则在缩聚反应中会因为有较多的

带-COOH的单官能团的分子存在，使大分子链的一端被单官能团占据，造成链增

长停止，最终导致生成的聚酯的平均聚合度偏低，特性粘度下降，严重的情况下

会使最终产品的粘度达不到生产要求；反之，如果酯化率偏高，则在缩聚部分会

因为缩聚反应释放出来的EG量太多而不能及时从体系中排除，真空度达不到要

求，同样也是造成最终缩聚生成的聚酯的聚合度偏低，特性粘度下降，甚至无法

达到生产要求。因此，在生产中要注意控制好酯化物的酯化率在一个适当的范围

内，以满足生产要求。

2.3 工艺流程图

第三章 PET聚合的原辅料规格及其影响

3.1 精对苯二甲酸(PTA)

分子式 .............................HOOC（C6H4）COOH

分子量 .............................166.13 kg/kmol

外 观 ..............................白色粉末

酸 值 ..............................675±2 mg KOH/g

4-羧基苯甲醛(4-CBA) ................≤25 wt ppm

对甲基苯甲酸 .......................≤150 wt ppm

重金属含量 .........................≤5 wt ppm

铁含量 .............................≤2 wt ppm

灰分含量 ...........................≤10 wt ppm

有机酸 .............................≤200 wt ppm

水含量 .............................≤0.1 wt %

色 相（12% in 2N KOH） .............≤10 APHA

堆积密度 ...........................860 kg/m3

平均粒径（M=95～120μm） ............M±10 μm

粒度分布：

通过44μm孔..........5-25%

通过150μm孔.........55-85%

通过210μm孔.........85-99%

通过250μm孔........≥94%

PTA各项质量指标对聚酯生产的影响

⑴ 酸值

酸值基本上可以看作PTA纯度的标志，如果酸值异常要进一步分析其他有机

酸含量，一般该项目数值稳定。

⑵灰份

灰分为PTA和催化剂中不可燃烧的金属等无机化合物含量之和，灰分过高时

会使熔体在纺丝过程中断头，使聚酯生产中过滤器寿命缩短和喷丝板易堵。

⑶铁、特种金属含量

其含量过大时影响所生产聚酯产品色相，这些金属是聚酯降解反应的催化

剂，使断链逆反应加速。

⑷4-羧基苯甲醛（4-CBA）

4-CBA是PTA生产过程中的中间产物，其在聚酯生产过程中会形成黄色共轭产

物，4-CBA含量上升，聚酯产品B值上升，又由于4-CBA一端有醛基，会阻止聚酯

链段的增长，所以4-CBA含量上升，特性粘度下降。

⑸水份

PTA中的水份含量较高时，使PTA结块严重，潮湿的PTA对投料工作造成不便，

容易在料仓底部架桥、震动筛堵塞，致使配料中断，严重时使PTA和EG浆料中PTA

含量减少。

⑹对甲基苯甲酸 （PT酸）

PT酸是PX在氧化过程的中间产物，也是对苯二甲酸在精制过程中使4-CBA

氢化的产物，易溶于水，可在精制过程中从PTA中除去，具有单官能团，会阻碍

PET链段增长，含量过高时，会使PET特性粘度下降。

⑺色相

PTA的色相与其所生产的PET色相有直接关系，PTA色相差，在其他条件不变

的情况下，PTA色相也差。

⑻粒径

平均粒径：PTA平均粒径小，浆料粘度就大，不利于浆料输送和增加搅拌动

力（11TA01搅拌器电流上升）；PTA比表面积大，容易溶解，反应速度快，反之

各项情况也相反，所以要求PTA平均粒径不要变化太大

[8]

。

3.2 乙二醇(EG)

