王余偉王金堂張金峰朱興松

(1. 中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司研究院，江蘇儀征　211900；2.江蘇省高性能纖維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇儀征　211900)

?

應(yīng)用技術(shù)

基于組合流動(dòng)模型在聚酯轉(zhuǎn)產(chǎn)過(guò)渡中的應(yīng)用

王余偉1，王金堂1，2，張金峰1，2，朱興松1

(1. 中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司研究院，江蘇儀征211900；2.江蘇省高性能纖維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇儀征211900)

為了描述聚酯圓盤(pán)反應(yīng)器物料流動(dòng)特性，筆者提出一種包括平推區(qū)、全混區(qū)、死區(qū)在內(nèi)的組合流動(dòng)模型，研究組合流動(dòng)模型參數(shù)對(duì)停留時(shí)間分布特性的影響，并將組合流動(dòng)模型用于聚酯添加劑轉(zhuǎn)產(chǎn)計(jì)算。研究表明，組合流動(dòng)模型能夠顯著提高計(jì)算精度，并合理表征圓盤(pán)反應(yīng)器內(nèi)高粘物料返混程度。

組合流動(dòng)模型轉(zhuǎn)產(chǎn)過(guò)渡圓盤(pán)反應(yīng)器聚酯

為了滿(mǎn)足市場(chǎng)多樣性需求，聚酯企業(yè)需要頻繁地進(jìn)行轉(zhuǎn)產(chǎn)和牌號(hào)切換。在品種轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量過(guò)渡料，減少裝置正常生產(chǎn)時(shí)間，企業(yè)生產(chǎn)效益受到影響，因此轉(zhuǎn)產(chǎn)過(guò)渡問(wèn)題已成為聚酯工業(yè)先進(jìn)生產(chǎn)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容[1-5]。

聚酯轉(zhuǎn)產(chǎn)過(guò)渡計(jì)算重點(diǎn)求解反應(yīng)器出口物料濃度對(duì)于入口物料濃度的變化響應(yīng)曲線(xiàn)，與過(guò)程物料流動(dòng)模型密切相關(guān)。由于實(shí)際反應(yīng)器不同程度的返混會(huì)引起物料流動(dòng)偏離理想流動(dòng)，實(shí)際反應(yīng)器流動(dòng)狀況往往被看成若干理想流動(dòng)模型的組合。對(duì)于實(shí)際攪拌釜式反應(yīng)器物料流動(dòng)，Cholette等[6-7]認(rèn)為是全混區(qū)、短路流、停滯區(qū)(死區(qū))的并聯(lián)組合；而Moo-Young等[8]則認(rèn)為是雙全混區(qū)、停滯區(qū)、平推流的串聯(lián)組合。實(shí)際管式反應(yīng)器物料流動(dòng)常用多釜串聯(lián)模型(池模型)或擴(kuò)散模型描述。

聚酯品種切換都要涉及圓盤(pán)反應(yīng)器，然而圓盤(pán)反應(yīng)器內(nèi)物料流動(dòng)狀況鮮有報(bào)道。聚酯圓盤(pán)反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)為液相緩慢反應(yīng)，且物料為高粘介質(zhì)，反應(yīng)器內(nèi)層流區(qū)域的分散不可被忽略[9]。為了描述圓盤(pán)反應(yīng)器內(nèi)物料的返混與停滯，本文提出一種組合流動(dòng)模型并用于聚酯品種轉(zhuǎn)換。

1　過(guò)程分析

1.1聚酯終縮反應(yīng)器

國(guó)內(nèi)代表性聚酯工藝為吉瑪工藝，其最終縮聚反應(yīng)器習(xí)慣上稱(chēng)為圓盤(pán)反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，是聚酯生產(chǎn)最關(guān)鍵的設(shè)備之一，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量起著決定性的作用。熔體粘度在圓盤(pán)反應(yīng)器反應(yīng)過(guò)程中急劇上升，280 ℃時(shí)一般由進(jìn)料的0.8 Pa·s增至出料的400 Pa·s[10]。

圖1　吉瑪工藝最終縮聚反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2組合流動(dòng)模型的推導(dǎo)

