陳淑敏 于慧娟 高東峰

摘 要：全世界聚合物的年生產(chǎn)能力按體積計(jì)可與金屬材料相當(dāng)，并且它們以二倍于鋼鐵生產(chǎn)的速度（每年增加12%～15%）逐步代替金屬、木材及水泥等結(jié)構(gòu)材料。鑒于此，本文對(duì)化工工藝生產(chǎn)中聚合過程進(jìn)行了分析探討，僅供參考。

關(guān)鍵詞：化工工藝；聚合；過程

1 概述

由低分子單體合成聚合物的反應(yīng)稱為聚合反應(yīng)?？煞譃榧泳鄯磻?yīng)和縮聚反應(yīng)，前者指以含有重鍵的低分子化合物為單體，在光照、加熱或引發(fā)劑、催化劑等作用下，打開重鍵而相互加成聚合成高分子化合物的反應(yīng)，后者指以具有兩個(gè)或兩個(gè)以上官能團(tuán)的低分子化合物為單體，通過這些官能團(tuán)的反應(yīng)，逐步結(jié)合形成高分子化合物的反應(yīng)。按聚合機(jī)理或動(dòng)力學(xué)可將聚合反應(yīng)分為連鎖聚合和逐步聚合。

目前，全世界聚合物的年生產(chǎn)能力按體積計(jì)可與金屬材料相當(dāng)，并且它們以二倍于鋼鐵生產(chǎn)的速度（每年增加12%～15%）逐步代替金屬、木材及水泥等結(jié)構(gòu)材料。對(duì)聚合過程主要是研究從小試放大到工業(yè)規(guī)模的聚合過程，以聚合動(dòng)力學(xué)和聚合物系傳遞為基礎(chǔ)，進(jìn)行聚合反應(yīng)器操作特性的分析和放大設(shè)計(jì)、聚合過程反應(yīng)規(guī)劃和技術(shù)開發(fā)等應(yīng)用性基礎(chǔ)研究。

2 化工工藝生產(chǎn)中的聚合過程

2.1 聚合釜攪拌流場分析

2.1.1 攪拌流場數(shù)值模擬

應(yīng)用FLUENT流場分析軟件對(duì)PVC聚合釜攪拌系統(tǒng)做優(yōu)化設(shè)計(jì)，考察了不同擋板附件及槳葉結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)各項(xiàng)參數(shù)的影響，為聚合釜內(nèi)的攪拌過程提供了優(yōu)化參考方案。

計(jì)算模型以聚合釜內(nèi)流體域?yàn)橛?jì)算域，網(wǎng)格劃分采用六面體和四面體網(wǎng)格相結(jié)合的方法，并對(duì)槳葉區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密處理。文中各計(jì)算條件流動(dòng)均處于完全湍流狀態(tài)，湍流模型采用RANS的標(biāo)準(zhǔn)k-？模型。槳葉區(qū)的動(dòng)靜禍合采用近似穩(wěn)態(tài)的多重參考系（MRF）法。固壁采用無滑移固壁條件并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理近壁區(qū)域流動(dòng)。采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，分離式求解器求解，壓力和速度的禍合采用SIMPLE算法，對(duì)流項(xiàng)的離散使用二階迎風(fēng)差分格式。收斂殘差設(shè)定為10-4，計(jì)算直至收斂。

計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)選的三層二葉徑向攪拌槳葉具有較好的攪拌效果。聚合過程要求的兩大關(guān)鍵因數(shù)是槳葉對(duì)液體的剪切率達(dá)2.58和釜內(nèi)液體的循環(huán)次數(shù)達(dá)4.45次/min。分析表明在攪拌轉(zhuǎn)速60～100轉(zhuǎn)/min的范圍內(nèi)，該槳型在釜內(nèi)的高剪切區(qū)幾乎充滿整個(gè)流體范圍。

2.1.2 攪拌模擬試驗(yàn)

采用冷態(tài)模擬法測量聚合釜的攪拌特性，有機(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)釜結(jié)構(gòu)尺寸與耐聚合釜保持幾何相似，槳葉和擋板均為可拆結(jié)構(gòu)，以便對(duì)不同型式的槳葉和擋板進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

