聚酯反應動力學研究及反應器內(nèi)流場的模擬與優(yōu)化.pdf

1、聚酯為食品包裝、醫(yī)用材料等廣泛應用的重要合成材料之一。隨著食品工業(yè)的快速發(fā)展，聚酯包裝材料的需求量也隨之擴大，尤其是聚酯在食用油、調(diào)味類商品、酒類、奶制品等食品類包裝方面的需求量上升迅猛，并且聚酯材料亦出現(xiàn)向啤酒、白酒及乳制品滲透發(fā)展的趨勢。因此，提高聚酯企業(yè)的生產(chǎn)效率、降低能耗、改善聚酯的性能特性等已成為聚酯合成研究的熱點。
　　本文針對聚酯生產(chǎn)過程中效率低、生產(chǎn)周期長、酯化水中醇的含量高等問題，采集和分析實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，建立聚酯

2、反應過程動力學模型，優(yōu)化求解動力學參數(shù)，在此基礎上，采用計算流體力學（CFD）模擬反應器內(nèi)流場的變化規(guī)律，優(yōu)化攪拌槳的結(jié)構(gòu)參數(shù)。主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）根據(jù)采集的聚酯反應過程現(xiàn)場數(shù)據(jù)，分析對苯二甲酸和新戊二醇縮聚的反應歷程，根據(jù)其反應特性，將聚酯合成過程劃分為三個階段：直接酯化階段、預縮聚階段和終縮聚階段；采用結(jié)構(gòu)導向集總方法（Structure-Oriented Lump，簡稱SOL）和Flory理論，分別建立了對苯二甲酸

3、與新戊二醇聚合反應動力學三個階段的反應動力學模型。
　?。?）集成運用遺傳算法和最小二乘法分別確定了三個階段的反應動力學參數(shù)：I.直接酯化階段：反應級數(shù)為2級，正、逆反應活化能Ea分別為29.6 kJ/mol-1和93.7 kJ/mol-1，正、逆指前因子A分別為1.03×106kg/(mol-1·min-1)和6.4×104 kg/(mol-1·min-1)；
　　II.預縮聚階段：反應級數(shù)為2.2級，正、逆反應活化能Ea

4、分別為71.7 kJ/mol-1和167.9kJ/mol-1，正、逆指前因子A分別為1.21×106 kg1.2/(mol-1.2·min-1)和1.02×104 kg1.2/(mol-1.2·min-1)；
　　III.終縮聚階段：反應級數(shù)為2.5級，正、逆反應活化能Ea分別為134.8kJ/mol-1和236.1kJ/mol-1，正、逆指前因子 A分別為2.5×105 kg1.5/(mol-1.5·min-1)和1.62×10

5、4 kg1.5/(mol-1.5·min-1)；
　　并對上述三個階段的動力學模型進行驗證，其模型計算值和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的相關系數(shù)為0.9970-0.9980，吻合程度較好，模型可信。
　?。?）根據(jù)所建立的動力學模型對聚酯反應系統(tǒng)進行優(yōu)化，優(yōu)化后直接酯化階段、預縮聚階段、終縮聚階段的反應時間可分別縮短1h、1h和2h。整個聚酯合成反應時間理論上可縮短4h。
　　（4）本文利用計算流體力學FLUENT軟件，采用多重參考系法（

6、MRF）和標準k-ε模型對聚酯反應器內(nèi)流場進行流體力學模擬，得到目前運行工況（某企業(yè)）不同階段反應器內(nèi)流場的速度分布圖、速度矢量圖和攪拌功率，發(fā)現(xiàn)目前工況下反應器內(nèi)流場存在流體混合不均勻和反應器內(nèi)流體出現(xiàn)“死區(qū)”等現(xiàn)象。
　?。?）通過改變反應器內(nèi)攪拌槳形式（增加小攪拌槳）及攪拌槳結(jié)構(gòu)參數(shù)（半徑r=0.7m、0.8m、0.9m和傾斜角φ=30°、45°、60°）等方法，對反應器進行模擬與優(yōu)化，優(yōu)化得到攪拌槳轉(zhuǎn)速60r/min、攪拌