新型高粘降膜缩聚反应器流场结构调控及其应用

新型降膜缩聚反应器的设计理念是借助特殊结构内构件及其组合获得高粘流体稳定可控的降膜流动，在宽粘度范围始终实现较大成膜面积和较快表面更新的结合，满足缩聚反应对传质的要求，同时通过多级设置改善分散与混合。拟在研究高粘非牛顿流体降膜流体动力学及其传递特性基础上，分析揭示其传递机理并探索强化传质的途径，优化内构件结构；利用特定结构内构件组合及其与物系流变特性和操作参数的协调优化构建降膜缩聚反应器的流场结构，调控反应器区域和整体流体力学行为，达到物系粘度连续变化过程流体流动、混合和传递性能的局部和整体可控；以不同类型聚酯熔融缩聚制备为应用对象，研究控制新型降膜反应器内的缩聚过程及生成的聚合物的方法和手段。本研究涉及内构件优化匹配构造反应器的新方法、高粘非牛顿流体降膜流动的实验和计算流体力学等。研究结果将为高能效的新型高粘降膜缩聚反应器的优化设计及应用提供理论依据和关键数据。

高粘缩聚反应器的性能主要取决于其成膜、表面更新等传递特性以及其与缩聚反应的匹配程度。新型降膜缩聚反应器的设计理念是借助特殊结构内构件及其组合获得高粘流体稳定可控的降膜流动，在宽粘度范围始终实现较大成膜面积和较快表面更新的结合，满足缩聚反应对传质的要求，同时通过多级设置改善分散与混合，从而实现高效的高粘缩聚/脱挥过程。.本项目搭建了单级、多级降膜元件的流动行为冷模研究装置，通过冷模实验结合计算流体力学，充分研究了高粘非牛顿流体经孔式、栅缝式等成膜内构件时的液膜流动行为及其传递特性基础上，建立了流动、成膜以及表明更新的数学模型，分析揭示了高粘流体液膜流动的传递机理并探索了强化传质的途径，优化了内构件结构；利用特定结构内构件组合及其与物系流变特性和操作参数的协调优化，构建降膜缩聚反应器的流场结构，调控反应器区域和整体流体力学行为，实现了物系粘度连续变化过程流体流动、混合和传递性能的局部和整体可控；设计加工了适用于不同流变行为的系列多级多通道的新型高粘降膜缩聚脱挥设备，并以不同类型聚酯（PET、PC等）熔融缩聚过程为应用对象，开展了缩聚过程的热模实验和过程模拟，研究了控制新型降膜反应器内的缩聚过程及生成的聚合物的方法和手段，验证了所设计的流场结构化新型缩聚反应器可在较短停留时间内实现聚合物分子量的快速提升，较传统缩聚反应器能效大幅度提高，所得缩聚产品分子量分布窄。.此新型高粘降膜缩聚/脱挥设备通用性强，不但适用于聚酯、聚碳酸酯等熔融缩聚过程，也适用于高粘聚合物系的脱单、脱泡过程，目前已在上海石化3条年产1.5万吨腈纶生产线中和1500吨/年T300碳纤维原丝生产线中纺丝原液脱单工业装置中成功应用，并正实施中石化项目千吨级聚碳酸酯终缩聚反应器、3千吨聚丁烯-1降膜脱挥器的工艺包设计，有望进一步推广应用。.本研究涉及内构件优化匹配构造反应器的新方法、高粘非牛顿流体降膜流动的实验和计算流体力学等，研究结果为高能效的新型高粘降膜缩聚反应器的设计、优化及应用提供了充足的理论依据和关键数据。