分子式 ................................HOCH

2

CH

2

OH

分子量 ................................62.07 kg/kmol

外 观 .................................无色透明液体

酸 值（以硫酸计） .....................≤10 mg /kg

沸 程 .................................196～198℃

游离酸 ................................0.40 mval/kg

水含量 ................................≤0.15 wt %

醛含量（以甲醛计） ....................≤8 mg/kg

二甘醇含量 ............................≤0.08 wt %

灰分含量 ..............................≤10 wt ppm

铁含量 ................................≤0.1 wt ppm

氯化物含量（以Cl 计） .................≤0.2 wt ppm

水含量 ................................≤0.1 wt %

密 度 .................................1.1150-1.1156 kg/m

3

折射指数 ...............................1.4316-1.4320

色相：加热前 ...........................≤5 APHA

沸煮4 小时后 ...........................≤20 APHA

紫外线透过率≥220 nm ...................70 wt %

≥275 nm ...............................90 wt %

≥350 nm ...............................98 wt %

乙二醇各项质量指标对聚酯生产的影响

⑴ 密度、馏程、含水率

密度和馏程实际上是EG纯度的反映，密度低于规定值或者初馏点过低表示水

含量较多，密度高于规定值或者终馏点过高表示DEG（二甘醇）、TEG（三甘醇）

含量较多。

EG纯度低如含水量高会影响浆料配制中的摩尔比，DEG、TEG过多，除上述影

响外，还会使产品PET中的DEG含量上升，熔点下降，容易降解。

⑵ 酸值也是纯度的反映。

⑶ 灰份影响同PTA，也带到产品PET中去了。

⑷ 从EG带入体系的醛要从工艺塔出去。

⑸ 铁同PTA中含铁的影响一样。

⑹ 色相：EG色相差必将影响PET色相，且影响比较大。

⑺ DEG含量（少量TEG）

DEG为EG生产时的副产物，由于有醚键存在，容易发生降解，DEG含量上升，

PET熔点下降，DEG含量波动大影响纺长丝的染色性能，EG中DEG含量高，影响产

品PET中DEG含量也高，但不是简单的叠加。

⑻ 氯离子对不锈钢反应器的耐腐蚀性有影响。

⑼ 紫外线透过率主要是针对国外进口EG海运时的船装过其他东西，再运

EG时没有清洗干净，其它物质进入EG引起紫外线透过率不合格

[9]

。

3.3 乙二醇锑

分子式 ......................................Sb

2

(OC

2

H

4

O)

3

分子量 ......................................423.56 kg/kmol

锑含量 ......................................56.0-58.5 wt %

氯化物含量 ..................................≤0.01 wt %

硫酸盐含量 ..................................≤0.01 wt %

铁含量 .......................................≤0.001 wt %

干燥减量 .....................................≤0.5 wt %

乙二醇锑质量指标对聚酯生产的影响

催化剂乙二醇锑 Sb

2

(OCH

2

CH

2

O)

3

为缩聚催化剂，其加入量对缩聚反应的速

度有较大影响，对产品质量也有较大影响。

⑴ 锑含量会影响反应速度，含量太少影响反应速度提高，含量太多影响PET

色相。

⑵ 铁含量的影响同PTA中的铁。

⑶ 氯含量高会引起不锈钢反应器腐蚀

[10]

