自由基反應(yīng)擠出過(guò)程的數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、反應(yīng)擠出技術(shù)是化學(xué)反應(yīng)與擠出成型相集成的高新技術(shù)。以螺桿擠出機(jī)作為反應(yīng)器，反應(yīng)物和完成反應(yīng)所必需的引發(fā)劑、催化劑等在連續(xù)擠出過(guò)程中完成預(yù)定的化學(xué)反應(yīng)，合成為期望的聚合物，然后通過(guò)在擠出機(jī)機(jī)頭安裝的口模成型得到相應(yīng)制品。因周期短、生產(chǎn)連續(xù)、能耗低、環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，具有良好的發(fā)展前景。 反應(yīng)擠出過(guò)程是物理流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)、傳熱與傳質(zhì)并存且相互影響的復(fù)雜過(guò)程，體系通常處于非等溫、非等壓和高剪切速率的復(fù)雜外場(chǎng)條件

2、下，此外，反應(yīng)擠出本身還存在一些特殊的工藝要求，如較高的反應(yīng)速率、滿足熱傳導(dǎo)條件、較高的轉(zhuǎn)化率等，很難用經(jīng)典反應(yīng)器理論方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝進(jìn)行定量、實(shí)時(shí)研究與控制。解決上述問(wèn)題的有效方法之一是開展反應(yīng)擠出過(guò)程的數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)，定量揭示化學(xué)反應(yīng)對(duì)于高分子材料結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能的影響規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、材料組分和反應(yīng)加工條件，擴(kuò)大反應(yīng)擠出技術(shù)的應(yīng)用范圍?？梢姡菊n題具有重要的科學(xué)意義，并且具有廣闊的工程應(yīng)用前景。 通常的數(shù)值

3、模擬采用一維的沿螺槽軸向展開的反應(yīng)器模型，在模擬過(guò)程中一般簡(jiǎn)化處理各種因素之間的耦合作用，基本不涉及高分子材料物理化學(xué)性能的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律的分析、材料組分和反應(yīng)加工條件的優(yōu)化設(shè)計(jì)等內(nèi)容。本文以自由基聚合及接枝改性體系作為研究對(duì)象，綜合應(yīng)用機(jī)械科學(xué)、高分子化學(xué)與物理、高分子反應(yīng)統(tǒng)計(jì)理論、計(jì)算流體力學(xué)、工程優(yōu)化與軟件工程等學(xué)科知識(shí)，從宏觀尺度模擬反應(yīng)擠出過(guò)程的化學(xué)流變行為，建立材料配方、反應(yīng)加工條件、材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間的函數(shù)關(guān)系；采用

4、半隱式、解耦合的數(shù)值逼近方法，解決在復(fù)雜的化學(xué)與物理?xiàng)l件下眾多場(chǎng)變量之間的相互耦合問(wèn)題；自主開發(fā)數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心程序，定量預(yù)測(cè)反應(yīng)擠出場(chǎng)量的演變，并輔助選擇反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和工藝操作參數(shù)，使反應(yīng)擠出過(guò)程實(shí)現(xiàn)可控化、最優(yōu)化。 主要工作與結(jié)論如下： 雙螺桿擠出機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體在流道內(nèi)發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致難以按照真實(shí)的擠出機(jī)結(jié)構(gòu)與工況模擬其內(nèi)部的復(fù)雜流變。本文根據(jù)緊密嚙合同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

5、，將每一個(gè)順螺槽料流的流道沿螺槽軸向展開，分析得到展開長(zhǎng)度、橫截面寬度、深度與橫截面面積等特征參數(shù)的計(jì)算式，在此基礎(chǔ)上，忽略物料在兩螺桿間傳遞的非主流運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)模型截面形狀進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，建立了等效的軸對(duì)稱反應(yīng)器模型。將實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的邊界工況，即螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)流體的拖曳，以及機(jī)筒靜止對(duì)流體的阻礙，等效處理為流道模型全部周壁通過(guò)作軸向移動(dòng)對(duì)流道內(nèi)的流體進(jìn)行拖曳，同時(shí)假定流道模型處于全充滿狀態(tài)，為整個(gè)反應(yīng)擠出過(guò)程的數(shù)值模擬提供了空間模型。

