聚碳酸酯是由雙酚A鈉鹽與光氣進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)物簡(jiǎn)聚體進(jìn)行縮聚反應(yīng)獲得。本設(shè)計(jì)聚碳酸酯廠工藝設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行了工藝計(jì)算、設(shè)備選型，并繪制了全廠平面布置圖、帶控制點(diǎn)的工藝流程圖、車間的立面圖和平面圖。
一、課題背景聚碳酸酯（簡(jiǎn)稱ＰＣ）是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根據(jù)酯基的結(jié)構(gòu)可分為脂肪族、芳香族、脂肪族－芳香族等多種類型。其中由于脂肪族和脂肪族－芳香族聚碳酸酯的機(jī)械性能較低，從而限制了其在工程塑料方面的應(yīng)用。目前僅有芳香族聚碳酸酯獲的了工業(yè)化生產(chǎn)。聚碳酸酯是一種性能優(yōu)異的通用工程塑料，自問世以來迅速在發(fā)達(dá)國(guó)家形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，且技術(shù)持續(xù)發(fā)展，裝置規(guī)模不斷擴(kuò)大。由于聚碳酸酯光學(xué)透明性好、抗沖擊強(qiáng)度高，并具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、耐蠕變性、抗寒性、電絕緣性和阻燃性等特點(diǎn)，使之在透明建筑板材、電子電器、光盤媒介、汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。聚碳酸酯的應(yīng)用開發(fā)是向高復(fù)合、高功能、專用化、系列化方向發(fā)展，目前已推出了光盤、汽車、辦公設(shè)備、箱體、包裝、醫(yī)藥、照明、薄膜等多種產(chǎn)品各自專用的品級(jí)牌號(hào)。我國(guó)在聚碳酸酯研發(fā)上雖起步較早，先后有不少企業(yè)進(jìn)行研發(fā)生產(chǎn)，但由于工藝技術(shù)落后、生產(chǎn)裝置規(guī)模較小、產(chǎn)能低、產(chǎn)品質(zhì)量差，目前僅剩一家企業(yè)維持生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)所需的聚碳酸酯不得不大量依賴進(jìn)口。因此，大力加強(qiáng)聚碳酸酯研發(fā)，加速實(shí)現(xiàn)其規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，已成為國(guó)家的重要戰(zhàn)略需求。我國(guó)聚碳酸酯長(zhǎng)期依賴國(guó)外進(jìn)口，2000年進(jìn)口量為23萬噸，到2008年增至101.7萬噸，增長(zhǎng)了近4倍，2008年國(guó)內(nèi)聚碳酸酯的表觀消費(fèi)量接近80萬噸，未來幾年將保持10-15%的增長(zhǎng)率。中國(guó)聚碳酸酯的產(chǎn)能僅為26萬噸，而且絕大部分為合資或獨(dú)資企業(yè)，對(duì)外依存度非常高。對(duì)我國(guó)聚碳酸酯生產(chǎn)企業(yè)來講，加快技術(shù)進(jìn)步已刻不容緩。
二、聚碳酸酯產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀由于世界金融市場(chǎng)處于混亂狀態(tài)，2009年亞洲雙酚A(BPA)市場(chǎng)，將繼續(xù)面臨困難時(shí)期的挑戰(zhàn)，除非經(jīng)濟(jì)走勢(shì)上行，來自下游環(huán)氧樹脂和聚碳酸酯(PC)工業(yè)的需求才會(huì)稍有提升。一家亞洲貿(mào)易商于表示，要使雙酚A(BPA)市場(chǎng)上揚(yáng)，至少在今后6個(gè)月以后。隨著雙酚A(BPA)現(xiàn)貨的急劇下滑，該工業(yè)處于不景氣狀態(tài)。