。

3.4 添加剂

3.4.1 兰度剂（Blue Toner）

含 量 .....................................～95 wt %

粒 径 ......................................≤500μm

残留色相偏差DE .............................≤1.0

水含量 .....................................≤1.5 wt %

3.4.2 红度剂（Red Toner）

含 量 ......................................95～105 wt %

粒 径 ......................................≤500 μm

残留色相偏差DE .............................≤1.0

水含量 .....................................≤1.5 wt %

3.4.3 热稳定剂（Heat Stabilizer）

分子式 ..................................（C2H5）NOH

分子量 ..................................60.00 kg/kmol

含 量 ...................................≥35 wt %

3.4.4 四水合醋酸钴

分子式 ...............................Co（CH3COO）24H2O

分子量 ...............................249.04 kg/kmol

钴含量（Co2+） .......................≥23.5 wt %

镍含量（Ni2+） .......................≤800 wt ppm

铁含量（Fe3+） .......................≤140 wt ppm

铜含量（Cu2+） .......................≤10 wt ppm

氯含量（Cl-） ........................≥20 wt ppm

第四章 物料衡算

该工艺为年产100万吨PET,每年操作时间为8,000小时，总损耗为5％。

假设PET的聚合度为103，链接为162，相对分子质量为20000。

×10/(8000×0.95)≈

×103≈

PTA的投料质量为M＝n×166＝112486.58 kg/h

9

4.1 酯化阶段

第一酯化物料衡算

物料配比：PTA：EG=1:（摩尔比）

PTA：M

PTA

= kg/h；

EG: M

EG

=×n×62=90328.079 kg/h；

合计： 112486.58＋90328.079＝202814.659 kg/h；

由于第一酯化阶段酯化率为91%，

所以生成BHET质量为 ：M

BHET1

=n××254=156627.40 kg/h；

生成水的质量为：M

水

= n××2×18=22199.16 kg/h；

剩余PTA质量为：M

剩PTA

=×0.09=10123.82 kg/h；

剩余EG质量为：M

剩EG

=××2×0.91)×62＝13864.31 kg/h；

因此012-R01到013-R01的质量为：M

BHET1

+ M

剩PTA1

+ M

剩EG1

= kg/h；

脱去的水蒸气为：M

水1

= n××2×189 kg/h；

第一酯化反应釜012-R01的物料平衡验算：

总进料量=112486.84＋90328.079＝202814.659 kg/h；

总出料量=M

BHET

+ M

剩PTA1

+ M

剩EG1

+ M

水1

= kg/h；

4.1.2 第二酯化物料衡算

BHET质量为：M

BHET1

=156627.40 kg/h；

PTA质量为：M

剩PTA

=10123.82 kg/h；

EG质量为：M

剩EG

＝13864.31 kg/h；

合计：M

BHET1

+ M

剩PTA1

+ M

剩EG1

= kg/h；

由于酯化二的酯化率为96.5％，故又反应了5.5％。

所以，又生成了BHET质量为：所以又生成BHET质量为 ：

M

BHET2

=n×0.055×254=9466.50 kg/h；

又生成水的质量为：M

水2

= n×0.055×2×180 kg/h；

剩余PTA质量为：M

剩PTA2

=×35 kg/h；

剩余EG质量为：

M

剩EG2

=（×××65）×62=9242.87 kg/h；

因此第二酯化反应釜013-R01到预缩聚反应釜的质量为：

M

BHET1

+ M

BHET2

+M

