基于组合流动模型在聚酯转产过渡中的应用

王余伟王金堂张金峰朱兴松

(1. 中国石化仪征化纤有限责任公司研究院，江苏仪征　211900；2.江苏省高性能纤维重点实验室，江苏仪征　211900)



应用技术

基于组合流动模型在聚酯转产过渡中的应用

王余伟1，王金堂1，2，张金峰1，2，朱兴松1

(1. 中国石化仪征化纤有限责任公司研究院，江苏仪征211900；2.江苏省高性能纤维重点实验室，江苏仪征211900)

为了描述聚酯圆盘反应器物料流动特性，笔者提出一种包括平推区、全混区、死区在内的组合流动模型，研究组合流动模型参数对停留时间分布特性的影响，并将组合流动模型用于聚酯添加剂转产计算。研究表明，组合流动模型能够显著提高计算精度，并合理表征圆盘反应器内高粘物料返混程度。

组合流动模型转产过渡圆盘反应器聚酯

为了满足市场多样性需求，聚酯企业需要频繁地进行转产和牌号切换。在品种转换过程中会产生大量过渡料，减少装置正常生产时间，企业生产效益受到影响，因此转产过渡问题已成为聚酯工业先进生产的一个重要研究内容[1-5]。

聚酯转产过渡计算重点求解反应器出口物料浓度对于入口物料浓度的变化响应曲线，与过程物料流动模型密切相关。由于实际反应器不同程度的返混会引起物料流动偏离理想流动，实际反应器流动状况往往被看成若干理想流动模型的组合。对于实际搅拌釜式反应器物料流动，Cholette等[6-7]认为是全混区、短路流、停滞区(死区)的并联组合；而Moo-Young等[8]则认为是双全混区、停滞区、平推流的串联组合。实际管式反应器物料流动常用多釜串联模型(池模型)或扩散模型描述。

聚酯品种切换都要涉及圆盘反应器，然而圆盘反应器内物料流动状况鲜有报道。聚酯圆盘反应器内的反应为液相缓慢反应，且物料为高粘介质，反应器内层流区域的分散不可被忽略[9]。为了描述圆盘反应器内物料的返混与停滞，本文提出一种组合流动模型并用于聚酯品种转换。

1　过程分析

1.1聚酯终缩反应器

国内代表性聚酯工艺为吉玛工艺，其最终缩聚反应器习惯上称为圆盘反应器，结构简图如图1所示，是聚酯生产最关键的设备之一，对产品质量和产量起着决定性的作用。熔体粘度在圆盘反应器反应过程中急剧上升，280 ℃时一般由进料的0.8 Pa·s增至出料的400 Pa·s[10]。

图1　吉玛工艺最终缩聚反应器结构简图

1.2组合流动模型的推导

圆盘反应器为多室多盘环结构，高粘物料流经各室及盘环会出现返混和停滞，本文提出了如图2所示的组合流动模型。该组合流动模型结构为平推流与全混流的并联区，再与停滞区串联。平推区物料流动是平推流(又称活塞流)，全混区描述反应器物料间的返混，停滞区则描述物料无法流动的区域。

图2　组合流动模型

由化学反应工程[11]理想全混反应器停留时间分布函数，可以推导出组合流动模型的全混区物料出口浓度Cb与入口浓度C0关系式，如式(1)。

(1)

式中θ为无因次量，θ=t/τ，其中t为时间，τ为平均停留时间(τ=V/υ，V为反应器总体积、υ为体积流量)。α为滞留区域所占总体积的分率，β为平推流区域占有效体积的分率，γ为流量分率。

工程计算常采用多釜串联模型(池模型)模拟物料平推流动。多釜串联模型将平推区视为N个相同体积理想全混反应器的串联，因为每个反应器传递函数相同，则N个串联反应器的分布函数可由各分布函数逐一卷乘来确定。限于篇幅，本文不再赘述具体推导过程。组合流动模型平推区物料出口浓度Cp与入口浓度C0关系如式(2)。

(2)

式中N为串联反应器的数目。

(3)

组合流动模型为四参数模型，可以通过最小二乘法对过程出口浓度C分析值进行拟合插值和数据处理，计算出N、α、β、γ。相比于圆盘反应器平推区，进入到全混区的物料的体积流量较少、所占体积较小、物料停留时间较长，因此β>0.5、γ>β。

1.3组合流动模型参数对停留时间分布特性的影响

模型参数N对圆盘反应器出口物料浓度对于入口物料浓度的变化响应曲线的影响如图3所示。

图3　组合流动模型参数N的影响(α=0、β=0.8、γ=0.9)

随着串联数目N增大，平推区物料流动特性越接近理想平推流。当N趋向于无穷大时，其平推区域流动特性与理想平推流一致。由于受到全混区物料返混的影响，C/C0未趋向于1。

