环管反应器中稳态操作的丙烯液相本体聚合的模

摘要：采用机理建模方法，研究了丙烯在环管反应器中的液相本体聚合过程。基下流体全混流流动模式并联 用机理分析方法，建立了环管反应器中的丙烯液相本体聚合的微观数学模型，模拟了在稳态操作条件下环管 反应器中丙烯液相本体聚合动力学。以采集到的工业数据对模型进行了考核。从反成器内反应物料密度和聚 合物熔融指数来看，模拟结果与工业现场采集数据相吻合。采用模型考察了稳态下，主要工艺条件对丙烯聚 合过程的影响。结果表明，丙烯转化率和聚合产物质均相对分子质量均随聚合温度升高而增加；随丙烯进料 量的增加，转化率下降，聚合产物质均相对分子质董则先增加后减小；随催化剂镇的增加，转化率与聚合产 物质均相对分子质量均增加；而H2进料量对转化率没有影响，但增加h2进料童将导致聚合产物质均相对分 子质量下降。

 

聚丙烯(PP)是一类通过丙烯聚合得到的热塑性材料。自1957年工业化以来，由于性能优异、原料 来源丰富，巳成为通用树脂中发展最快的一种[1]。

 

近40年来，PP的生产工艺不断发展，由最初的浆料法发展到目前广泛使用的液相本体法和气相 法。自1980年高效载体催化剂在本体聚合装置上应用以来，液相本体聚合工艺越来越受到人们的重视 并得到迅速发展，已成为我国PP工业中的主要生产工艺。

 

有关烯烃(包括丙烯)聚合的计算机模拟，国外主要集中在聚合机理及聚合物颗粒间传热与传质过程 方面[卜4」；国内则主要针对连续搅拌釜反应器和环管反应器中的聚合过程得到固含率（转化率）、 床层温度和熔融指数等参数的变化规律。针对环管液相反应器，并结合工业现场数据，采用机理建模法 进行模型化的研究还不多。

 

笔者针对环管中液相本体法(SpheHpol工艺）的丙烯聚合过程进行了模型化研究。在分析其反应机 連的基础上，利用生成函数法建立了聚合过程的动力学模型，对PP生产过程进行模拟与仿真。

 

1环管反应器简介

 

Spheripol工艺的核心装置是环管反应器[9_te]。环管反应器主要由一个封闭的环形主管道构成，环 管的横截面是圆形且均匀。反应器操作时，反应的混合物浆料被轴流泵推动在环管中高速流动，充满环 管，使物料达到充分混合。环管反应器带有夹套，夹套内通人冷却水，用以带走聚合反应产生的热量， 控制聚合温度。

 

2丙烯聚合机理分析

 

丙烯聚合为配位阴离子聚合，普适的基元反应主要由链引发、链增长、链转移、链终止等组成。由 此建立的模型[I卜⑴适用于丙烯聚合（含共聚）。链转移反应除考虑向只2转移外，还考虑其它转移，如 向丙烯单体、烷基铝的转移。考虑到所研究的反应属于丙烯均聚，聚合机理可用下列基元反应表示： 链引发反应：

3模型的建立

 

在实际工业生产中，环管反应器的循环比（循环物料体积流量（Q)/移出体积流量（Qw))大于loo。 这种情况下，反应器的总体效应相当于全混流反应器（CSTR)[9m3]。此外，建模时还需以下假 设[n_13]: (1)反应介质近似均匀，流动属于湍流，每个活性中心在环管内分布均匀；（2)忽略气、液、 固三相间的传质、传热阻力，忽略扩散作用对丙烯聚合的影响，忽略丙烯聚合热引起的反应器温度变 化；（3)等活性假定，即链增长、终止及转移反应的动力学参数与链长无关；（4)除上节所描写的链转移 反应外，不考虑其外链转移反应。

 

根据上述假设，结合聚合机理，并耦合CSTR反应器模型，对反应中各物料进行衡算。建立一般 矩方程组[12\由于模拟的是稳态操作条件，因此，各方程等于0。方程组由式（8)（13)组成。