纖維材料學綜合實驗指導

實驗一聚酯合成工藝實驗

一、概述

聚酯是制造纖維、薄膜、工程塑料及涂料等的原料，通常是由二元酸和二元醇經酯化和縮聚反

應而制得的一種高分子縮聚物。因使用原料及中間體的不同而有不同的品種，但所有的品種均有一

個共同特點：就是在其大分子中的各鏈節(jié)間均以酯基(一。一。一)相連，所以把這類縮聚物通稱聚

酯。作為合成纖維原料的聚酯類聚合物主要是指聚對苯二甲醛乙二醇酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二

醇酯(PBT)和聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)三種。

本實驗是以精對苯二甲酸(PTA)和乙二醇(EG)為原料經過直接酯化反應和縮聚反應制得PET

切片，作為紡絲的原料。該裝置亦能適用其它品種聚酯的合成。

二、實驗目的

通過實驗，要使學生了解聚酯合成反應原理、工藝條件、操作過程以及主要設備的工藝設計方

法和選型；培養(yǎng)學生理論聯系實際的能力和捉高實際動手能力；在實驗中有目的收集有關基礎數據，

為今后的畢業(yè)論文和畢業(yè)設計創(chuàng)造條件；并合成出合格的產品，作為下?工序的紡絲試驗的原料。

三、基本原理

聚酯合成目前一般采用兩種工藝路線，即以DMT和EG為原料的酯交換法和以PTA和EG為

原料的直接酯化法。本試驗裝置在設計時考慮了兩種工藝路線均能適用。下面僅就直接酯化法原理

簡述之：

PTA和EG直接酯化反應一般認為存在主反應有：

COOH+HO(CH2)2OH-------->—<^O)>-C00(CH2)20H4-Hz0(1)

-<^>-COOH+HO(CH2)2OOC-X^>-

--------*-<2>—COO(CII2)2OOC-<^O^-4-H20(2)

在反應過程中，也會有生成隧鍵(二甘醇)的副反應發(fā)生，如

2HO(CH,)2OH------->HO(CH2)2O(CHZ)2OH(I)

^Oy-COO(CH2)20H-UO(CH2)OII

COO(cn

-------->-<@>-2)2O(CH2)2OH-

2-<^O^COO（CH2）2OH

——>^（2>-C00（CH2）20（CH2）2O0C-^O）>-+H;o（3）

在操作過程中應設法提高主反應速度，降低副反應速度。由副產物生成機理可以看出：想減少

副產物的生成，應設法降低反應體系中EG和BHET端基的濃度。為達到此目的，脂化反應采用半

連續(xù)操作。具體做法是反應前在酯化釜內預先加入一定量的低聚物（聚合度為3-5）,然后把預先配

好的漿料以一定的流量連續(xù)地加入至酯化釜中使之反應。這樣可以降低反應體系中EG的濃度，使

氣相中EG分壓也下降，從而達至提高產品質量，使酯化在常壓下操作的目的。

BHET縮聚反應是可逆反應，其平衡常數較小。為使聚合物具有一定的聚合度，應使低分子EG

及時自反應體系排出，以利反應的進行，故縮聚反應應是在絕壓小于133Pa下進行。

四、主要設備

I.本實驗采用的聚酯裝置有7部分組成：

（1）漿料系統(tǒng)：包括打漿釜、漿料泵。

（2）酯化系統(tǒng)：包括酯化反應釜、分儲柱、回流冷凝器、冷凝器、水接收罐。

（3）縮聚系統(tǒng)：包括縮聚反應釜、冷凝器、分離器、EG接收罐。

（4）熱媒系統(tǒng)：包括熱媒鍋爐、熱媒循環(huán)泵、膨脹罐、接受槽

（5）真空系統(tǒng)：包括真空泵、緩沖罐。

（6）切粒系統(tǒng)：包括冷卻水槽、切粒機。

（7）控制系統(tǒng)：包括溫度控制、速度控制、真空表、真空規(guī)。

2.主要設備：

（1）漿料系統(tǒng)

A.漿料槽

漿料槽的作用是使PTA和EG在攪拌器的作用卜.充分混合制成漿料。它是由釜體、鋸式攪拌器、

變速器、電機組成。

容積：20L攪拌轉速：85r.p.m

材質：不銹鋼電機功率：0.5KW

B.漿料泵：齒輪泵，用來輸送漿料。（現場無此設備）

（2）酯化系統(tǒng)：

A.酯化反應釜：

酯化反應釜由釜體、加熱夾套、攪拌器、變速器、電機組成。

釜體容積50L,材質不銹鋼，上下標準橢圓封頭；

攪拌器為四葉折葉漿式，攪拌器的轉速為136r.p.m,電機功率1.0KW,填料密封；

加熱夾套：材質碳鋼

B.分僧柱：材質不銹鋼，尺寸中32X1200,0型不銹鋼網狀填料。

（3）縮聚系統(tǒng):