圓盤(pán)反應(yīng)器為多室多盤(pán)環(huán)結(jié)構(gòu)，高粘物料流經(jīng)各室及盤(pán)環(huán)會(huì)出現(xiàn)返混和停滯，本文提出了如圖2所示的組合流動(dòng)模型。該組合流動(dòng)模型結(jié)構(gòu)為平推流與全混流的并聯(lián)區(qū)，再與停滯區(qū)串聯(lián)。平推區(qū)物料流動(dòng)是平推流(又稱(chēng)活塞流)，全混區(qū)描述反應(yīng)器物料間的返混，停滯區(qū)則描述物料無(wú)法流動(dòng)的區(qū)域。

圖2　組合流動(dòng)模型

由化學(xué)反應(yīng)工程[11]理想全混反應(yīng)器停留時(shí)間分布函數(shù)，可以推導(dǎo)出組合流動(dòng)模型的全混區(qū)物料出口濃度Cb與入口濃度C0關(guān)系式，如式(1)。

(1)

式中θ為無(wú)因次量，θ=t/τ，其中t為時(shí)間，τ為平均停留時(shí)間(τ=V/υ，V為反應(yīng)器總體積、υ為體積流量)。α為滯留區(qū)域所占總體積的分率，β為平推流區(qū)域占有效體積的分率，γ為流量分率。

工程計(jì)算常采用多釜串聯(lián)模型(池模型)模擬物料平推流動(dòng)。多釜串聯(lián)模型將平推區(qū)視為N個(gè)相同體積理想全混反應(yīng)器的串聯(lián)，因?yàn)槊總€(gè)反應(yīng)器傳遞函數(shù)相同，則N個(gè)串聯(lián)反應(yīng)器的分布函數(shù)可由各分布函數(shù)逐一卷乘來(lái)確定。限于篇幅，本文不再贅述具體推導(dǎo)過(guò)程。組合流動(dòng)模型平推區(qū)物料出口濃度Cp與入口濃度C0關(guān)系如式(2)。

(2)

式中N為串聯(lián)反應(yīng)器的數(shù)目。

(3)

組合流動(dòng)模型為四參數(shù)模型，可以通過(guò)最小二乘法對(duì)過(guò)程出口濃度C分析值進(jìn)行擬合插值和數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出N、α、β、γ。相比于圓盤(pán)反應(yīng)器平推區(qū)，進(jìn)入到全混區(qū)的物料的體積流量較少、所占體積較小、物料停留時(shí)間較長(zhǎng)，因此β>0.5、γ>β。

1.3組合流動(dòng)模型參數(shù)對(duì)停留時(shí)間分布特性的影響

模型參數(shù)N對(duì)圓盤(pán)反應(yīng)器出口物料濃度對(duì)于入口物料濃度的變化響應(yīng)曲線(xiàn)的影響如圖3所示。

圖3　組合流動(dòng)模型參數(shù)N的影響(α=0、β=0.8、γ=0.9)

隨著串聯(lián)數(shù)目N增大，平推區(qū)物料流動(dòng)特性越接近理想平推流。當(dāng)N趨向于無(wú)窮大時(shí)，其平推區(qū)域流動(dòng)特性與理想平推流一致。由于受到全混區(qū)物料返混的影響，C/C0未趨向于1。

模型參數(shù)α對(duì)圓盤(pán)反應(yīng)器出口物料濃度對(duì)于入口物料濃度的變化響應(yīng)曲線(xiàn)的影響如圖4所示。

圖4　組合流動(dòng)模型參數(shù)α的影響(β=0.8、γ=0.9、N=20)

隨著組合流動(dòng)模型參數(shù)α增加，滯留區(qū)體積隨之增加，反應(yīng)器有效體積逐漸減少，導(dǎo)致平推區(qū)和全混區(qū)物料停留時(shí)間逐漸減少，過(guò)程濃度變化加速，濃度變化響應(yīng)曲線(xiàn)向左平移。