截至2008年12月，雙酚A(BPA)價(jià)格與當(dāng)年7月相比、下降了近40%。由于全球金融市場(chǎng)惡化和經(jīng)濟(jì)衰退帶來的影響，來自聚碳酸酯(PC)和環(huán)氧樹脂工業(yè)需求的疲軟，而導(dǎo)致雙酚A(BPA)市場(chǎng)的不振，將可能會(huì)持續(xù)到年底。雖然新的環(huán)氧樹脂和聚碳酸酯(PC)，生產(chǎn)裝置已于2008年投運(yùn)，但經(jīng)濟(jì)的下行趨勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)
3 的加劇，已大大擠壓了一些公司的邊際利潤(rùn)，迫使一些生產(chǎn)商降低開工率或延長(zhǎng)裝置停工期。雙酚A(BPA)發(fā)展在2008年也受到一些負(fù)面的影響，來自與雙酚A(BPA)接觸的健康危害的爭(zhēng)論，已促使一些國(guó)家如加拿大在食品容器應(yīng)用中禁用這種化學(xué)品。鑒于終端用戶減少購(gòu)買量，亞洲地區(qū)一些雙酚A(BPA)生產(chǎn)商紛紛降低開工率，以減少這種高成本材料不斷增多的庫(kù)存。中國(guó)大多數(shù)環(huán)氧樹脂裝置，目前開工率都在50～60%。中國(guó)石化集團(tuán)公司-三井化學(xué)公司合資的，10萬噸/年雙酚A(BPA)裝置于2008年12月投產(chǎn)后，又使該地區(qū)新增了供應(yīng)量，預(yù)計(jì)雙酚A(BPA)價(jià)格一度會(huì)下跌至底線。另外貿(mào)易商和終端用戶的調(diào)查指出，如果需求繼續(xù)疲軟，則對(duì)雙酚A(BPA)價(jià)格的支撐會(huì)很小。2009年也會(huì)出現(xiàn)一些新的貿(mào)易動(dòng)向，中國(guó)與東南亞國(guó)家聯(lián)盟(ASEAN)成員國(guó)之間的自由貿(mào)易協(xié)定(FTA)將實(shí)施，按照新的法則，雙酚A(BPA)從ASEAN出口將執(zhí)行零關(guān)稅。東南亞國(guó)家聯(lián)盟(ASEAN)有2家主要的雙酚A(BPA)生產(chǎn)商：拜耳公司在泰國(guó)擁有16萬噸/年裝置，三井化學(xué)公司在新加坡?lián)碛?3萬噸/年裝置。三、聚碳酸酯市場(chǎng)需求概況 20世紀(jì)末，世界聚碳酸酯的產(chǎn)量約114萬噸，聚碳酸酯按功能特性分為一系列品級(jí)，如通用級(jí)、透明級(jí)、醫(yī)藥食品級(jí)等。各品級(jí)又可進(jìn)一步細(xì)分為更多的具體牌號(hào)。一些大的生產(chǎn)廠商可提供幾十個(gè)品級(jí)、上百個(gè)牌號(hào)產(chǎn)品。聚碳酸酯的應(yīng)用開發(fā)是向高復(fù)合、高功能、專業(yè)化、系列化方向發(fā)展。 2004 年世界聚碳酸酯表觀消費(fèi)量278.2 萬t,光學(xué)介質(zhì)是聚碳酸酯消費(fèi)增長(zhǎng)較快的領(lǐng)域, 消費(fèi)比例占24%; 其次是電子/電氣和建材, 各占19%; 汽車約占13%,北美的汽車產(chǎn)業(yè)所消費(fèi)的聚碳酸酯遠(yuǎn)高于西歐、日本及其它地區(qū), 約占全球汽車領(lǐng)域消費(fèi)量的38 %。歐洲受氣候影響, 對(duì)制造絕熱玻璃的薄膜和片材需求較高, 占全球該類產(chǎn)品總消費(fèi)量的25%。亞洲地區(qū)( 不包括日本) 在電子、電器產(chǎn)品和光學(xué)相關(guān)產(chǎn)品領(lǐng)域消費(fèi)的聚碳酸酯在世界所占比例相當(dāng)高, 電子、電器領(lǐng)域占全球該類產(chǎn)品消費(fèi)量43%, 光學(xué)產(chǎn)品占全球該類產(chǎn)品消費(fèi)量54%. 可見國(guó)外聚碳酸酯應(yīng)用的******的市場(chǎng)是電子/電氣(寶庫(kù)計(jì)算機(jī)、辦公設(shè)備和光盤)，透明薄板和片材以及汽車工業(yè)。在未來的一段時(shí)間內(nèi)，聚碳酸酯的需求量將持續(xù)增長(zhǎng)，亞太、拉丁美洲將是增長(zhǎng)較快的地區(qū)。預(yù)計(jì)到2007年，世界聚碳酸酯的需求量將達(dá)到億噸，其中計(jì)算機(jī)、光盤等信息產(chǎn)業(yè)方面的增長(zhǎng)很快。
