淺談化工工藝生產中的聚合過程

陳淑敏 于慧娟 高東峰

摘 要：全世界聚合物的年生產能力按體積計可與金屬材料相當，并且它們以二倍于鋼鐵生產的速度（每年增加12%～15%）逐步代替金屬、木材及水泥等結構材料。鑒于此，本文對化工工藝生產中聚合過程進行了分析探討，僅供參考。

關鍵詞：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稱為聚合反應。可分為加聚反應和縮聚反應，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，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，逐步結合形成高分子化合物的反應。按聚合機理或動力學可將聚合反應分為連鎖聚合和逐步聚合。

目前，全世界聚合物的年生產能力按體積計可與金屬材料相當，并且它們以二倍于鋼鐵生產的速度（每年增加12%～15%）逐步代替金屬、木材及水泥等結構材料。對聚合過程主要是研究從小試放大到工業規模的聚合過程，以聚合動力學和聚合物系傳遞為基礎，進行聚合反應器操作特性的分析和放大設計、聚合過程反應規劃和技術開發等應用性基礎研究。

2 化工工藝生產中的聚合過程

2.1 聚合釜攪拌流場分析

2.1.1 攪拌流場數值模擬

應用FLUENT流場分析軟件對PVC聚合釜攪拌系統做優化設計，考察了不同擋板附件及槳葉結構對流動各項參數的影響，為聚合釜內的攪拌過程提供了優化參考方案。

計算模型以聚合釜內流體域為計算域，網格劃分采用六面體和四面體網格相結合的方法，并對槳葉區的網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，湍流模型采用RANS的標準k-？模型。槳葉區的動靜禍合采用近似穩態的多重參考系（MRF）法。固壁采用無滑移固壁條件并采用標準壁面函數處理近壁區域流動。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差分格式。收斂殘差設定為10-4，計算直至收斂。

計算結果表明，優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鍵因數是槳葉對液體的剪切率達2.58和釜內液體的循環次數達4.45次/min。分析表明在攪拌轉速60～100轉/min的范圍內，該槳型在釜內的高剪切區幾乎充滿整個流體范圍。

2.1.2 攪拌模擬試驗

采用冷態模擬法測量聚合釜的攪拌特性，有機玻璃實驗釜結構尺寸與耐聚合釜保持幾何相似，槳葉和擋板均為可拆結構，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速傳感器，測定攪拌器的扭矩、轉速和功率等，循環特性測定采用浮動粒子法，攪拌混合時間采用褪色法，流動狀態觀察采用示蹤粒子目測法。

2.2 計算機在聚合過程中的應用

隨著計算機技術的發展，計算機逐漸引入聚合反應工程這一領域，無論在理論基礎，還是工業實際應用方面，均獲得了豐碩的成果。計算機已成為聚合過程分析、設計、控制的重要手段和工具，使聚合反應工程研究不斷深化和發展。計算機的應用可概括為三個方面：計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助監測（CAM）和計算機控制。

2.3 改進聚合反應器的性能

現今合成高聚物工廠單線生產能力可達每年50萬噸，聚合反應釜的容積已達200m3。聚合過程的另一個研究方向是使所設計的反應器能夠滿足預定聚合物質量和產量的要求。這將涉及操作特性、選擇性、穩定性和安全性問題。

2.4 聚合動力學和模型化

模型化可以節省實驗時間，減少昂貴的設備，因此可以說模型化是反應工程的靈魂。自由基聚合和縮聚反應機理比較成熟，成為模型化研究的主要對象。聚合動力學可分為微觀和宏觀兩類。高分子化學側重低轉化率時的微觀動力學研究，其目的是揭示機理，提供基元反應速率常數。聚合反應工程則側重伴有傳遞因素在內的高轉化率下的宏觀動力學，目的在于過程控制。

動力學模型化主要是建立操作參數與聚合速率、聚合物質量間的定量關系。反應器模型化除此之外，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。聚合動力學模型化的最終目的是便于工業上計算機控制。正確的聚合機理和可靠的動力學、熱力學數據是模型化成功的基礎。

模型化一般經下列步驟：提出機理，列出物料衡算方程組；實驗驗證，應用于工業控制；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 結束語

目前，全世界聚合物的年生產能力按體積計可與金屬材料相當，并且它們以二倍于鋼鐵生產的速度（每年增加12%～15%）逐步代替金屬、木材及水泥等結構材料。對聚合過程主要是研究從小試放大到工業規模的聚合過程，以聚合動力學和聚合物系傳遞為基礎，進行聚合反應器操作特性的分析和放大設計、聚合過程反應規劃和技術開發等應用性基礎研究。對聚合過程主要是研究從小試放大到工業規模的聚合過程，以聚合動力學和聚合物系傳遞為基礎，進行聚合反應器操作特性的分析和放大設計、聚合過程反應規劃和技術開發等應用性基礎研究。

參考文獻：

[1]焦利賓.提高界面膠結強度的無皂膠乳水泥和前置液的研究[D].成都：西南石油大學，2015.

[2]楊靖華.路易斯酸催化碳九餾分中烯烴聚合過程研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2015.

[3]何亮.基于Polymer plus的乙烯氣相本體聚合過程的模擬與優化[D].武漢：武漢理工大學，2015.