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聚酯为食品包装、医用材料等广泛应用的重要合成材料之一。随着食品工业的快速发展,聚酯包装材料的需求量也随之扩大,尤其是聚酯在食用油、调味类商品、酒类、奶制品等食品类包装方面的需求量上升迅猛,并且聚酯材料亦出现向啤酒、白酒及乳制品渗透发展的趋势。因此,提高聚酯企业的生产效率、降低能耗、改善聚酯的性能特性等已成为聚酯合成研究的热点。本文针对聚酯生产过程中效率低、生产周期长、酯化水中醇的含量高等问题,采集和分析实际生产数据,建立聚酯反应过程动力学模型,优化求解动力学参数,在此基础上,采用计算流体力学(CFD)模拟反应器内流场的变化规律,优化搅拌桨的结构参数。主要研究内容如下:(1)根据采集的聚酯反应过程现场数据,分析对苯二甲酸和新戊二醇缩聚的反应历程,根据其反应特性,将聚酯合成过程划分为三个阶段:直接酯化阶段、预缩聚阶段和终缩聚阶段;采用结构导向集总方法(Structure-Oriented Lump,简称SOL)和Flory理论,分别建立了对苯二甲酸与新戊二醇聚合反应动力学三个阶段的反应动力学模型。(2)集成运用遗传算法和最小二乘法分别确定了三个阶段的反应动力学参数:I.直接酯化阶段:反应级数为2级,正、逆反应活化能Ea分别为29.6 k J/mol-1和93.7 k J/mol-1,正、逆指前因子A分别为1.03×106kg/(mol-1?min-1)和6.4×104kg/(mol-1?min-1);II.预缩聚阶段:反应级数为2.2级,正、逆反应活化能Ea分别为71.7 k J/mol-1和167.9k J/mol-1,正、逆指前因子A分别为1.21 106 kg1.2/(mol-1.2?min-1)和1.02 104kg1.2/(mol-1.2?min-1);III.终缩聚阶段:反应级数为2.5级,正、逆反应活化能Ea分别为134.8k J/mol-1和236.1k J/mol-1,正、逆指前因子A分别为2.5 105 kg1.5/(mol-1.5?min-1)和1.62 104kg1.5/(mol-1.5?min-1);并对上述三个阶段的动力学模型进行验证,其模型计算值和生产数据的相关系数为0.9970-0.9980,吻合程度较好,模型可信。(3)根据所建立的动力学模型对聚酯反应系统进行优化,优化后直接酯化阶段、预缩聚阶段、终缩聚阶段的反应时间可分别缩短1h、1h和2h。整个聚酯合成反应时间理论上可缩短4h。(4)本文利用计算流体力学FLUENT软件,采用多重参考系法(MRF)和标准k-ε模型对聚酯反应器内流场进行流体力学模拟,得到目前运行工况(某企业)不同阶段反应器内流场的速度分布图、速度矢量图和搅拌功率,发现目前工况下反应器内流场存在流体混合不均匀和反应器内流体出现“死区”等现象。(5)通过改变反应器内搅拌桨形式(增加小搅拌桨)及搅拌桨结构参数(半径r=0.7m、0.8m、0.9m和倾斜角φ=30°、45°、60°)等方法,对反应器进行模拟与优化,优化得到搅拌桨转速60r/min、搅拌桨半径0.8m和倾斜角60°时,流场更均匀,流体混合更好,流体“死区”消失,而搅拌功率只有稍微提高(约2.57%)。