成文凱,王嘉駿,顧雪萍,馮連芳(浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院,化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027)
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綜述與專論
聚合物攪拌脫揮設(shè)備及其CFD模擬研究進(jìn)展
成文凱,王嘉駿,顧雪萍,馮連芳
(浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院,化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027)
摘要:綜述了聚合物攪拌脫揮設(shè)備的開發(fā)進(jìn)展,分析了設(shè)備開發(fā)過(guò)程存在的關(guān)鍵問(wèn)題。指出臥式脫揮設(shè)備中的流動(dòng)特性、混合特性、成膜特性以及表面更新特性等是強(qiáng)化傳質(zhì)的關(guān)鍵因素,具有自清潔攪拌特性的高效臥式脫揮設(shè)備是裝備開發(fā)與研究的主要方向。闡述了計(jì)算流體力學(xué)(CFD)在研究高黏流體臥式攪拌設(shè)備內(nèi)傳遞過(guò)程機(jī)理中的應(yīng)用?;诰W(wǎng)格重疊技術(shù)的有限元方法和基于動(dòng)網(wǎng)格的有限體積方法可以解決復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的槳葉和翅片、雙軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及嚙合機(jī)構(gòu)非常小的間隙等難題。借助于CFD中VOF多相流模型可以精確地追蹤氣液相界面,模擬反應(yīng)器中的成膜過(guò)程和表面更新特性,進(jìn)而可以深入分析設(shè)備中的傳質(zhì)過(guò)程,為高效聚合物脫揮設(shè)備的優(yōu)化與設(shè)計(jì)提供了新的思路。
關(guān)鍵詞:脫揮;自清潔;數(shù)值模擬;傳質(zhì);攪拌
第一作者:成文凱(1988—),男,博士,研究方向?yàn)榫酆戏磻?yīng)器工程。E-mail chengwenk@163.com。聯(lián)系人:王嘉駿,副教授。E-mail jiajunwang@zju.edu.cn。
將未反應(yīng)的單體、殘留的溶劑、齊聚物等小分子揮發(fā)分從體系中脫除是聚合工藝的必經(jīng)階段,這個(gè)過(guò)程即為聚合物脫揮。聚合物脫揮是一個(gè)受到熱力學(xué)與傳質(zhì)控制的分離過(guò)程,過(guò)程的難點(diǎn)在于強(qiáng)化高黏物系中傳質(zhì)過(guò)程,需要借助于特殊的分離設(shè)備。聚合物脫揮過(guò)程的能耗通常占整個(gè)聚合工藝流程的60%~70%。因此,開發(fā)高效的聚合物脫揮設(shè)備,對(duì)于簡(jiǎn)化聚合工藝流程、降低過(guò)程能耗、提高產(chǎn)品性能和競(jìng)爭(zhēng)力等方面至關(guān)重要。本文介紹了新型的聚合物攪拌脫揮設(shè)備以及計(jì)算流體力學(xué)(CFD)在開發(fā)高黏臥式攪拌設(shè)備中的應(yīng)用,以期為新型高效傳質(zhì)設(shè)備的研究提供參考。
對(duì)于高黏物系的脫揮過(guò)程,傳統(tǒng)的閃蒸型脫揮設(shè)備難以獲得較好的效果,而具有較大傳質(zhì)比表面積、較快地表面更新以及自清潔等特征的圓盤反應(yīng)器、擠出機(jī)、捏合機(jī)等臥式脫揮設(shè)備顯示出極大的優(yōu)越性[1-2]。
具有大比表面積的臥式圓盤反應(yīng)器是聚酯工業(yè)中的典型設(shè)備[3-4],其專利技術(shù)以吉瑪和鐘紡等公司為代表。圓盤反應(yīng)器中物料借助于黏性力、重力等作用在圓盤表面形成液膜,運(yùn)動(dòng)過(guò)程中又存在著形變。液膜與反應(yīng)器中的物料混合,并以一定的速率進(jìn)行更新。液膜的形成增大了氣液傳質(zhì)面積,液膜的更新也強(qiáng)化了氣液傳質(zhì)過(guò)程,如圖1。
圖1 圓盤表面的成膜過(guò)程
