通过仿真优化聚合物生产工艺

多孔喷嘴管式反应器用于生产聚合物（例如聚酯）。这种类型的反应器中的湍流会影响生产工艺，包括反应动力学、纤维质量、转化率和产率。通过开发充分考虑流体动力学和化学反应的反应器模型，可以优化反应器设计，高效、稳定地生产聚合物。

聚酯生产工艺

聚酯是一种聚合物，主要有两类应用：

1. 纺织品
2. 包装

在这两类应用中，聚酯的应用十分广泛，例如服装（聚酯休闲服）、床上用品、家具内饰，以及工业纤维、安全带和汽车轮胎增强材料等。

聚酯甚至可以被用来建造房屋。例如，在 19 世纪 60 年代后期建造的 Futuro 房屋是采用玻璃纤维增强的聚酯塑料开发而成的。这些房屋形状类似于经典科幻电影中的飞碟，易于建造和维护。尽管 Futuro 房屋从未吸引过消费者（建造了不到 100 台），但我们确实可以使用新型建筑材料建造房屋。

芬兰的 Futuro 房屋，部分采用聚酯材料制成。 图片由 JPKärnä 提供。获CC BY-SA 3.0许可通过Wikimedia Commons公布。

制备聚酯的一种方法是通过聚合工艺。通常通过使用多孔喷嘴管式反应器促进聚合。管式反应器的设计取决于聚酯材料的预期用途，同时会影响合成产物的质量。

在 COMSOL® 软件中建立的多喷嘴管式反应器模型。

在管式反应器中，当来自湍流喷嘴的反应物相互碰撞时，可以实现混合。产生的湍流会影响：

• 反应动力学
• 聚酯链的质量
• 转化率
• 产率

通过使用化学反应工程模块（COMSOL Multiphysics® 软件的附加产品）分析多孔喷嘴管式反应器的设计，我们可以优化生产聚酯的聚合工艺。

多孔喷嘴管式反应器的化学工艺建模分析

多孔喷嘴管式反应器包括轴向入口和径向端口，两种反应单体分别进入轴向入口和径向端口。反应器的模型几何如下所示。

聚合工艺中发生的化学反应是缩合过程，其中涉及的物质包括：

• 二醇单体
• 二酸单体
• 聚酯链
• 催化剂溶剂
• 络合水

反应速率取决于质量作用定律和涡耗散概念模型（the eddy dissipation concept ，EDC）。该模型是涡耗散湍流化学反应模型的扩展，包含了更复杂的湍流化学反应机理。

化学反应工程模块中有两个接口可以计算这些物理场：

1. 反应流，湍流接口，用于模拟质量输运、反应和流体流动
2. 流体传热接口，用于模拟包括反应热的反应流温度分布

节省时间和计算资源

对包含湍流的三维反应器模型进行瞬态仿真是一项艰巨的任务。实际上，我们可能需要设置合理的初始值，才能在求解过程中获得平稳收敛。分步计算可以改进这个问题。分布计算是指每个研究步骤都继承前一个研究步骤中的解作为初始值。对于该案例，我们可以分以下四个研究步：

1. 流场计算，求解速度和压力
2. 物质传递计算，继承前一步的速度、压力结果求解包含化学反应的浓度分布
3. 传热计算求解包含反应热的温度分布，包括反应热
4. 全耦合计算求解所有变量

此外，使用扇形对称和扫掠网格可以进一步节省计算资源。使用扇形对称，我们只需要模拟完整模型反应器的 1/20 即可。在预期流场均匀分布的模型区域中，使用扫掠网格可以节省网格剖分过程中的时间和资源。

在对反应器中的湍流进行建模时，扫掠网格可以节省计算时间和资源。

仿真结果

通过模拟多孔喷嘴管式反应器，工程师可以深入了解反应器的设计如何影响聚酯生产的聚合工艺。例如，聚合物链的浓度分布等值面结果显示了流入物质在哪里混合。由下图我们可以看到，方位角浓度梯度沿轴向位置迅速增加，这意味着流入物质在反应器下方5 cm处已经混合充分，因此该位置是进行反应的最佳位置。

仿真结果还表明，在反应器的再循环区中，聚酯链的浓度相对较低。聚酯链浓度的增加可能导致反应流发生重大变化。特别地，反应流体的黏度可能会改变，从而产生不期望的副反应或导致反应器发生故障。

反应器中的聚合物链浓度（左）和以流线表示再循环区的反应器中的流速（右）。

反应器的化学反应模型的结果还表明，该过程的总缩合聚合化学反应是吸热的。由此，我们可以得出一个重要的结论：吸热反应可以有效地冷却反应流，这意味着反应器可以很容易地保持冷却，以确保安全可靠的运行。

后续操作

单击下面的按钮，下载多孔喷嘴管式反应器中的聚合模型，尝试自己动手建模。请注意，您需要一个 COMSOL Access 帐户和有效的软件许可证才能访问 MPH 文件。

阅读下面文章，了解有关管式反应器建模的更多信息

• 演示仿真App：带等温冷却的多组分管式反应器
• 博客文章：分析管式反应器中的分解工艺