淺談化工工藝生產(chǎn)中的聚合過程

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摘 要：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。

關(guān)鍵詞：化工； 工藝；聚合過程； 研究方向

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。

1.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。

2.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。

3.攪拌聚合釜的放大設(shè)計(jì)

80%以上的聚合反應(yīng)器是攪拌釜，約80%攪拌釜用作聚合反應(yīng)器，其他在一般化工、石油化工、精細(xì)化工、生物化工等部門也得到廣泛的應(yīng)用。因此攪拌聚合釜的放大技術(shù)是研究聚合過程的方向之一。

聚合釜是聚合物生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其放大設(shè)計(jì)合理與否影響到聚合過程的成敗，如生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益乃至安全事故。欲使聚合釜放大成功，首先需了解混合對(duì)聚合過程的影響。聚合速率等于或快于混勻速率，或伴有傳質(zhì)的聚合反應(yīng)時(shí)要求加快混勻，即要求快速混勻。傳熱、互溶液體的混合、固體懸浮以及慢反應(yīng)等對(duì)攪拌混合要求則不甚高。

4.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(cè)（CAM）和計(jì)算機(jī)控制。

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。

參考文獻(xiàn)：

[1]李鈺，李懋星.石油化工生產(chǎn)的設(shè)計(jì)[J].化學(xué)設(shè)備與管道，2008，（3）.

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