北服纖維材料學綜合實驗指導01聚酯合成工藝實驗

纖維材料學綜合實驗指導實驗－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(jīng)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()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酸乙二醇酯（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(jīng)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(lián)系實際的能力和提高實際動手能力；在實驗中有目的收集有關基礎數(shù)據(jù)，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(chǎn)品，作為下一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：在反應過程中，也會有生成醚鍵（二甘醇）的副反應發(fā)生，如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(chǎn)物生成機理可以看出：想減少副產(chǎn)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，酯化反應采用半連續(xù)操作。具體做法是反應前在酯化釜內(nèi)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(chǎn)品質(zhì)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(shù)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1.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、分餾柱、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在攪拌器的作用下充分混合制成漿料。它是由釜體、錨式攪拌器、變速器、電機組成。容積：20L攪拌轉速：85r.p.m材質(zhì)：不銹鋼電機功率：0.5KWB．漿料泵：齒輪泵，用來輸送漿料。(現(xiàn)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(zhì)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(zhì)碳鋼B．分餾柱：材質(zhì)不銹鋼，尺寸Φ32×1200，θ型不銹鋼網(wǎng)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(zhì)不銹鋼，上封頭為標準橢圓封頭，下封頭為120°錐形底；攪拌器為錨式攪拌，電機功率1.5KW，變頻調(diào)速；單端面機械密封；加熱夾套材質(zhì)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(nèi)裝導熱油（320#），采用6組電熱棒（3KW×6）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。漿料的配制：把PTA和EG以及催化劑按一定投料比（1：1.1~1.2〈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(zhì)量的0.03％~0.04％。）酯化反應：當酯化釜內(nèi)原料溫度升至240~250℃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(nèi)溫基本穩(wěn)定為原則而定。反應過程中生成的產(chǎn)物之一—水經(jīng)過分餾柱與反應組分EG分離后，經(jīng)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(nèi)水量接近理論值，內(nèi)溫開始上升，分餾柱頂溫下降。）縮聚反應：縮聚釜應提前預熱至250℃左右。酯化反應結束后把酯化釜內(nèi)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(diào)節(jié)真空泵與聚合釜間的閥門開度實現(xiàn)。反應中生成的EG蒸汽經(jīng)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。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(nèi)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(jīng)切粒機切粒、包裝。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(shù)的手動開關實現(xiàn)的。酯化釜和聚合釜的溫度是通過手動調(diào)節(jié)進入夾套的油量控制的。2．工藝條件：根據(jù)不同品種和配方有所不同，下面列出生產(chǎn)常規(guī)PET時的工藝參數(shù)：（1）酯化反應階段反應時間：3.5～4.0小時反應溫度：250～260℃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：250～280℃高真空時間（絕壓小于1mmHg）：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(shù)據(jù)處理1.酯化反應（1）X的求取不同時間測定餾出水量，通過計算而得至X的值。（2）動力學參數(shù)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：式中：x—酯化反應轉化率；t—酯化反應時間；—以PTA消耗表示的酯化反應速度；V—反應物料體積；—進料PTA的摩爾流量；—操作開始時體系內(nèi)PTA的摩爾數(shù)。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：式中：—操作開始時物料體積?！诓僮鳁l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—酯化反應速率常數(shù)由阿氏方程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(lián)立以上幾個方程得一微分方程組如下：該方程中，，，，為已知數(shù)，可由實驗所得x-t曲線經(jīng)微分后求得，因而可以求出在某特定反應溫度下的反應速率常數(shù)k值；若k值為已知時，則可人為改變反應溫度，把T＝f（t）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(chǎn)物隨反應時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P0—酯化反應結束時的縮聚反應程度（P0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—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的量來求取縮聚反應程度。式中：—任意時刻下餾出EG摩爾數(shù)；—每批加入PTA的摩爾數(shù)。（2）終點判斷原則上可利用餾出EG量來判斷終點，如當所要求聚合物平均聚合度=103，則若已知酯化結束時，物料的平均聚合度=4，則P0＝0.75，餾出EG摩爾數(shù)＝（0．99—0.75），因為量是已知數(shù)，故可由上式求出，從而由餾出EG量能判斷終點。但是在實際生產(chǎn)