淺談化工工藝生產(chǎn)中的聚合過程

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，本文對化工工藝生產(chǎn)中聚合過程進行了分析探討，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)。可分為加聚反應(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)，后者指以具有兩個或兩個以上官能團的低分子化合物為單體，通過這些官能團的反應(yīng)，逐步結(jié)合形成高分子化合物的反應(yīng)。按聚合機理或動力學(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，以聚合動力學(xué)和聚合物系傳遞為基礎(chǔ)，進行聚合反應(yīng)器操作特性的分析和放大設(shè)計、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PVC聚合釜攪拌系統(tǒng)做優(yōu)化設(shè)計，考察了不同擋板附件及槳葉結(jié)構(gòu)對流動各項參數(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。

計算模型以聚合釜內(nèi)流體域為計算域，網(wǎng)格劃分采用六面體和四面體網(wǎng)格相結(jié)合的方法，并對槳葉區(qū)的網(wǎng)格進行了局部加密處理。文中各計算條件流動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。采用有限體積法對控制方程進行離散，分離式求解器求解，壓力和速度的禍合采用SIMPLE算法，對流項的離散使用二階迎風(fēng)差分格式。收斂殘差設(shè)定為10-4，計算直至收斂。

計算結(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)幾乎充滿整個流體范圍。

2.1.2 攪拌模擬試驗

采用冷態(tài)模擬法測量聚合釜的攪拌特性，有機玻璃實驗釜結(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)，以便對不同型式的槳葉和擋板進行對比試驗。

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)特性測定采用浮動粒子法，攪拌混合時間采用褪色法，流動狀態(tài)觀察采用示蹤粒子目測法。

2.2 計算機在聚合過程中的應(yīng)用

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機逐漸引入聚合反應(yīng)工程這一領(lǐng)域，無論在理論基礎(chǔ)，還是工業(yè)實際應(yīng)用方面，均獲得了豐碩的成果。計算機已成為聚合過程分析、設(shè)計、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。計算機的應(yīng)用可概括為三個方面：計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助監(jiān)測（CAM）和計算機控制。

2.3 改進聚合反應(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。聚合過程的另一個研究方向是使所設(shè)計的反應(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 聚合動力學(xué)和模型化

模型化可以節(jié)省實驗時間，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)機理比較成熟，成為模型化研究的主要對象。聚合動力學(xué)可分為微觀和宏觀兩類。高分子化學(xué)側(cè)重低轉(zhuǎn)化率時的微觀動力學(xué)研究，其目的是揭示機理，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)化率下的宏觀動力學(xué)，目的在于過程控制。

動力學(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、流動模型、混合模型及傳熱模型等。聚合動力學(xué)模型化的最終目的是便于工業(yè)上計算機控制。正確的聚合機理和可靠的動力學(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：提出機理，列出物料衡算方程組；實驗驗證，應(yīng)用于工業(yè)控制；對模型做出修正。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，以聚合動力學(xué)和聚合物系傳遞為基礎(chǔ)，進行聚合反應(yīng)器操作特性的分析和放大設(shè)計、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，以聚合動力學(xué)和聚合物系傳遞為基礎(chǔ)，進行聚合反應(yīng)器操作特性的分析和放大設(shè)計、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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