四、工藝流程選擇分析與研究目前，聚碳酸酯的生產(chǎn)方法主要有溶液光氣法、酯交換法、界面縮聚光氣法和非光氣法。 (1)溶液光氣法該工藝是將光氣通入含有雙酚A堿性水溶液和二氯甲烷溶劑中進(jìn)行進(jìn)行界面縮聚反應(yīng)，然后將聚合物從溶液中分離出來。與其它的生產(chǎn)方法相比，溶液光氣法由于經(jīng)濟(jì)性較差已完全淘汰。 (2)酯交換法酯交換法又稱傳統(tǒng)熔融工藝，其實(shí)也是一種間接光氣法工藝。它是以苯酚原料，經(jīng)過光氣法反應(yīng)生成碳酸二苯酯，然后再鹵化鋰等催化劑和添加存在下和雙酚A進(jìn)行酯交換反應(yīng)，生成低聚物，在進(jìn)一步縮聚得到聚碳酸酯。盡管該工藝生成成本低于其它生產(chǎn)工藝，但由于其生產(chǎn)出來的聚碳酸酯光學(xué)性能較差，催化劑易污染，并且由于存在副產(chǎn)品酚而導(dǎo)致產(chǎn)品分子量較低，應(yīng)用范圍有限，因此限制了該工藝的商業(yè)應(yīng)用。
5 (3)界面縮聚光氣法界面縮聚光氣法工藝是將雙酚A和燒堿溶液配制成雙酚A鈉鹽，同時(shí)加入酚，然后送入光氣反應(yīng)器內(nèi)。加入二氯甲烷，通光氣進(jìn)行光氣化反應(yīng)，反應(yīng)完成后將反應(yīng)液送到縮聚反應(yīng)器內(nèi)，加入三乙胺和燒堿溶液，進(jìn)行縮聚反應(yīng)。然后分離含有聚合物的有機(jī)相和水相，對(duì)有機(jī)相進(jìn)行洗滌、干燥，最后成粒就得聚碳酸酯成品。 (4)非光氣法非光氣法是先以液相氧化碳基法生產(chǎn)碳酸二甲酯(DMC)，再與醋酸苯酯酯交換生成碳酸二苯酯(DPC)，然后在熔融狀態(tài)下與雙酚A進(jìn)行酯交換，縮聚制得聚碳酸酯。因此無副產(chǎn)物，基本無污染，特別是不使用劇毒光氣，因此深受世界各大公司的重視，紛紛致力開發(fā)。綜上所述，非光氣法工藝是一種全封閉、無副產(chǎn)物、污染少、符合環(huán)境要求的綠色工藝，已經(jīng)由外國(guó)公司研究成功，但是由于國(guó)內(nèi)仍在研究發(fā)展中，工藝不成熟，本設(shè)計(jì)不采用，而界面縮聚光氣法工藝成熟，反映在常溫常壓下進(jìn)行，對(duì)設(shè)備要求不高，產(chǎn)品質(zhì)量好，尤其是截止2004年底，全世界聚碳酸酯總生產(chǎn)能力接近3.3Mt／a 。其中光氣法生產(chǎn)工藝約占總生產(chǎn)能力的90%。所以本設(shè)計(jì)采用界面縮聚光氣法。
五、PC生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展方向全非光法形成DMC→DPC→PC的生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈，從根本上擺脫了有毒原料光氣，對(duì)聚合更有利，產(chǎn)品中不含游離氯，且透明度高，更適合制造高附加值光盤?？梢钥隙?，全非光法PC生產(chǎn)技術(shù)符合綠色化工產(chǎn)業(yè)政策，是今后世界PC生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展方向，預(yù)計(jì)在未來聚碳酸酯生產(chǎn)中將逐漸占據(jù)主要地位。目前世界各大聚碳酸酯公司已先后建立起了非光氣酯交換法的工業(yè)裝置。根據(jù)生成碳酸二甲酯所采用的原料的不同，分別有GE 公司以甲醇、一氧化碳和氧氣為原料，經(jīng)氧化、梭基化等反應(yīng)制成DMC;日本旭化成公司以二氧化碳和環(huán)氧乙烷生產(chǎn)碳酸亞乙酯，碳酸亞乙酯與甲醇反應(yīng)制成DMC。