工业聚酯装置生产过程建模与分析

摘要

化工生产过程建模对指导生产、改进现有工艺、提高企业经济效益等方面具有现实意义。
　　 以工业上连续生产的聚酯五釜工艺流程为对象，对酯化工段、预缩聚工段、终缩聚工段建立基于反应机理的全流程稳态模型，针对聚酯工业装置特点，充分考虑聚合体系物性、聚合动力学、传质等方面的复杂性和特殊性，解决了建模过程中反应机理和动力学常数、传质过程模型及参数等方面的难点，并利用模型对生产装置的进料摩尔比、反应温度、反应压力等工艺操作参数进行分析，为聚酯生产过程工艺参数调整提供指导。具体创新性结果如下：
　　 1、归纳分析文献报道的酯化阶段反应机理和动力学，对动力学常数进行分析得出适用于质子酸和Sb3+催化体系下反应速率常数的合理范围。根据工业生产数据修正了酯化反应、缩聚反应的动力学常数，建立了规模化聚酯装置酯化过程的机理模型，其相对偏差在4％以内。考察了操作条件对PET质量流量、酯化率、二甘醇质量含量的影响，增加PET质量流量和酯化率需增大乙二醇与对苯二甲酸进料摩尔比、温度、压力和停留时间，减少二甘醇生成量需降低乙二醇与对苯二甲酸进料摩尔比、温度、压力和停留时间。
　　 2、预缩聚过程中主要考察的副反应为二甘醇生成和乙烯生成的反应。对反应的动力学常数进行灵敏度分析，得出预缩聚阶段对物料平均分子量、酯化率和二甘醇含量影响较大的是酯化反应和缩聚反应。用工业生产数据修正了动力学常数，建立了预缩聚工段的反应机理模型并进行了验证，其重要参数的相对偏差在1%以内。利用模型考察了操作条件如乙二醇和对苯二甲酸进料摩尔比、温度、压力和停留时间对预缩聚釜出口物料质量指标的影响，增加温度、压力、停留时间使酯化率、二甘醇含量和平均分子量增大。
　　 3、终缩聚过程的主反应为缩聚反应，主要的副反应是热降解反应。分析了终缩聚釜的操作状况，建立了终缩聚釜的传质框架模型。通过终缩聚过程的反应动力学常数和传质因子对关键质量指标如聚合物平均分子量、副产物乙烯和二甘醇含量等的灵敏度分析，修正了反应的动力学常数和传质因子，建立了终缩聚工段的机理型模型，模型误差在1%以内。对终缩聚过程操作条件进行分析，提高转速可使反应出口物料平均分子量增大；提高反应温度和真空度、减小反应停留时间使出口物料二甘醇的含量降低。
　　 4、酯化阶段和预缩聚阶段操作条件对产品的影响分析获得进料摩尔比、反应温度、反应压力和停留时间对产品的影响趋势。对副产物二甘醇含量影响最大的是乙二醇和对苯二甲酸进料摩尔比，其次依次是酯化阶段的停留时间、压力和温度，对产品产量影响最大的是乙二醇和对苯二甲酸进料摩尔比，对平均分子量影响较大的依次是乙二醇和对苯二甲酸进料摩尔比、酯化阶段压力、停留时间和预缩聚阶段停留时间。