模型参数α对圆盘反应器出口物料浓度对于入口物料浓度的变化响应曲线的影响如图4所示。

图4　组合流动模型参数α的影响(β=0.8、γ=0.9、N=20)

随着组合流动模型参数α增加，滞留区体积随之增加，反应器有效体积逐渐减少，导致平推区和全混区物料停留时间逐渐减少，过程浓度变化加速，浓度变化响应曲线向左平移。

随着平推区有效体积分率β降低，平推区停留时间缩短，而全混区停留时间则增加。模型参数β对圆盘反应器出口物料浓度对于入口物料浓度的变化响应曲线的影响如图5所示。由于反应器物料主要流入平推区(γ=0.9)，因此前期浓度变化响应曲线主要受平推区影响，反应器出口浓度变化增快，而后期则主要受起全混区返混的影响，反应器出口浓度增速变缓。

图5　组合流动模型参数β的影响(α=0、γ=0.9、N=20)

改变流量分率γ同时影响进料体积比例和平推区和全混区的停留时间。模型参数γ对圆盘反应器出口物料浓度对于入口物料浓度的变化响应曲线的影响如图6所示。

图6　组合流动模型参数γ的影响(α=0、β=0.8、N=20)

随着γ的增加，平推区影响比例逐渐增加，出口物料浓度变化趋向于理想平推流；同时随着γ的增加，平推区停留时间会缩短、全混区停留时间则增加，浓度变化响应曲线向左移动。

2　组合流动模型在聚酯装置上的应用

在吉玛工艺聚酯装置上进行添加剂品种转换，转产用添加剂从第二酯化反应器加入情况居多，此时转产涉及第二酯化反应器至终缩圆盘反应器在内的四个反应器，物料在四个反应器内总停留时间约7 h。利用装置历史转产数据，拟合圆盘反应器物料平均停留时间τ、组合流动模型参数N、α、β、γ以及多釜串联模型参数N’，并将组合流动模型和多釜串联模型分别用于转产过渡计算。

聚酯装置停止加入添加剂，产品中的添加剂浓度逐渐降低。转产开始之后圆盘反应器出料中的添加剂浓度变化如图7所示。

图7　停止加入添加剂聚酯圆盘反应器出料中添加剂浓度变化

由图7可知，多釜串联模型转产前期(<15 h)预测值与装置分析值接近，但转产后期预测值明显低于分析值，装置添加剂过渡时间远长于多釜串联模型所计算的时间。而转产全过程组合流动模型预测值均与测试值相吻合，组合流动模型参数β<1且γ<1，说明转产过程中圆盘反应器部分物料存在返混，从而延长了装置转产时间。

在相同聚酯装置相同工艺条件下，装置恢复加入添加剂，并实施优化添加方案，转产过程各反应器液位平稳，圆盘反应器出料中添加剂浓度变化如图8。

图8　恢复添加剂加入聚酯圆盘反应器出料中添加剂浓度变化

由图8可知，相比于多釜串联模型，组合流动模型预测值与装置测试值偏差小，组合流动模型更适合描述圆盘反应器高粘物料流动特性。比较图7和图8转产所需时间，由于添加剂恢复过程采用优化添加方案，能够有效缩短过渡时间、大幅减少过渡料产量。

3　结　论

利用组合流动模型能够有效地描述聚酯圆盘反应器内物料流动特性，从而提高品种转产计算的准确度。聚酯添加剂转产计算中采用组合流动模型，可以完善转产方案，达到缩短过渡时间、减少过渡料、增加企业生产效益的目的。

[1]王金堂，吴桂香，王余伟．聚酯催化剂加入位置调整过程的平稳过渡[J]．聚酯工业，2006，19(5)：23-24．

[2]谢小华．聚酯转产过程模拟分析[J]．合成技术及应用，2002，17(3)：11-14．

[3]江涛．瓶用聚酯第三单体快速过渡方法的研究[J]．合成技术及应用，2005，20(3)：34-37．

[4]杨忠兵，曾文兵，李利军．PET装置在线转产中过渡时间与过渡料的控制[J]．合成纤维工业，2013，36(2)：61-63．

[5]项飞．优化瓶片转产过渡时间的数学模型[J]．聚酯工业，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. 贝伦斯，H. 霍夫曼，A. 林肯编．化学反应工程[M]．北京：中国石化出版社，1994：408．

[10] J.谢尔斯，T.E.朗编．现代聚酯[M]．北京：化学工业出版社，2006：68-69．

[11] H.福格勒编．化学反应工程[M]．北京：化学工业出版社，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

王余伟(1981-)，江苏仪征人，工程师，主要从事化工流程模拟及聚酯新产品开发工作。

TQ051.7

B

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