聚酯反應(yīng)動力學(xué)研究及反應(yīng)器內(nèi)流場的模擬與優(yōu)化.pdf

1、聚酯為食品包裝、醫(yī)用材料等廣泛應(yīng)用的重要合成材料之一。隨著食品工業(yè)的快速發(fā)展，聚酯包裝材料的需求量也隨之?dāng)U大，尤其是聚酯在食用油、調(diào)味類商品、酒類、奶制品等食品類包裝方面的需求量上升迅猛，并且聚酯材料亦出現(xiàn)向啤酒、白酒及乳制品滲透發(fā)展的趨勢。因此，提高聚酯企業(yè)的生產(chǎn)效率、降低能耗、改善聚酯的性能特性等已成為聚酯合成研究的熱點(diǎn)。
　　本文針對聚酯生產(chǎn)過程中效率低、生產(chǎn)周期長、酯化水中醇的含量高等問題，采集和分析實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，建立聚酯

2、反應(yīng)過程動力學(xué)模型，優(yōu)化求解動力學(xué)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，采用計算流體力學(xué)（CFD）模擬反應(yīng)器內(nèi)流場的變化規(guī)律，優(yōu)化攪拌槳的結(jié)構(gòu)參數(shù)。主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）根據(jù)采集的聚酯反應(yīng)過程現(xiàn)場數(shù)據(jù)，分析對苯二甲酸和新戊二醇縮聚的反應(yīng)歷程，根據(jù)其反應(yīng)特性，將聚酯合成過程劃分為三個階段：直接酯化階段、預(yù)縮聚階段和終縮聚階段；采用結(jié)構(gòu)導(dǎo)向集總方法（Structure-Oriented Lump，簡稱SOL）和Flory理論，分別建立了對苯二甲酸

3、與新戊二醇聚合反應(yīng)動力學(xué)三個階段的反應(yīng)動力學(xué)模型。
　?。?）集成運(yùn)用遺傳算法和最小二乘法分別確定了三個階段的反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)：I.直接酯化階段：反應(yīng)級數(shù)為2級，正、逆反應(yīng)活化能Ea分別為29.6 kJ/mol-1和93.7 kJ/mol-1，正、逆指前因子A分別為1.03×106kg/(mol-1·min-1)和6.4×104 kg/(mol-1·min-1)；
　　II.預(yù)縮聚階段：反應(yīng)級數(shù)為2.2級，正、逆反應(yīng)活化能Ea

4、分別為71.7 kJ/mol-1和167.9kJ/mol-1，正、逆指前因子A分別為1.21×106 kg1.2/(mol-1.2·min-1)和1.02×104 kg1.2/(mol-1.2·min-1)；
　　III.終縮聚階段：反應(yīng)級數(shù)為2.5級，正、逆反應(yīng)活化能Ea分別為134.8kJ/mol-1和236.1kJ/mol-1，正、逆指前因子 A分別為2.5×105 kg1.5/(mol-1.5·min-1)和1.62×10

5、4 kg1.5/(mol-1.5·min-1)；
　　并對上述三個階段的動力學(xué)模型進(jìn)行驗證，其模型計算值和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.9970-0.9980，吻合程度較好，模型可信。
　?。?）根據(jù)所建立的動力學(xué)模型對聚酯反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后直接酯化階段、預(yù)縮聚階段、終縮聚階段的反應(yīng)時間可分別縮短1h、1h和2h。整個聚酯合成反應(yīng)時間理論上可縮短4h。
　?。?）本文利用計算流體力學(xué)FLUENT軟件，采用多重參考系法（

6、MRF）和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對聚酯反應(yīng)器內(nèi)流場進(jìn)行流體力學(xué)模擬，得到目前運(yùn)行工況（某企業(yè)）不同階段反應(yīng)器內(nèi)流場的速度分布圖、速度矢量圖和攪拌功率，發(fā)現(xiàn)目前工況下反應(yīng)器內(nèi)流場存在流體混合不均勻和反應(yīng)器內(nèi)流體出現(xiàn)“死區(qū)”等現(xiàn)象。
　?。?）通過改變反應(yīng)器內(nèi)攪拌槳形式（增加小攪拌槳）及攪拌槳結(jié)構(gòu)參數(shù)（半徑r=0.7m、0.8m、0.9m和傾斜角φ=30°、45°、60°）等方法，對反應(yīng)器進(jìn)行模擬與優(yōu)化，優(yōu)化得到攪拌槳轉(zhuǎn)速60r/min、攪拌