隨著平推區(qū)有效體積分率β降低，平推區(qū)停留時(shí)間縮短，而全混區(qū)停留時(shí)間則增加。模型參數(shù)β對(duì)圓盤(pán)反應(yīng)器出口物料濃度對(duì)于入口物料濃度的變化響應(yīng)曲線(xiàn)的影響如圖5所示。由于反應(yīng)器物料主要流入平推區(qū)(γ=0.9)，因此前期濃度變化響應(yīng)曲線(xiàn)主要受平推區(qū)影響，反應(yīng)器出口濃度變化增快，而后期則主要受起全混區(qū)返混的影響，反應(yīng)器出口濃度增速變緩。

圖5　組合流動(dòng)模型參數(shù)β的影響(α=0、γ=0.9、N=20)

改變流量分率γ同時(shí)影響進(jìn)料體積比例和平推區(qū)和全混區(qū)的停留時(shí)間。模型參數(shù)γ對(duì)圓盤(pán)反應(yīng)器出口物料濃度對(duì)于入口物料濃度的變化響應(yīng)曲線(xiàn)的影響如圖6所示。

圖6　組合流動(dòng)模型參數(shù)γ的影響(α=0、β=0.8、N=20)

隨著γ的增加，平推區(qū)影響比例逐漸增加，出口物料濃度變化趨向于理想平推流；同時(shí)隨著γ的增加，平推區(qū)停留時(shí)間會(huì)縮短、全混區(qū)停留時(shí)間則增加，濃度變化響應(yīng)曲線(xiàn)向左移動(dòng)。

2　組合流動(dòng)模型在聚酯裝置上的應(yīng)用

在吉瑪工藝聚酯裝置上進(jìn)行添加劑品種轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)產(chǎn)用添加劑從第二酯化反應(yīng)器加入情況居多，此時(shí)轉(zhuǎn)產(chǎn)涉及第二酯化反應(yīng)器至終縮圓盤(pán)反應(yīng)器在內(nèi)的四個(gè)反應(yīng)器，物料在四個(gè)反應(yīng)器內(nèi)總停留時(shí)間約7 h。利用裝置歷史轉(zhuǎn)產(chǎn)數(shù)據(jù)，擬合圓盤(pán)反應(yīng)器物料平均停留時(shí)間τ、組合流動(dòng)模型參數(shù)N、α、β、γ以及多釜串聯(lián)模型參數(shù)N’，并將組合流動(dòng)模型和多釜串聯(lián)模型分別用于轉(zhuǎn)產(chǎn)過(guò)渡計(jì)算。

聚酯裝置停止加入添加劑，產(chǎn)品中的添加劑濃度逐漸降低。轉(zhuǎn)產(chǎn)開(kāi)始之后圓盤(pán)反應(yīng)器出料中的添加劑濃度變化如圖7所示。

圖7　停止加入添加劑聚酯圓盤(pán)反應(yīng)器出料中添加劑濃度變化

由圖7可知，多釜串聯(lián)模型轉(zhuǎn)產(chǎn)前期(<15 h)預(yù)測(cè)值與裝置分析值接近，但轉(zhuǎn)產(chǎn)后期預(yù)測(cè)值明顯低于分析值，裝置添加劑過(guò)渡時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于多釜串聯(lián)模型所計(jì)算的時(shí)間。而轉(zhuǎn)產(chǎn)全過(guò)程組合流動(dòng)模型預(yù)測(cè)值均與測(cè)試值相吻合，組合流動(dòng)模型參數(shù)β<1且γ<1，說(shuō)明轉(zhuǎn)產(chǎn)過(guò)程中圓盤(pán)反應(yīng)器部分物料存在返混，從而延長(zhǎng)了裝置轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)間。

在相同聚酯裝置相同工藝條件下，裝置恢復(fù)加入添加劑，并實(shí)施優(yōu)化添加方案，轉(zhuǎn)產(chǎn)過(guò)程各反應(yīng)器液位平穩(wěn)，圓盤(pán)反應(yīng)器出料中添加劑濃度變化如圖8。