目前世界各大聚碳酸酯公司已先后建立起了非光氣酯交換法的工業(yè)裝置。根據(jù)生成碳酸二甲酯所采用的原料的不同，分別有GE 公司以甲醇、一氧化碳和氧， 6 氣為原料，經(jīng)氧化、梭基化等反應(yīng)制成DMC;日本旭化成公司以二氧化碳和環(huán)氧乙烷生產(chǎn)碳酸亞乙酯，碳酸亞乙酯與甲醇反應(yīng)制成DMC。 2001年GE公司率先在日本投資建成1套2.5萬噸/年的全非光法PC生產(chǎn)裝置并順利投產(chǎn)，隨后又在西班牙興建1套13萬噸/年全非光法PC生產(chǎn)裝置，從此全非光法PC生產(chǎn)技術(shù)引起了世界的矚目，世界PC生產(chǎn)廠商開始轉(zhuǎn)向全非光法PC生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)。日本旭化成公司開發(fā)的非光氣酯交換法有獨(dú)特的創(chuàng)意，使用二氧化碳、環(huán)氧乙烷(EO)和雙酚A(BPA)作為主要原料生產(chǎn)聚碳酸酯(PC)，副產(chǎn)乙二醇(EG)。該工藝既不使用光氣，也不使用二氯甲烷，產(chǎn)生很少的廢物，是一項(xiàng)污染小的新工藝，該工藝已用于臺(tái)灣旭化成奇美聚碳酸酯裝置，生產(chǎn)能力已達(dá)到6.5萬噸/年。目前全球的全非光法PC生產(chǎn)能力已經(jīng)達(dá)到38.5萬噸/年?？傊磥韼啄?，對(duì)人類與環(huán)境造成危害的化工生產(chǎn)工藝與原料將逐步受到限制并最終被淘汰?！扒鍧嵣a(chǎn)”、“綠色化工產(chǎn)品”是21世紀(jì)化工行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。PC全非光氣法綠色清潔生產(chǎn)技術(shù)有著廣闊的市場(chǎng)空間，必將成為世界上PC生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的方向。
六、發(fā)展我國(guó)PC產(chǎn)業(yè)的意義我國(guó)每年需進(jìn)口幾十萬噸PC，需求旺盛，市場(chǎng)潛力巨大，因而發(fā)展我國(guó)PC產(chǎn)業(yè)有著廣闊的市場(chǎng)前景。發(fā)展我國(guó)聚碳酸酯產(chǎn)業(yè)一方面可以緩解我國(guó)聚碳緊張的供需矛盾，另一方面可以打破發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)聚碳生產(chǎn)的技術(shù)封鎖及產(chǎn)品價(jià)格壟斷，對(duì)發(fā)展我國(guó)民族工業(yè)有著十分重要的意義。因此，無論從市場(chǎng)需求，還是從發(fā)展自有核心技術(shù)等方面考慮，建設(shè)我國(guó)聚碳產(chǎn)業(yè)均是必要的、可行的。我國(guó)有豐富的碳酸二甲酯(DMC)資源，全球DMC主要產(chǎn)能集中在中國(guó)，如銅陵金泰化工年產(chǎn)1.4萬噸碳酸二甲酯，山東石大勝華及海科年產(chǎn)2萬噸，具備為全非光法提供質(zhì)優(yōu)的原料優(yōu)勢(shì)?！熬盼濉逼陂g國(guó)家出臺(tái)相關(guān)政策加強(qiáng)了全非光法聚碳酸酯生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)力度，中藍(lán)晨光化工研究院和中科院成都有機(jī)化學(xué)所全非光法小試技術(shù)獲得重大突破，中試放大工作正在有條不紊地進(jìn)行，為我國(guó)全非光法PC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了技術(shù)保障。令人欣喜的是，銅陵金泰化工實(shí)業(yè)公司目前已成功建設(shè)國(guó)內(nèi)第一套酯交換法合成碳酸二苯酯中試裝置，進(jìn)而為我國(guó)開發(fā)全非光法合成聚碳酸酯研究奠定基礎(chǔ)。