縮聚釜：由釜體、加熱夾套、攪拌器、變速器、電機組成。

釜體容積40L,材質不銹鋼，上封頭為標準橢圓封頭，卜封頭為12（）。錐形底；

攪拌器為錨式攪拌，電機功率L5KW,變頻調速；單端面機械密封；

加熱夾套材質碳鋼。

（4）熱媒爐：為一臥式圓柱形桶體左右兩端為碟形封頭的碳鋼制爐體，外包覆保溫材料。內裝導熱

油（320#）,采用6組電熱棒（3KWX6）加熱。熱油由熱媒循環(huán)泵加壓后在設備夾套與熱媒爐間進

行循環(huán)。

（5）真空泵：旋片式真空泵，型號2X—8型。

五、實驗過程、工藝條件及流程圖

1.工藝流程簡介

本工藝采用分批打漿，酯化采用半連續(xù)操作和分批縮聚的操作方法。

（1）漿料的配制：

把PTA和EG以及催化劑按一定投料比（1：（分子比〉）加入漿料槽中，打開攪拌使

其充分混合成漿料后待用。（酯化無需加入催化劑；縮聚催化劑可在此時加入，一般為PTA

質量的0.03%~0.04%。）

（2）酯化反應：

當酯化釜內原料溫度升至240?250c后，用漿料泵以一定的流量把漿料連續(xù)送入酯化釜中使

之反應，加料速度以內溫基本穩(wěn)定為原則而定。反應過程中生成的產物之一一水經過分館柱

與反應組分EG分離后，經冷凝器排出體系之外，以利于酯化反應的進行。通過排出水量的

多少來判斷酯化反應的轉化率。

當一批漿料輸送完后，繼續(xù)反應一定時間，使其反應轉化率達到要求后即認為反應結束。（此

時，接受罐內水量接近理論值，內溫開始上升，分儲柱頂溫下降。）

（3）縮聚反應：

縮聚釜應提前預熱至250c左右。酯化反應結束后把酯化釜內的物料的一部分用N2壓入（或

真空抽入）縮聚釜，升溫，抽真空進行縮聚反應。在此反應分作3階段，即常壓階段、低真

空階段、高真空階段。特別要注意的是在低真空階段，真空度上升速度要慢、要穩(wěn)。防止因

真空度上升速度過快，EG汽化量驟升，引起“沖料”造成管路堵塞。體系的真空度通過調節(jié)

真空泵與聚合釜間的閥門開度實現。反應中生成的EG蒸汽經旋風分離器、冷凝器，凝結后

流入EG接收罐。隨著反應的進行，聚合物分子量增加，物料粘度隨之增大，攪拌軸功率也

隨之增大。當攪拌電機功率（或電流）增大至某一定值時，認為反應已至終點，縮聚反應結

束。

（4）出料、切粒：

縮聚反應結束后，先停止攪拌，關閉真空規(guī)閥門，再向反應釜內充N2到一定壓力

（0.1~0.2MPa）,打開出料口，物料成條狀擠出，進入水槽。冷卻后，經切粒機切粒、包裝。

（5）熱媒爐：

實驗前應首先設定溫度，將熱媒爐3組電熱棒全部通電，（其中2組為手動，一組為儀表控制）

打開熱油泵使導熱油循環(huán)加熱。熱媒爐的溫度是通過儀表設定和開啟不同組數的手動開關實現的。

酯化釜和聚合釜的溫度是通過手動調節(jié)進入夾套的油量控制的。

2.工藝條件：

根據不同品種和配方有所不同，下面列出生產常規(guī)PET時的工藝參數：

（1）酯化反應階段

反應時間：3.5?4.0小時

反應溫度：250?260C

反應壓力：常壓

反應轉化率：〉0.92

（2）縮聚反應階段

低真空時間（真空度0?759mmHg）：0.5小時

低真空反應溫度：250?28（）℃

高真空時間（絕壓小于ImmHg）：1.5?2.5小時

高真空反應溫度：280?285℃

3.工藝流程示意圖

六、實驗數據處理

1.酷化反應

(1)X的求取

不同時間測定偏出水量，通過計算而得至X的值。

(2)動力學參數的求取

酯化反應采用半連續(xù)操作，由物料衡算可推導出半連續(xù)操作的操作方程為:

dxrAV-

dt/J

式中：x一酯化反應轉化率；

I一酯化反應時間；

/八一以PTA消耗表示的酯化反應速度：

V—反應物料體積；

F.o一進料PTA的摩爾流量；

〃八o一操作開始時體系內PTA的摩爾數。

對半連續(xù)操作而言，由于漿料連續(xù)加入，故反應物料體積V隨反應時間t而變化，可用

下式表示：

V=VO+POZ

式中：匕一操作開始時物料體積。

%一在操作條件下漿料的體積流量。

設酯化反應于非均相階段，在工程上可近似按零級反應處理，即

“二k

攵一酯化反應速率常數

由阿氏方程

k-Aexp(-￡7RT)

設操作過程中反應溫度T隨時間變化規(guī)律已知，可用式T=f(t)表示，則聯立以上幾個方程

得一微分方程組如下：

'T=f(t)

k-Aexp(-E/RT)

IV=Vo+vor

dx=rAy-

dx

該方程中，F,V,V,%。為已知數，竺可由實驗所得x-t曲線經微分后求得，因而可以求出

AO()0dt

在某特定反應溫度下的反應速率常數k值；若k值為已知時，則可人為改變反應溫度，把T=f(l)

關系代入方程組中，可解出酯化反應轉化率隨反應時間的變化規(guī)律。若已知副反應的動力學規(guī)律，

也可以把副反應的動力學方程列入，即亦可解出副產物隨反應H、J間及工藝條件的變化規(guī)律。

2.縮聚反應

(1)反應程度的求取

設Po一酯化反應結束時的縮聚反應程度(Po的大小與酯化反應的轉化率X和EG對PTA投料摩爾比

的大小有關);

P一任意時刻下的縮聚反應程度。

則在縮聚反應時可利用生成低分子EG的量來