剩DMT2

+ M

剩EG2

=179273.80 kg/h；

脱去的水蒸气为：M

水2

0 kg/h；

R102物料平衡验算：

总进料量=M

BHET1

+ M

剩PTA1

+ M

剩EG1

= kg/h；

总出料量= 0= kg/h

BHET的质量为：M

BHET

＝156627.40+9466.50＝166093.90 kg/h

4.2 缩聚阶段

本设计采用的是中纺院的一头两尾四釜流程，通过酯化二之后分为两线缩

聚，假设在聚合之前进行的脱EG工艺损失物料1.5%，切粒包装阶段损失物料1%。

则进入预缩聚反应釜115-R01的物料分别变为：

BHET：M

1

=×98.5%=81801.25 kg/h；

n= M

1

/254=322.05kmol/h；

4.2.1 预缩聚物料衡算

预缩聚的转化率约为86.79％，

由于抽真空会有部分聚合物被夹带出，故n

1

=n×2kmol/h；

聚合反应生成EG的质量：M

EG1

= n

1

××5 kg/h；

生成聚合物的质量：M

PET1

= n

1

××254- M

EG1

kg/h；

剩余BHET质量为：M

BHET1

= n

1

×(1-)×1 kg/h；

故预缩聚反应釜中EG蒸汽及夹带聚合物质量为：

5×0.015=18296.92 kg/h；

预缩聚反应釜到终缩聚反应釜质量为：

1=63504.33 kg/h

R103物料平衡验算：

总进料量=81801.25 kg/h；

总出料量= +18296.92=81801.25 kg/h；

4.2.2 终缩聚物料衡算

进料质量=M

PET1

+M

BHET1

= kg/h；终缩聚转化率约为92.88％，

n

2

= M

BHET1

/254=41.90kmol/h；

聚合反应又生成EG的质量：M

EG2

= (n

2

-1)×0.9288×62=2355.25 kg/h；

生成聚合物的质量：M

PET2

= (192n

1

+62)×0.9288= kg/h；

剩余BHET质量为：M

BHET2

= n

2

×(1-0.9288)×254=758.96kg/h；

总进料量= kg/h；

总出料量= M

EG2

+M

PET2

+M

BHET2

+M

PET1

= kg/h；

4.2 切粒包装

此阶段物料损失1%，则纯PET质量为：

M

PET

总

=(+7529.60)×0.99=59785.704 kg/h；

则年产量为M=M

PET

总

×8000××10

8

kg

第五章 热量衡算

第六章 聚酯装置设备

6.1 装置各组成部分

主装置

浆料配制、酯化反应、预缩聚反应、终缩聚反应、切片生产及输送系统、添

加剂配制、热媒膨胀及收集系统 、工艺废水汽提系统。

辅助装置

过滤器清洗 、一次热媒系统 、原料及化工原料罐区。

公用工程装置

工业水、生活水和消防水系统、循环冷却水系统、 冷冻水系统 、除盐水系

统、压缩空气、制氮设施。

除以上三部分外还有：变压器房、MCC马达控制中心、中控、化验室等。

6.2 装置的工艺特点

1、采用低温工艺和较长的停留时间。尤其是使第一酯化反应器达到较高的

酯化率，确保产品质量和装置稳定运行。本工艺的浆料摩尔比约1.08，第一酯化

反应器温度约260℃。与高浆料摩尔比(1.9～2.0)和高温(280℃)的酯化工艺比

较，酯化反应器中乙二醇的蒸汽量较小，装置中分离乙二醇的工作负荷也较小，

大大减少了这部分的能耗。

2、采用多段圆盘式缩聚反应器，并合理确定预缩聚反应器和终缩聚反应器

的负荷分配，充分发挥终缩聚反应器圆盘转子的传质功能作用，提高生产能力。

3、乙二醇在系统内全部内循环，无需设置专用的乙二醇回收设施。

4、设置一个工艺塔，并采用高效导向浮阀塔，除承担两台酯化反应器气相

物的分离外，还在乙二醇全回用流程中承担缩聚反应器气相物的分离。

5、采用乙二醇蒸汽喷射方式产生真空，与水蒸汽喷射方式相比，能耗较低；

乙二醇的蒸发耗热是水的40%，制作乙二醇蒸汽比水蒸汽的能耗低。本装置采用

三级乙二醇蒸汽喷射，用液环泵作为大气的排气级，与其它装置用五级蒸汽喷射

相比较，节省能量。在乙二醇蒸汽喷射系统中，用循环冷却水作冷却介质冷却喷

淋液。而在水蒸汽喷射系统中，要求在第一级喷淋冷凝器就将汽相中绝大部分乙

二醇冷凝，因此需要用冷冻水作冷却介质冷却喷淋液。本设计采用乙二醇蒸汽喷

射系统不需用冷冻水作冷却，相应就节省了制备冷冻水的能耗。蒸汽凝液中含水

量少，经分离即可在装置中循环使用；污染小，避免了蒸汽喷射排放凝液因含乙

二醇等有机物，而增大治理污染的负荷。

6、对真空系统的尾气，采用喷淋塔将尾气中的有害物质喷淋吸收，以减少

对环境的污染

[11]

