基于組合流動模型在聚酯轉產過渡中的應用

王余偉王金堂張金峰朱興松

(1. 中國石化儀征化纖有限責任公司研究院，江蘇儀征　211900；2.江蘇省高性能纖維重點實驗室，江蘇儀征　211900)

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應用技術

基于組合流動模型在聚酯轉產過渡中的應用

王余偉1，王金堂1，2，張金峰1，2，朱興松1

(1. 中國石化儀征化纖有限責任公司研究院，江蘇儀征211900；2.江蘇省高性能纖維重點實驗室，江蘇儀征211900)

為了描述聚酯圓盤反應器物料流動特性，筆者提出一種包括平推區、全混區、死區在內的組合流動模型，研究組合流動模型參數對停留時間分布特性的影響，并將組合流動模型用于聚酯添加劑轉產計算。研究表明，組合流動模型能夠顯著提高計算精度，并合理表征圓盤反應器內高粘物料返混程度。

組合流動模型轉產過渡圓盤反應器聚酯

為了滿足市場多樣性需求，聚酯企業需要頻繁地進行轉產和牌號切換。在品種轉換過程中會產生大量過渡料，減少裝置正常生產時間，企業生產效益受到影響，因此轉產過渡問題已成為聚酯工業先進生產的一個重要研究內容[1-5]。

聚酯轉產過渡計算重點求解反應器出口物料濃度對于入口物料濃度的變化響應曲線，與過程物料流動模型密切相關。由于實際反應器不同程度的返混會引起物料流動偏離理想流動，實際反應器流動狀況往往被看成若干理想流動模型的組合。對于實際攪拌釜式反應器物料流動，Cholette等[6-7]認為是全混區、短路流、停滯區(死區)的并聯組合；而Moo-Young等[8]則認為是雙全混區、停滯區、平推流的串聯組合。實際管式反應器物料流動常用多釜串聯模型(池模型)或擴散模型描述。

聚酯品種切換都要涉及圓盤反應器，然而圓盤反應器內物料流動狀況鮮有報道。聚酯圓盤反應器內的反應為液相緩慢反應，且物料為高粘介質，反應器內層流區域的分散不可被忽略[9]。為了描述圓盤反應器內物料的返混與停滯，本文提出一種組合流動模型并用于聚酯品種轉換。

1　過程分析

1.1聚酯終縮反應器

國內代表性聚酯工藝為吉瑪工藝，其最終縮聚反應器習慣上稱為圓盤反應器，結構簡圖如圖1所示，是聚酯生產最關鍵的設備之一，對產品質量和產量起著決定性的作用。熔體粘度在圓盤反應器反應過程中急劇上升，280 ℃時一般由進料的0.8 Pa·s增至出料的400 Pa·s[10]。

圖1　吉瑪工藝最終縮聚反應器結構簡圖

1.2組合流動模型的推導

圓盤反應器為多室多盤環結構，高粘物料流經各室及盤環會出現返混和停滯，本文提出了如圖2所示的組合流動模型。該組合流動模型結構為平推流與全混流的并聯區，再與停滯區串聯。平推區物料流動是平推流(又稱活塞流)，全混區描述反應器物料間的返混，停滯區則描述物料無法流動的區域。

圖2　組合流動模型

由化學反應工程[11]理想全混反應器停留時間分布函數，可以推導出組合流動模型的全混區物料出口濃度Cb與入口濃度C0關系式，如式(1)。

(1)

式中θ為無因次量，θ=t/τ，其中t為時間，τ為平均停留時間(τ=V/υ，V為反應器總體積、υ為體積流量)。α為滯留區域所占總體積的分率，β為平推流區域占有效體積的分率，γ為流量分率。

工程計算常采用多釜串聯模型(池模型)模擬物料平推流動。多釜串聯模型將平推區視為N個相同體積理想全混反應器的串聯，因為每個反應器傳遞函數相同，則N個串聯反應器的分布函數可由各分布函數逐一卷乘來確定。限于篇幅，本文不再贅述具體推導過程。組合流動模型平推區物料出口濃度Cp與入口濃度C0關系如式(2)。

(2)

式中N為串聯反應器的數目。

(3)

組合流動模型為四參數模型，可以通過最小二乘法對過程出口濃度C分析值進行擬合插值和數據處理，計算出N、α、β、γ。相比于圓盤反應器平推區，進入到全混區的物料的體積流量較少、所占體積較小、物料停留時間較長，因此β>0.5、γ>β。

1.3組合流動模型參數對停留時間分布特性的影響

模型參數N對圓盤反應器出口物料濃度對于入口物料濃度的變化響應曲線的影響如圖3所示。

圖3　組合流動模型參數N的影響(α=0、β=0.8、γ=0.9)

隨著串聯數目N增大，平推區物料流動特性越接近理想平推流。當N趨向于無窮大時，其平推區域流動特性與理想平推流一致。由于受到全混區物料返混的影響，C/C0未趨向于1。

模型參數α對圓盤反應器出口物料濃度對于入口物料濃度的變化響應曲線的影響如圖4所示。

圖4　組合流動模型參數α的影響(β=0.8、γ=0.9、N=20)

隨著組合流動模型參數α增加，滯留區體積隨之增加，反應器有效體積逐漸減少，導致平推區和全混區物料停留時間逐漸減少，過程濃度變化加速，濃度變化響應曲線向左平移。

隨著平推區有效體積分率β降低，平推區停留時間縮短，而全混區停留時間則增加。模型參數β對圓盤反應器出口物料濃度對于入口物料濃度的變化響應曲線的影響如圖5所示。由于反應器物料主要流入平推區(γ=0.9)，因此前期濃度變化響應曲線主要受平推區影響，反應器出口濃度變化增快，而后期則主要受起全混區返混的影響，反應器出口濃度增速變緩。

