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聚酯酯化反应通入氮气的研究
作者：周向进 1. 前言
聚酯是合成纤维聚合物中产能最大的品种，除应用于制造涤纶纤维外，还广泛应用于制造瓶子、薄膜、塑料等，2007年中国大陆聚酯生产能力达到2306万吨/年。
聚酯技术是一项成熟的技术，多年来围绕提高聚酯装置生产能力的研究很多，但是通过向聚酯酯化反应器通入氮气提高酯化反应速度的研究未见报道。
本文研究了在其它实验条件相同的情况下向反应器通入氮气对酯化反应速度的影响和规律，发现向酯化反应器通入氮气可以明显提高酯化反应速度。 2. 原理
2.1 聚酯直接酯化法工艺原理
聚酯（PET）的主要生产工艺分为两部分，一是酯化，二是缩聚。
酯化是以精对苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）为原料，经过化学反应生成对苯二甲酸乙二醇酯（BHET）的工艺过程。酯化反应是可逆平衡反应，反应方程式是：
HOOC- -COOH + 2HOCH2CH2OH ← → HOCH2CH2OOC- -COOCH2CH2OH + 2H2O （2）
为了使反应平衡向正反应方向移动，需要不断移去反应生成物中的水。增加原料EG与PTA的克分子比，也有利于提高酯化反应速度。
酯化反应是吸热反应，提高反应温度有利于提高反应速度。但是提高温度将加剧生成二甘醇（DEG）的副反应。因此，加快脱除副产物水以提高酯化反应速度是工艺优化和技术创新的一个选择。
2.2 通入氮气的酯化工艺原理
根据反应方程式（2），酯化反应过程中，系统液相主要组成是PTA、EG、BHET（及其低聚物）和H2O；气相主要组成是EG和H2O。根据拉乌尔定律，系统压力 P = PH2O + PEG （3）
反应过程中，通过调节阀的作用，系统压力维持不变，设系统压力为常数C， 则：P = PH2O + PEG = C （4）
当系统气相通入氮气之后，系统的液相组成不变，气相组成中增加了氮气，主要成份为EG、H2O和N2三种。维持系统压力不变时，根据拉乌尔定律，
P新 = PH2O + PEG + PN2 = C （5）
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通入氮气后，气相中水的分压PH2O降低，乙二醇的分压PEG也降低。
在封闭的气液相平衡体系中，单位时间内某一组份从液相蒸发到气相的量与从气相凝降到液相的量相等，该组份的气相分压达到其饱和蒸气压。当该组份的气相分压低于饱和蒸气压时，从液相蒸发到气相的量就大于从气相凝降到液相的量，这种蒸发量与凝降量的差随该组份气相分压与饱和蒸气压的差增加而增加。某一组份的饱和蒸气压与反应体系的温度有关，而与系统内环境压力的关系不大。换言之，某一组份的气相分压与其饱和蒸气压的差越大，该组份从液相向气相蒸发的速度就越快。
为了简化所讨论的问题，假设酯化反应器中气相EG进入分凝塔（工艺塔、脱水塔）后，全部回到酯化反应器；气相H2O进入分凝塔后全部脱除；气液两相之间的传质过程只发生在两相的界面。则在动态反应体系平衡时，很小单位时间段内，液相蒸发到气相的水减去气相凝降到液相的水等于从分凝塔脱除的水。
当酯化反应器气相通入氮气后，乙二醇和水的气相分压都降低，气液两相的界面上，液相向气相蒸发的量不变，而气相向液相凝降的量减少。由于物料是平衡的，这部分减少的水的量就是通过分凝塔脱除的水增加的量。即酯化反应器通入氮气后，尽管气相中水和乙二醇的含量降低，但是由于氮气的夹带，水和乙二醇进入分凝塔的流量增加，所以单位时间内反应器脱除水的量增加。
3、实验（略，请查看《合成纤维工业》2008年第5期）
4、结果与讨论（略，请查看《合成纤维工业》2008年第5期） 5 结论
a. 本研究通过试验探索了聚酯酯化反应过程中向反应器通入氮气能否增加酯化反应速度的问题，得到了肯定的答案。即向酯化反应器通入氮气，可以有效增加聚酯酯化反应速度。 b. 通过对试验数据的处理和计算，结果表明采用向酯化反应器通入氮气的新工艺，平均酯化反应速度比采用常规工艺的平均酯化反应速度快19.18%。向反应器气相通入氮气的酯化反应速度比常规工艺的平均酯化反应速度快27.70%。
c. 试验结果表明，向酯化反应器通入氮气，可以稳定地维持反应所需要的温度和压力条件，有利于提高酯化反应速度。 后记：
在这项试验和研究的基础上，作者使用300升综合反应器开展了中试规模的聚酯酯化通氮气工艺研究和试验。
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这次试验除继续得到20升反应器试验时有关同志的帮助与支持外，还得到了孙炳生、徐斌等同志的大力支持与帮助，在此作者特别提出并表示感谢！
据介绍，孙炳生先生是化工装备技术方面的专家，具有丰富的实践经验和深厚的理论功底，创新设计能力很强，动手能力很强。现在孙炳生先生已经退休，希望有关企业联络孙炳生先生，发挥他的特长和作用。
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