攪拌測試采用扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，測定攪拌器的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率等，循環(huán)特性測定采用浮動(dòng)粒子法，攪拌混合時(shí)間采用褪色法，流動(dòng)狀態(tài)觀察采用示蹤粒子目測法。

2.2 計(jì)算機(jī)在聚合過程中的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)逐漸引入聚合反應(yīng)工程這一領(lǐng)域，無論在理論基礎(chǔ)，還是工業(yè)實(shí)際應(yīng)用方面，均獲得了豐碩的成果。計(jì)算機(jī)已成為聚合過程分析、設(shè)計(jì)、控制的重要手段和工具，使聚合反應(yīng)工程研究不斷深化和發(fā)展。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用可概括為三個(gè)方面：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助監(jiān)測（CAM）和計(jì)算機(jī)控制。

2.3 改進(jìn)聚合反應(yīng)器的性能

現(xiàn)今合成高聚物工廠單線生產(chǎn)能力可達(dá)每年50萬噸，聚合反應(yīng)釜的容積已達(dá)200m3。聚合過程的另一個(gè)研究方向是使所設(shè)計(jì)的反應(yīng)器能夠滿足預(yù)定聚合物質(zhì)量和產(chǎn)量的要求。這將涉及操作特性、選擇性、穩(wěn)定性和安全性問題。

2.4 聚合動(dòng)力學(xué)和模型化

模型化可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，減少昂貴的設(shè)備，因此可以說模型化是反應(yīng)工程的靈魂。自由基聚合和縮聚反應(yīng)機(jī)理比較成熟，成為模型化研究的主要對(duì)象。聚合動(dòng)力學(xué)可分為微觀和宏觀兩類。高分子化學(xué)側(cè)重低轉(zhuǎn)化率時(shí)的微觀動(dòng)力學(xué)研究，其目的是揭示機(jī)理，提供基元反應(yīng)速率常數(shù)。聚合反應(yīng)工程則側(cè)重伴有傳遞因素在內(nèi)的高轉(zhuǎn)化率下的宏觀動(dòng)力學(xué)，目的在于過程控制。

動(dòng)力學(xué)模型化主要是建立操作參數(shù)與聚合速率、聚合物質(zhì)量間的定量關(guān)系。反應(yīng)器模型化除此之外，還可能包括黏度變化模型、流動(dòng)模型、混合模型及傳熱模型等。聚合動(dòng)力學(xué)模型化的最終目的是便于工業(yè)上計(jì)算機(jī)控制。正確的聚合機(jī)理和可靠的動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)數(shù)據(jù)是模型化成功的基礎(chǔ)。

模型化一般經(jīng)下列步驟：提出機(jī)理，列出物料衡算方程組；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，應(yīng)用于工業(yè)控制；對(duì)模型做出修正。模型化工作往往是不斷考核和修正的過程。

3 結(jié)束語

目前，全世界聚合物的年生產(chǎn)能力按體積計(jì)可與金屬材料相當(dāng)，并且它們以二倍于鋼鐵生產(chǎn)的速度（每年增加12%～15%）逐步代替金屬、木材及水泥等結(jié)構(gòu)材料。對(duì)聚合過程主要是研究從小試放大到工業(yè)規(guī)模的聚合過程，以聚合動(dòng)力學(xué)和聚合物系傳遞為基礎(chǔ)，進(jìn)行聚合反應(yīng)器操作特性的分析和放大設(shè)計(jì)、聚合過程反應(yīng)規(guī)劃和技術(shù)開發(fā)等應(yīng)用性基礎(chǔ)研究。對(duì)聚合過程主要是研究從小試放大到工業(yè)規(guī)模的聚合過程，以聚合動(dòng)力學(xué)和聚合物系傳遞為基礎(chǔ)，進(jìn)行聚合反應(yīng)器操作特性的分析和放大設(shè)計(jì)、聚合過程反應(yīng)規(guī)劃和技術(shù)開發(fā)等應(yīng)用性基礎(chǔ)研究。

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