。

6.3 装置参数及设备流程

6.3.1 浆料配置

原料PTA和IPA自PTA日料仓和IPA日料仓分别经PTA称重系统和IPA称重系统1

计量后送入浆料调配槽中。在浆料调配槽搅拌器的作用下，加入的PTA 和IPA粉

料与经连续计量的乙二醇、二甘醇、催化剂和添加剂溶液［根据产品的要求选择］

充分混合形成浓度均匀的悬浮浆料。

通常以PTA和IPA的加入量为主环控制，来调节控制乙二醇、二甘醇、催化剂

和添加剂等的加入量，通过测量浆料密度可最终控制浆料的摩尔比［MEG］／

［PTA］。浆料调配槽的容量可满足聚酯装置正常运行2.5~3.5 小时左右。配制完

成的浆料可采用浆料输送泵输送至第一酯化反应器中进行酯化反应。

6.3.2 第一酯化

将粉末状的PTA溶解于乙二醇中，已溶的PTA再在高温下与乙二醇发生酯化

反应。

反应刚开始时，溶液中精对苯二甲酸总是处于饱和状态，反应速度与对苯二

甲酸和乙二醇的浓度无关，一直向生成对苯二甲酸乙二酯（BHET）的方向进行。

随着反应的进行，因为PTA在反应混合物中溶解度远较在纯EG中高，PTA

粒子溶解速度逐渐增加，当PTA完全溶解时，反应开始转入均相酯化阶段，此时

酯化率约为89--91%，反应速率将随PTA和EG浓度的改变而改变。

聚酯生产线第一酯化反应器设置一台，为立式夹套反应釜、容积420m、传

热面积约1710m、内设加热盘管且带搅拌器。其中第一酯化反应搅拌器 的主要

功能是强化传热，混匀物料。其电机功率约90kW，搅拌器转速带变频控制。通过

控制酯化反应器的液位（最大密度1157kg/m3），第一酯化反应器物料在压力差与

液位差的作用下进入第二酯化反应器

[12]

2

3

。

通常控制第一酯化反应器12-R01 的酯化率约为91.0%。通过调节酯化反应

的温度、压力、液位以及乙二醇的回流量等，可以控制第一酯化反应的酯化率。

6.3.3 第二酯化

酯化物进入第二酯化反应器，反应继续进行。第二酯化反应器是一个有内、

外室结构的反应器，物料先进入外室，再通过套筒上的狭缝流入内室，内室设有

加热盘管，并靠搅拌器循环加热，将物料温度提高到265℃。乙二醇分离塔回流

的乙二醇加在内室，提高了反应摩尔比，进一步加速反应进行。在第二酯化反应

器酯化率达到～96.5%，靠压差送到预缩聚反应器。该反应器的盘管加热使用液

相热媒，该反应器夹套和气相管路加热使用气相热媒，与预缩聚反应器共用一套

气相热媒发生器。反应器内反应温度是通过调节一次热媒的补充量来改变二次热

媒加热的温度来控制的。

通过调节酯化反应的温度、压力、液位以及乙二醇的回流量等，可以控制第

二酯化反应的酯化率。

6.3.4 乙二醇分离系统（工艺塔）

乙二醇分离塔主要利用乙二醇和水的沸点的不同分离两个酯化反应器的混

合蒸汽中的水和乙二醇。塔顶蒸汽经过列管式冷凝器冷凝后进入凝液收集槽，一

部分作为回流液，其余作为废水送入位于热媒站的汽提系统。冷凝器中未凝尾气

与液环泵尾气合并后进入热媒站的汽提系统

[13]

。塔釜乙二醇液经出料泵送出，

一部分是作为两个酯化反应器回

用乙二醇，

一部分以喷淋的方式送到乙二醇分离

塔第一块塔板处，其余部分送到回用乙二醇收集槽。乙二醇分离塔的热媒加热是

用一组二次热媒回路。

6.3.5 预缩聚反应

由于聚酯的缩聚反应是可逆反应，并且反应平衡常数较小，因此，在反应过

程中必须尽快除去反应生成的EG，否则，将会影响缩聚反应速率和聚合度。

聚酯生产线设置预缩聚反应器共两台，每台预缩聚反应器为立式全夹套搅拌反应

器，容积约135.5m3分上下两个室。其中上室设有加热盘管，操作压力约100 mbar

左右；下室设有加热盘管及搅拌器，其中搅拌器的电机功率约15kW、耙式结构、

转速7—39.9rpm，操作压力15mbar左右

[14]