圖5　組合流動模型參數β的影響(α=0、γ=0.9、N=20)

改變流量分率γ同時影響進料體積比例和平推區和全混區的停留時間。模型參數γ對圓盤反應器出口物料濃度對于入口物料濃度的變化響應曲線的影響如圖6所示。

圖6　組合流動模型參數γ的影響(α=0、β=0.8、N=20)

隨著γ的增加，平推區影響比例逐漸增加，出口物料濃度變化趨向于理想平推流；同時隨著γ的增加，平推區停留時間會縮短、全混區停留時間則增加，濃度變化響應曲線向左移動。

2　組合流動模型在聚酯裝置上的應用

在吉瑪工藝聚酯裝置上進行添加劑品種轉換，轉產用添加劑從第二酯化反應器加入情況居多，此時轉產涉及第二酯化反應器至終縮圓盤反應器在內的四個反應器，物料在四個反應器內總停留時間約7 h。利用裝置歷史轉產數據，擬合圓盤反應器物料平均停留時間τ、組合流動模型參數N、α、β、γ以及多釜串聯模型參數N’，并將組合流動模型和多釜串聯模型分別用于轉產過渡計算。

聚酯裝置停止加入添加劑，產品中的添加劑濃度逐漸降低。轉產開始之后圓盤反應器出料中的添加劑濃度變化如圖7所示。

圖7　停止加入添加劑聚酯圓盤反應器出料中添加劑濃度變化

由圖7可知，多釜串聯模型轉產前期(<15 h)預測值與裝置分析值接近，但轉產后期預測值明顯低于分析值，裝置添加劑過渡時間遠長于多釜串聯模型所計算的時間。而轉產全過程組合流動模型預測值均與測試值相吻合，組合流動模型參數β<1且γ<1，說明轉產過程中圓盤反應器部分物料存在返混，從而延長了裝置轉產時間。

在相同聚酯裝置相同工藝條件下，裝置恢復加入添加劑，并實施優化添加方案，轉產過程各反應器液位平穩，圓盤反應器出料中添加劑濃度變化如圖8。

圖8　恢復添加劑加入聚酯圓盤反應器出料中添加劑濃度變化

由圖8可知，相比于多釜串聯模型，組合流動模型預測值與裝置測試值偏差小，組合流動模型更適合描述圓盤反應器高粘物料流動特性。比較圖7和圖8轉產所需時間，由于添加劑恢復過程采用優化添加方案，能夠有效縮短過渡時間、大幅減少過渡料產量。

3　結　論

利用組合流動模型能夠有效地描述聚酯圓盤反應器內物料流動特性，從而提高品種轉產計算的準確度。聚酯添加劑轉產計算中采用組合流動模型，可以完善轉產方案，達到縮短過渡時間、減少過渡料、增加企業生產效益的目的。

[1]王金堂，吳桂香，王余偉．聚酯催化劑加入位置調整過程的平穩過渡[J]．聚酯工業，2006，19(5)：23-24．

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[3]江濤．瓶用聚酯第三單體快速過渡方法的研究[J]．合成技術及應用，2005，20(3)：34-37．

[4]楊忠兵，曾文兵，李利軍．PET裝置在線轉產中過渡時間與過渡料的控制[J]．合成纖維工業，2013，36(2)：61-63．

[5]項飛．優化瓶片轉產過渡時間的數學模型[J]．聚酯工業，2012，25(6)：15-19．

[6]Cloutier L, Choiette A. Mixing efficiency determinations for continuous flow systems[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 1959, 37(3): 105-112.

[7]Cholette A, Cloutier L. Effect of various parameters on the level of mixing in continuous flow systems[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 1968, 46(2): 82-88.

[8]Moo-Young M, Chan K W.Non-ideal flow parameters for viscous fluids flowing through stirred tanks[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 1971, 49(2): 187-194.

[9]M. 貝倫斯，H. 霍夫曼，A. 林肯編．化學反應工程[M]．北京：中國石化出版社，1994：408．

[10] J.謝爾斯，T.E.朗編．現代聚酯[M]．北京：化學工業出版社，2006：68-69．

[11] H.福格勒編．化學反應工程[M]．北京：化學工業出版社，2005：635-637．

Application of the combined flow model in the transition production of PET plant

Wang Yuwei1, Wang Jintang1,2, Zhang Jinfeng1,2,Zhu Xingsong1

(1.ResearchInstituteofSinopecYizhengChemicalFibreL.L.C.,YizhengJiangsu211900,China；2.JiangsuKeyLaboratoryofHighPerformanceFiber,YizhengJiangsu211900，China)

A combined flow model which consists of a plug flow region and a backmix region in parallel with dead space in series for describing material flow characteristics in disc-ring polycondensation reactor was proposed. Influence factors of the combined flow model on residence time distribution were studied. The combined flow model was applied to additives grade transition for PET plant. The results indicated that accuracy was greatly improved, and the degree of backmixing of high-viscous material in disc-ring reactor was reasonably characterized by the combined flow model.

combined flow model；transition production；disc-ring reactor；PET

2016-06-13

王余偉(1981-)，江蘇儀征人，工程師，主要從事化工流程模擬及聚酯新產品開發工作。

TQ051.7

B

1006-334X(2016)03-0025-04