6、 結(jié)合上述空間模型，給出了反應(yīng)擠出過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)、材料結(jié)構(gòu)場(chǎng)與化學(xué)流變場(chǎng)的基本控制方程：根據(jù)自由基反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論，構(gòu)建了自由基均聚及接枝反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，得到了反應(yīng)速率、單體濃度、單體轉(zhuǎn)化率、引發(fā)劑濃度的計(jì)算式；根據(jù)高分子反應(yīng)統(tǒng)計(jì)理論，考慮相對(duì)分子質(zhì)量三層意義上的統(tǒng)計(jì)平均--瞬時(shí)生成的聚合物平均相對(duì)分子質(zhì)量、考慮了歷史累積效應(yīng)的聚合物平均相對(duì)分子質(zhì)量與同時(shí)考慮反應(yīng)物和產(chǎn)物的整個(gè)材料體系的平均相對(duì)分子質(zhì)量--構(gòu)建了每個(gè)層次數(shù)均、重均

7、相對(duì)分子質(zhì)量的計(jì)算式；給出了黏性不可壓縮流體流動(dòng)過(guò)程的連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程和邊界條件；根據(jù)高分子物理學(xué)，建立了反應(yīng)體系的零剪切黏度、表觀黏度與工藝條件、材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系式。 應(yīng)用控制容積積分法（Control Volume Integration）導(dǎo)出了對(duì)流-擴(kuò)散方程的離散表達(dá)式，引入交錯(cuò)網(wǎng)格技術(shù)與SIMPLE算法，實(shí)現(xiàn)了耦合的壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)的分離式求解，推導(dǎo)得到了流體的流動(dòng)速度、壓力等物理量的數(shù)值計(jì)算式；采用向后差分方法和增量方

8、法，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)、材料結(jié)構(gòu)場(chǎng)、化學(xué)流變場(chǎng)控制方程的離散，獲得了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、聚合物平均相對(duì)分子質(zhì)量、流體黏度等物理量的數(shù)值計(jì)算式。 采用半隱式、解耦合的數(shù)值逼近方法，解決了在復(fù)雜的化學(xué)與物理?xiàng)l件下眾多場(chǎng)變量之間的相互耦合問(wèn)題，開發(fā)了自由基聚合反應(yīng)擠出過(guò)程數(shù)值模擬的核心程序和自由基接枝反應(yīng)擠出過(guò)程數(shù)值模擬的核心程序。在給定的初始條件和邊界條件下，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程、平均相對(duì)分子質(zhì)量計(jì)算式與化學(xué)流變本構(gòu)

9、方程的數(shù)值求解。 運(yùn)行自由基聚合反應(yīng)擠出過(guò)程的數(shù)值模擬程序，模擬了甲基丙烯酸正丁酯的反應(yīng)擠出過(guò)程，獲得了單體轉(zhuǎn)化率、聚合物平均相對(duì)分子質(zhì)量、流體表觀黏度等場(chǎng)變量的演變情況，單體轉(zhuǎn)化率的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合一致。討論了凝膠效應(yīng)及流率對(duì)反應(yīng)擠出場(chǎng)量的影響，分析了在聚合反應(yīng)擠出過(guò)程中調(diào)控高分子材料結(jié)構(gòu)與流變性質(zhì)的規(guī)律，為設(shè)備參數(shù)與工藝操作參數(shù)的選擇提供了理論依據(jù)。 運(yùn)行自由基接枝反應(yīng)擠出過(guò)程的數(shù)值模擬程序，模擬了乙烯基硅烷、

10、丙烯酸及甲基丙烯酸甲酯接枝聚乙烯的反應(yīng)擠出過(guò)程。獲得了接枝度、均聚物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均相對(duì)分子質(zhì)量與材料黏度等場(chǎng)變量的動(dòng)態(tài)演變情況，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。討論了材料組成與工藝參數(shù)對(duì)接枝行為的影響規(guī)律，分析了提高接枝度與接枝效率的有效方法。 在數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，開展了反應(yīng)擠出過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。以反應(yīng)擠出過(guò)程的有限容積模擬作為目標(biāo)函數(shù)求解方法，以遺傳算法作為搜索尋優(yōu)方法，開發(fā)了反應(yīng)擠出過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。針對(duì)自由基聚合反應(yīng)擠出過(guò)程