文档介绍:§ 1-1反应机理
用PTA和EG为原料合成PET的主要化学反应包括酯化反应和缩聚反应。
一、酯化反应:
想象一下这样的化学实验:将一定 MFt匕的EG/PTA艮料加入到带有搅拌器、 分僻塔的反应器中,开始搅拌、逐步升温,则 PTA和EG开始发生化学反应。在 所发生的化学反应中,固态粉末状的 PTA和液态EG之间所发生的酯化反应反应 速率很慢,一般忽略部不计。在酯化反应的初始阶段,固态 PTA和EG之间进行
的酯化反应分为如下两步:固态粉末状的 PTA溶解丁 EG/gg化物的混合物中,已 溶解的PTA在高温下与EG发生酯化反应,生成酯化物;其中主要的酯化物是对 苯二甲酸双羟乙酯(简称BHET。反应的方程式如下:
PTA(固体)一PTA (液体)
(包括2〜5聚体)
由丁 PTA在EG中的溶解度很小,在酯化反应的开始阶段,反应体系是一个 固液非均相体系。因为PTA的溶解速度远大丁已溶解的 PTA和EG之间的反应速 度,溶液中的PTA总是处丁饱和状态,所以在酯化反应的初始阶段,化学反应是 控制步骤,此时的反应速率与 PTA和EG的浓度无关,只是依赖丁反应温度,该 化学反应是零级反应。
由丁 PTA在反应混合物中的溶解度远比在纯 EG中的溶解度大,随着反应的 进行,PTA的溶解度逐渐增大。当达到一定的反应程度时, PTA完全溶解,反应
进入均相酯化反应阶段,这时的酯化率就称为“活晰点”(Es约为89%)。至此, 酯化反应速率将随着PTA和EG浓度的改变而变化;这阶段的酯化反应可近视看 作二级反应。
酯化反应是一个微放热的可逆反应,其化学平■衡常数比较小,必须将反应产
生的水不断除去,才能使酯化反应不断地向正反应方向进行下去。 因此,在酯化
反应阶段,都设有用丁分离和去除水的工艺塔。 酯化反应时由丁 PTA上的埃基电 离出H+,对酯化反应具有催化作用。
酯化反应速率t和酯化率 Es之间的关系曲线
从上面的酯化反应速率和酯化率的关系曲线,可以很直观地看出:在活晰点 处地酯化反应速率最大;在活晰点之后,酯化反应速率将随着反应物浓度的减小 而迅速下降。在工程上,出丁经济上的考虑,一般将酯化反应分成两段进行,即 设置两个酯化反应釜;第一酯化反应釜的结构形式为全混釜,其酯化率控制在 90%fc右;从化学反应平衡的角度上看,第二酯化反应釜在结构上通常被分成几 个室,这样可以提高酯化反应的反应动力。
二、缩聚反应:
缩聚反应是聚酯合成过程中的链增长反应。通过这一反应,两个6 -羟基乙
酯基-COOC2CH2O心间发生缩聚并脱去一分子的 EG反应式如下:
其中,x> 1, y> 1, n = x + y 。
这样,单体(BHET与单体、单体与低聚物、低聚物与低聚物之间将逐步缩 聚生成高分子量的聚酯。在这里简单介绍一下聚酯聚合反应的等活性理论:不论 线性聚酯分子的分子链长短如何,其链端的活性基团---6 -羟基乙酯基的反应活 性可以近视认为相同。
缩聚反应也是一个可逆平■衡反应,其反应平■衡常数较小。因此,在反应过程 中,必须尽量除去反应所生成的小分子, 使反应平衡向正向移动,否则将无法得 到高分子量的聚酯。为此,缩聚反应要求在真空条件下进行,同时增加反应物的 蒸发表面,以利丁体系中所生成的小分子的蒸发。
华东理工大学的赵玲等人的研究表明:
1、 当vg时,缩聚反应届丁化学反应控制;
2、 当g<<g时,缩聚反应届丁过度控制;
3、 当》g时,缩聚反应届丁传质控制;
当酯化物从酯化釜流入预缩聚釜时,反应压力由正压变为负压,物料因此发 生暴沸,小分子生成物的蒸发表面积大;当没有这样的压降、不能形成较大的蒸 发表面积时,反应釜因物料黏度高而需设置搅拌器, 加强传质,促进小分子生成 物的挥脱。五釜聚合流程中,第一预缩聚釜不设置搅拌器,第二预缩聚釜和终聚 釜则设置了搅拌器;特别是终聚釜的搅拌器,针对高粘物料中小分子生成物的挥 脱问题,在搅拌器的结构上作出特殊设计。?
分子分布是聚合物的一个重要的内在品质,它对聚合物的后加工,如纺丝、 拉膜有着很大影响。聚合物本质上是由聚合度大小不一的聚酯分子组成的混合 物,聚合物的分子分布即表达了聚酯分子聚合度的均一性。 聚合物的分子分布呈
正态分布,对丁黏度相同的聚合物来说,其分子分布逾窄,它的后加工物理性能 逾好。正是这样的原因,在工程上将聚合反应物在反应釜中的流态设计成活塞流, 使得聚合反应物分子的停留时间相同, 聚合物的分子分布窄;同时,也避免了流 道上的死角,减少长链聚酯分子降解的机会。
实际上,酯化反应和缩聚反应并不是截然分开的 。 当酯化反应进行 到一定程度时,即8 -羟基乙酯生成一定量时,缩聚反应也同时进行。 而在缩
聚反应的初期(即预缩聚反应阶