浅谈化工工艺生产中的聚合过程

陈淑敏 于慧娟 高东峰

摘 要：全世界聚合物的年生产能力按体积计可与金属材料相当，并且它们以二倍于钢铁生产的速度（每年增加12%～15%）逐步代替金属、木材及水泥等结构材料。鉴于此，本文对化工工艺生产中聚合过程进行了分析探讨，仅供参考。

关键词：化工工艺；聚合；过程

1 概述

由低分子单体合成聚合物的反应称为聚合反应。可分为加聚反应和缩聚反应，前者指以含有重键的低分子化合物为单体，在光照、加热或引发剂、催化剂等作用下，打开重键而相互加成聚合成高分子化合物的反应，后者指以具有两个或两个以上官能团的低分子化合物为单体，通过这些官能团的反应，逐步结合形成高分子化合物的反应。按聚合机理或动力学可将聚合反应分为连锁聚合和逐步聚合。

目前，全世界聚合物的年生产能力按体积计可与金属材料相当，并且它们以二倍于钢铁生产的速度（每年增加12%～15%）逐步代替金属、木材及水泥等结构材料。对聚合过程主要是研究从小试放大到工业规模的聚合过程，以聚合动力学和聚合物系传递为基础，进行聚合反应器操作特性的分析和放大设计、聚合过程反应规划和技术开发等应用性基础研究。

2 化工工艺生产中的聚合过程

2.1 聚合釜搅拌流场分析

2.1.1 搅拌流场数值模拟

应用FLUENT流场分析软件对PVC聚合釜搅拌系统做优化设计，考察了不同挡板附件及桨叶结构对流动各项参数的影响，为聚合釜内的搅拌过程提供了优化參考方案。

计算模型以聚合釜内流体域为计算域，网格划分采用六面体和四面体网格相结合的方法，并对桨叶区的网格进行了局部加密处理。文中各计算条件流动均处于完全湍流状态，湍流模型采用RANS的标准k-？模型。桨叶区的动静祸合采用近似稳态的多重参考系（MRF）法。固壁采用无滑移固壁条件并采用标准壁面函数处理近壁区域流动。采用有限體积法对控制方程进行离散，分离式求解器求解，压力和速度的祸合采用SIMPLE算法，对流项的离散使用二阶迎风差分格式。收敛残差设定为10-4，计算直至收敛。

计算结果表明，优选的三层二叶径向搅拌桨叶具有较好的搅拌效果。聚合过程要求的两大关键因数是桨叶对液体的剪切率达2.58和釜内液体的循环次数达4.45次/min。分析表明在搅拌转速60～100转/min的范围内，该桨型在釜内的高剪切区几乎充满整个流体范围。

2.1.2 搅拌模拟试验

采用冷态模拟法测量聚合釜的搅拌特性，有机玻璃实验釜结构尺寸与耐聚合釜保持几何相似，桨叶和挡板均为可拆结构，以便对不同型式的桨叶和挡板进行对比试验。

搅拌测试采用扭矩转速传感器，测定搅拌器的扭矩、转速和功率等，循环特性测定采用浮动粒子法，搅拌混合时间采用褪色法，流动状态观察采用示踪粒子目测法。

2.2 计算机在聚合过程中的应用

随着计算机技术的发展，计算机逐渐引入聚合反应工程这一领域，无论在理论基础，还是工业实际应用方面，均获得了丰硕的成果。计算机已成为聚合过程分析、设计、控制的重要手段和工具，使聚合反应工程研究不断深化和发展。计算机的应用可概括为三个方面：计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助监测（CAM）和计算机控制。

2.3 改进聚合反应器的性能

现今合成高聚物工厂单线生产能力可达每年50万吨，聚合反应釜的容积已达200m3。聚合过程的另一个研究方向是使所设计的反应器能够满足预定聚合物质量和产量的要求。这将涉及操作特性、选择性、稳定性和安全性问题。

2.4 聚合动力学和模型化

模型化可以节省实验时间，减少昂贵的设备，因此可以说模型化是反应工程的灵魂。自由基聚合和缩聚反应机理比较成熟，成为模型化研究的主要对象。聚合动力学可分为微观和宏观两类。高分子化学侧重低转化率时的微观动力学研究，其目的是揭示机理，提供基元反应速率常数。聚合反应工程则侧重伴有传递因素在内的高转化率下的宏观动力学，目的在于过程控制。

动力学模型化主要是建立操作参数与聚合速率、聚合物质量间的定量关系。反应器模型化除此之外，還可能包括黏度变化模型、流动模型、混合模型及传热模型等。聚合动力学模型化的最终目的是便于工业上计算机控制。正确的聚合机理和可靠的动力学、热力学数据是模型化成功的基础。

模型化一般经下列步骤：提出机理，列出物料衡算方程组；实验验证，应用于工业控制；对模型做出修正。模型化工作往往是不断考核和修正的过程。

3 结束语

目前，全世界聚合物的年生产能力按体积计可与金属材料相当，并且它们以二倍于钢铁生产的速度（每年增加12%～15%）逐步代替金属、木材及水泥等结构材料。对聚合过程主要是研究从小试放大到工业规模的聚合过程，以聚合动力学和聚合物系传递为基础，进行聚合反应器操作特性的分析和放大设计、聚合过程反应规划和技术开发等应用性基础研究。对聚合过程主要是研究从小试放大到工业规模的聚合过程，以聚合动力学和聚合物系传递为基础，进行聚合反应器操作特性的分析和放大设计、聚合过程反应规划和技术开发等应用性基础研究。

参考文献：

[1]焦利宾.提高界面胶结强度的无皂胶乳水泥和前置液的研究[D].成都：西南石油大学，2015.

[2]杨靖华.路易斯酸催化碳九馏分中烯烃聚合过程研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

[3]何亮.基于Polymer plus的乙烯气相本体聚合过程的模拟与优化[D].武汉：武汉理工大学，2015.