圖8　恢復(fù)添加劑加入聚酯圓盤(pán)反應(yīng)器出料中添加劑濃度變化

由圖8可知，相比于多釜串聯(lián)模型，組合流動(dòng)模型預(yù)測(cè)值與裝置測(cè)試值偏差小，組合流動(dòng)模型更適合描述圓盤(pán)反應(yīng)器高粘物料流動(dòng)特性。比較圖7和圖8轉(zhuǎn)產(chǎn)所需時(shí)間，由于添加劑恢復(fù)過(guò)程采用優(yōu)化添加方案，能夠有效縮短過(guò)渡時(shí)間、大幅減少過(guò)渡料產(chǎn)量。

3　結(jié)　論

利用組合流動(dòng)模型能夠有效地描述聚酯圓盤(pán)反應(yīng)器內(nèi)物料流動(dòng)特性，從而提高品種轉(zhuǎn)產(chǎn)計(jì)算的準(zhǔn)確度。聚酯添加劑轉(zhuǎn)產(chǎn)計(jì)算中采用組合流動(dòng)模型，可以完善轉(zhuǎn)產(chǎn)方案，達(dá)到縮短過(guò)渡時(shí)間、減少過(guò)渡料、增加企業(yè)生產(chǎn)效益的目的。

[1]王金堂，吳桂香，王余偉．聚酯催化劑加入位置調(diào)整過(guò)程的平穩(wěn)過(guò)渡[J]．聚酯工業(yè)，2006，19(5)：23-24．

[2]謝小華．聚酯轉(zhuǎn)產(chǎn)過(guò)程模擬分析[J]．合成技術(shù)及應(yīng)用，2002，17(3)：11-14．

[3]江濤．瓶用聚酯第三單體快速過(guò)渡方法的研究[J]．合成技術(shù)及應(yīng)用，2005，20(3)：34-37．

[4]楊忠兵，曾文兵，李利軍．PET裝置在線(xiàn)轉(zhuǎn)產(chǎn)中過(guò)渡時(shí)間與過(guò)渡料的控制[J]．合成纖維工業(yè)，2013，36(2)：61-63．

[5]項(xiàng)飛．優(yōu)化瓶片轉(zhuǎn)產(chǎn)過(guò)渡時(shí)間的數(shù)學(xué)模型[J]．聚酯工業(yè)，2012，25(6)：15-19．

[6]Cloutier L, Choiette A. Mixing efficiency determinations for continuous flow systems[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 1959, 37(3): 105-112.

[7]Cholette A, Cloutier L. Effect of various parameters on the level of mixing in continuous flow systems[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 1968, 46(2): 82-88.

[8]Moo-Young M, Chan K W.Non-ideal flow parameters for viscous fluids flowing through stirred tanks[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 1971, 49(2): 187-194.

[9]M. 貝倫斯，H. 霍夫曼，A. 林肯編．化學(xué)反應(yīng)工程[M]．北京：中國(guó)石化出版社，1994：408．

[10] J.謝爾斯，T.E.朗編．現(xiàn)代聚酯[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：68-69．

[11] H.福格勒編．化學(xué)反應(yīng)工程[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：635-637．

Application of the combined flow model in the transition production of PET plant

Wang Yuwei1, Wang Jintang1,2, Zhang Jinfeng1,2,Zhu Xingsong1

(1.ResearchInstituteofSinopecYizhengChemicalFibreL.L.C.,YizhengJiangsu211900,China；2.JiangsuKeyLaboratoryofHighPerformanceFiber,YizhengJiangsu211900，China)

A combined flow model which consists of a plug flow region and a backmix region in parallel with dead space in series for describing material flow characteristics in disc-ring polycondensation reactor was proposed. Influence factors of the combined flow model on residence time distribution were studied. The combined flow model was applied to additives grade transition for PET plant. The results indicated that accuracy was greatly improved, and the degree of backmixing of high-viscous material in disc-ring reactor was reasonably characterized by the combined flow model.

combined flow model；transition production；disc-ring reactor；PET

2016-06-13

王余偉(1981-)，江蘇儀征人，工程師，主要從事化工流程模擬及聚酯新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。

TQ051.7

B

1006-334X(2016)03-0025-04