基于計算流體力學(xué)的高壓聚乙烯釜式反應(yīng)器的模擬研究.pdf

1、高壓聚乙烯(LDPE)釜式反應(yīng)器是釜式法工藝的關(guān)鍵設(shè)備。其具有高高徑比、復(fù)雜的多層攪拌結(jié)構(gòu)。反應(yīng)器中形成的復(fù)雜非理想流動與反應(yīng)過程密切相關(guān)，不僅決定自由基聚合反應(yīng)的速率和轉(zhuǎn)化率，而且對產(chǎn)物的分子量分布以及長短支鏈分布有著重大影響。但是目前，對于LDPE釜式反應(yīng)器中混合流動規(guī)律、混合與反應(yīng)間的相互作用規(guī)律、混合對產(chǎn)品性能的影響，特別是微觀混合對長短支鏈分布的影響等研究仍存在許多不足。并且由于高壓聚乙烯的生產(chǎn)條件為高溫(200～300℃)、

2、高壓(2000～3000 atm)，很難通過實驗室條件對反應(yīng)器工藝進(jìn)行研究。因此，本文采用計算流體力學(xué)(CFD)的方法，分別對LDPE釜式反應(yīng)器冷模實驗裝置的宏觀混合特性和微觀混合特性進(jìn)行模擬研究，模擬結(jié)果與冷模實驗相比較，驗證了所建立模型的可靠性;并進(jìn)一步對反應(yīng)器的宏觀混合特征和微觀混合特征進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，耦合聚合動力學(xué)模型，對工業(yè)LDPE釜式反應(yīng)器進(jìn)行模擬，分析了工業(yè)尺度下反應(yīng)器中宏觀混合流動、傳熱和化學(xué)反應(yīng)間的相互作用;進(jìn)一

3、步耦合微觀混合模型，探討了微觀混合對長短支鏈反應(yīng)的影響，揭示了LDPE釜式反應(yīng)器生產(chǎn)的聚合物產(chǎn)品中具有較高長支鏈的原因所在。主要研究內(nèi)容和成果包括:
　　(1)以具有32層攪拌槳的工業(yè)LDPE釜式反應(yīng)器的冷模實驗裝置為對象，對反應(yīng)器的宏觀混合特性進(jìn)行模擬研究，揭示了反應(yīng)器中的宏觀流動規(guī)律。模擬結(jié)果顯示，混合特性曲線的模擬值與實驗值有很好的一致性。停留時間分布曲線的模擬值與實驗值具有很好的一致性。平均停留時間tm的最小誤差為2.78

4、％，最大為10.85％。無因次方差σ/tm的最小誤差為3.12％，最大為17.68％。這驗證了用CFD模擬復(fù)雜多層攪拌槳的LDPE釜式反應(yīng)器的可行性。對LDPE釜式反應(yīng)器的宏觀流動特征進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，LDPE釜式反應(yīng)器中存在兩個反應(yīng)分區(qū)。每個反應(yīng)分區(qū)由攪拌軸附近向上的軸向流和壁面附近向下的軸向流構(gòu)成大循環(huán)。大循環(huán)之間存在許多徑向小循環(huán)。在此基礎(chǔ)上，建立了LDPE釜式反應(yīng)器雙分區(qū)組合模型。
　　(2)將聚合反應(yīng)動力學(xué)模型與CFD

5、模擬相耦合，對工業(yè)LDPE釜式反應(yīng)器進(jìn)行模擬，研究了工業(yè)尺度下反應(yīng)器中宏觀混合流動、傳熱和化學(xué)反應(yīng)間的相互作用。模擬得到的穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)條件下的溫度分布與工業(yè)實際溫度分布符合度較好，平均誤差為0.74％，充分說明了CFD建模的可靠性。對反應(yīng)器中溫度分布、濃度分布（引發(fā)劑、自由基、單體、聚合物）規(guī)律進(jìn)行分析討論。引入矩方法，對聚合物產(chǎn)品性能（重均分子量、數(shù)均分子量、分子量分布指數(shù)）進(jìn)行預(yù)測。將反應(yīng)器中混合物料的粘度變化與聚合過程相耦合，研究反應(yīng)

6、器中粘度的分布規(guī)律。引入長短支鏈的計算，對反應(yīng)器中長短支鏈的分布進(jìn)行分析。并發(fā)現(xiàn)微觀尺度下混合不均勻?qū)﹂L短支鏈反應(yīng)選擇性的影響尤為重要。
　　(3)以具有32層攪拌槳的工業(yè)LDPE釜式反應(yīng)器的冷模實驗裝置為對象，通過在CFD中耦合微觀混合模型，建立有限速率/渦耗散-卷吸模型（FR/ED-E），對反應(yīng)器的微觀混合特性進(jìn)行模擬研究。模擬結(jié)果與微觀混合實驗相比較，最小誤差為0.79％，最大為8.57％，充分說明了所建立模型的可靠性。進(jìn)一

7、步對反應(yīng)器的微觀混合特性進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，LDPE釜式反應(yīng)器中不同注入點位置的微觀混合性能存在明顯差異，并且對平行競爭反應(yīng)的選擇性有很大影響。注入點a1有利于快反應(yīng)的發(fā)生，而注入點a2、a4有利于慢反應(yīng)的發(fā)生。
　　(4)將聚合反應(yīng)動力學(xué)模型、微觀混合模型與計算流體力學(xué)相耦合，對工業(yè)LDPE釜式反應(yīng)器進(jìn)行模擬，研究了工業(yè)尺度下反應(yīng)器中微觀混合對長短支鏈反應(yīng)的影響規(guī)律，進(jìn)一步揭示了LDPE釜式反應(yīng)器生產(chǎn)的聚合物產(chǎn)品中具有較高長支鏈

8、的原因所在。研究發(fā)現(xiàn)，耦合微觀混合模型得到的溫度分布與工業(yè)數(shù)據(jù)的擬合度更好，平均誤差由原先的0.74％減小為0.10％。模擬得到的長短支鏈分布與實際工業(yè)生產(chǎn)更為接近，這說明LDPE釜式反應(yīng)器中的微觀混合對長短支鏈反應(yīng)的影響尤為重要。
　　分析反應(yīng)器中微觀混合對長短支鏈反應(yīng)的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，長鏈支化反應(yīng)主要由動力學(xué)所控制，而短鏈支化反應(yīng)受到釜式反應(yīng)器非理想微觀混合的影響，主要由湍流混合所控制。反應(yīng)分區(qū)的前段有利于短支鏈生成，而在