。

6.3.6 终缩聚反应

预缩聚反应器反应生成的预聚物分别经熔体夹套三通阀出料、预聚物出料泵

增压后和熔体夹套三通阀汇集后，经过预聚物过滤器，再经特殊设计的熔体夹套

管送至终缩聚反应器中。

预缩聚物料被连续送入终缩聚反应器，在搅拌和高真空条件下就可到达最终

产品质量。控制压力、温度和停留时间到适当水平，使作为聚合度测量的粘度［η］

=0.580 ~0.640 dl/g 可调。通过调节热媒的温度，可以调节反应器中物料温度，

控制出口物料的特性粘度

[15]

。

6.3.7 切片生产系统

高温和高粘度的聚合物自熔体过滤器过滤后送入相应的切粒生产系统，

切粒机的主要设备有：铸带头、切粒机、干燥器、切片分级器、切片收集料

斗、脱盐水循环冷却系统。

熔体由铸带头出料形成细长的熔体铸带条，进入切粒机导流板，由脱盐水喷

淋冷却固化，进入切粒机进行水下切粒，切片由脱盐水输送至干燥器脱水干燥，

进入切片分级器，去除异型（超长、细小）切片、切片粉末，进入切片收集料斗

中。

切粒-根据要求，冷却固化的条状聚合物被牵入切粒机，在水下把聚合物铸

带条切成颗粒状，即聚酯切片。

干燥－聚酯切片与除盐水的混合物通过分离器除去水分后，其中切片进入干

燥器，用过的除盐水经过滤后返回至除盐水储槽中。干燥机中先除去切片中的大

部分水分，剩余的水在表面干燥机中被分离去除，形成的结块将通过离心干燥机

前安装的分离器筛出。

分离－聚酯切片通过振动筛去除异形粒子［超长和粉末等］分离后，合格切

片分别收集在切片收集料斗中。

第七章 结束语

四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽

的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所

学的知识应用到实际工作中去。

回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我

孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。

学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我

留下了值得珍藏的最美好的记忆。

在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，

无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一

直以来对我的抚养与培育。

最后，我要特别感谢杨老师。是她在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助

与鼓励,使我能够顺利完成毕业设计，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的

工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上

还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作

和学习都有一种巨大的帮助，感谢她耐心的辅导。在论文的撰写过程中也感谢海

南逸盛给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这

里一并表示真诚的感谢。

参考文献：

[1] 张师民编著.聚酯的生产及应用[M]. 中国石化出版社, 1997

[2] 郭玉海. PET纤维高性能化的研究[D]. 四川大学 2001

[3] 史君. PET合成与改性新工艺及其合金制备研究[D]. 北京化工大学 2009

[4] 冷纯廷,袁成侠. 聚酯瓶片纺再生短纤维技术[J]. 产业用纺织品, 1996,(02) .

[5] 陈玉君,杨始堃,陈仕国. 聚酯及共聚酯化学组成分析[J]. 聚酯工业. 2001(06)

[6] 郭大生,王文科编著.聚酯纤维科学与工程[M]. 中国纺织出版社, 2001

[7] 合成纤维工业[M]. 化学工业出版社, 1970

[8] 张胜玲,刘高才,李楠. PTA质量对PET生产的影响及对策[J]. 聚酯工业. 2003(06)

[9] 夏启明. PET装置运行中的EG平衡控制[J]. 聚酯工业. 2012(02)

[10] 付德生,王洪艳. PET主要品质指标影响因素探讨[J]. 聚酯工业. 2007(03)

[11] 工艺及设备[J]. 化纤文摘. 2009(01)

[12] 沈瀛坪,赵玲,戴迎春,朱中南. 聚酯生产过程中第一酯化反应器操作对缩聚反应影响

的模算[J]. 聚酯工业. 1999(01)

[13] 卞江群,邵国红. PET工艺塔的优化设计[J]. 聚酯工业. 2011(02)

[14] 赵玲,戴迎春,朱中南,沈瀛坪,张伟. PET预缩聚反应器浅析[J]. 聚酯工业. 1997(03)

[15] 高网兰,史定林. PET装置真空系统的改造及节能[J]. 聚酯工业. 2012(02)