持液多区循环流化床聚合反应器的构建、操作稳定性分析及多尺度流场调控

To achieve the enhancement of both productivity and quality of the polyolefin products simultaneously, this project firstly aims to construct a new type polymerization reactor (i.e. liquid-holdup multi-zone circulating fluidized bed polymerization reactor) based on the transfer and reaction characteristics of liquid-holdup operation and multi-zone circulating flow. The setup will be built for experimental study. Secondly, a particle collision model will be developed according to theoretical analysis of the particle force balance in the reactor. The stable operation region will be determined based on the developed model and experimental analysis in this study. Thirdly, liquid evaporation model will be coupled with computational fluid dynamic (CFD) model to describe the macroscale gas-liquid-solid flow behavior within stable operation region. The mesoscale model for description of particle behaviors and microscale kinetic model for simulation of microscopic polymer flow will be built based on population balance model (PBM) and quadrature method of moments (QMOM), respectively. A multi-scale model will be developed by coupling the sub-models in the three scales using the “key parameter transfer” method proposed in our research group. Lastly, this proposed model together with experimental data will be applied to simulate the production of polyolefin based on actual operating conditions. It will assist in guiding the design of new reactor, obtaining the stable operating conditions and optimizing the productivity and quality of products. This work will promote the development of polymerization engineering in terms of design and optimization of the reactor based on experimental study, theoretical analysis and numerical simulation.

以聚烯烃产量与质量同时提升为目标，结合“持液操作”和“多区循环流动”的传递与反应特征，1.项目构建烯烃聚合新反应器——持液多区循环流化床，自主搭建反应器并进行实验测量。2.针对该反应器，理论分析反应器内颗粒受力，建立颗粒碰撞概率模型，采用模型并结合实验确定床层内流场操作稳定区域。3.在稳定区域，引入液体蒸发模型并应用计算流体力学模拟方法建立描述反应器中气-液-固的宏观流场模型，基于群体衡算和矩方法分别建立描述聚合物颗粒群行为的介尺度模型和描述聚合物微观流场的微观动力学模型。用本组提出的“关键参数传递”方法耦合三个尺度模型，建立描述反应器内多尺度流场的反应器模型。4.采用以上模型尤其反应器模型并结合实验数据对实际工况进行模拟获取新型流化床设计、稳定操作依据和产能与产品质量同时提升规律。研究成果将推进基于实验、理论分析并耦合数值模拟进行聚合反应器工程开发和优化设计的研究进展。

采用实验、理论分析及模拟相结合的方法对持液多区循环流化床聚合反应器进行了从构建、稳定性分析到多尺度流场调控的应用基础研究。首先，构建了持液聚合多区循环流化床并进行了实验测量；理论分析了反应器中颗粒受力，采用模型分析结合实验的方法确定了床层内流场操作稳定区域。进而，在新反应器稳定性操作区域引入了液体蒸发模型，并应用计算流体力学模拟方法建立了描述反应器中气-液-固的宏观流场模型、描述聚合物颗粒群行为的介尺度模型和描述聚合物微观流场的微观动力学模型，采用“关键参数传递”方法耦合这三个尺度模型，建立了描述反应器内多尺度流场的反应器模型。采用多尺度模型对此类反应器进行了放大规律研究。. 研究得到：1、从力学角度构建了稳定性分析模型。该模型对流化、失稳直至最终失流过程进行了物理描述，依次对颗粒间粘性力、分离功、颗粒碰撞及其中的动能传递转化、颗粒相对速率分布进行了计算，推导了以颗粒碰撞为核心的稳定性概率模型；2、选择合适的操作条件是调控流化过程最直接手段，确定了液体加入流化床后对稳定性产生影响的机制，证明在超冷凝态三相聚合流化床中，液桥力是最主要的粘性力；3、建立的三相多尺度模型能再现三相聚合多区循环流化床层中三相流体流动，发现液相蒸发对聚烯烃三相流化床流体流动和反应性能产生很大影响；4、发现在冷凝三相流体系中，颗粒破碎动力学对流场有极大影响，其与颗粒聚并行为的竞争极大降低了带液流化床体系发生床层失流和堵塞的风险；5、通过多尺度耦合模型进行了反应器放大模拟，发现根据几何相似法放大准则放大流化床时，不同尺寸流化床内流化状态有较大差异，大尺寸流化床的聚合反应速率明显低于小尺寸流化床的反应速率。. 研究工作已在包括AIChE J与CES等国际（含国内）化工权威期刊上发表14篇文章（11篇SCI，3篇EI），申请国内发明专利1项，部分成果支撑负责人获2018年教育部长江学者特聘教授。