高黏物料與成膜元件的黏附力較小,且反應(yīng)器內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)、成膜元件的材質(zhì)和以及表面狀況都制約著反應(yīng)器的成膜效率。然而,聚酯等高黏物料具有較大的表面張力,可以在一定程度上增加成膜面積,提高設(shè)備的成膜效率。杜邦公司設(shè)計(jì)了具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的籠式縮聚反應(yīng)器[5],如圖2所示。物料在網(wǎng)格上可以形成張緊的薄膜,這種薄膜由于表面張力的作用,不易破裂,運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中具有一定程度的拉伸變形。同時(shí),可以在網(wǎng)盤之間增加不同形狀的刮刀,減小高黏物系在槳葉之間的粘連作用,可減小盤間距以增大成膜面積。
圖2 籠式縮聚反應(yīng)器
對(duì)于臥式單軸圓盤反應(yīng)器以及籠式縮聚反應(yīng)器,物料在反應(yīng)器的成膜性能和表面更新只是依賴于物料與攪拌元件之間的相互作用。隨著反應(yīng)的進(jìn)行,物料的黏度進(jìn)一步增大,槳葉之間會(huì)存在一定的粘連,進(jìn)而限制圓盤表面的成膜與液膜的表面更新,與此同時(shí),這種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)通常也不具備自清潔作用。
國(guó)外公司開發(fā)出一系列臥式雙軸脫揮反應(yīng)器,用于聚酯的終縮聚反應(yīng)器,包括圓盤槳、眼睛槳以及格子槳等。這類設(shè)備中存在攪拌元件的拉伸和剪切作用,極大地降低了物料在槳葉之間的粘連,在槳葉表面形成很薄的液膜,與此同時(shí),液膜還可以獲得較快的表面更新,這類反應(yīng)器也存在一定程度上的自清潔作用。圖3為日本Hitachi公司的臥式雙軸攪拌設(shè)備[6],它不僅可以處理黏度為幾個(gè) Pa·s的物系,也可以處理超高黏度的物料,如20000Pa·s。物料在特殊幾何結(jié)構(gòu)的槳葉表面形成黏附膜和下垂膜。槳葉表面的刮刀可以降低物料的粘連作用,減小液膜的厚度和氣相傳質(zhì)阻力。液膜在拉伸和剪切作用下獲得較快的表面更新。
相對(duì)于高剪切和窄停留時(shí)間分布的脫揮擠出機(jī)而言,捏合機(jī)在處理大批量高黏物系時(shí),可以延長(zhǎng)物料的停留時(shí)間,減小剪切應(yīng)力。同時(shí),捏合機(jī)具有較大的自由體積和自清潔特性,脫揮口橫截面積的增大也降低了堵塞的可能性,因而在聚合物脫揮等領(lǐng)域方面具有較好的應(yīng)用前景[7]。
圖3 Hitachi公司臥式雙軸攪拌設(shè)備
德國(guó)Bayer公司公布了一系列臥式雙軸高黏攪拌設(shè)備[8-9],如圖4。這種設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜,槳葉之間相互嚙合作用以及槳葉與壁面之間的刮擦作用,使得設(shè)備具有完全的自清潔特性。反應(yīng)器內(nèi)不存在死區(qū),物料可以獲得較快的表面更新。反應(yīng)器還具有大的有效反應(yīng)體積和軸向輸送能力。
德國(guó)BASF公司公開了一種新型的臥式雙軸捏合機(jī)的專利[10],如圖 5。圖中上方的軸為清理軸,下方的軸為主攪拌軸,兩根攪拌軸上分布著數(shù)目各異的捏合桿,該設(shè)備的自清潔功能依靠?jī)筛鶖嚢栎S上捏合桿的捏合作用。物料在徑向呈現(xiàn)全混流的狀態(tài),軸向上則呈現(xiàn)平推流的特征。該設(shè)備還具有較好的傳熱能力和較大的有效反應(yīng)體積。
瑞士List公司公布了幾種臥式高黏自清潔攪拌設(shè)備[11-12],該設(shè)備具有較好的混合能力和自清潔能力。傳統(tǒng)的溶液聚合脫揮過(guò)程包括凝聚、汽提、干燥等單元操作,能耗大且效率低。將List捏合反應(yīng)器應(yīng)用于順丁橡膠等溶液聚合的直接脫揮過(guò)程[13],不僅工藝流程得到極大的簡(jiǎn)化,過(guò)程能耗降低了76%,這代表了溶液聚合脫揮工藝主要發(fā)展方向,如圖6。
對(duì)于一定的反應(yīng)器和反應(yīng)體系而言,設(shè)備的脫揮性能取決于反應(yīng)器中的傳質(zhì)面積以及其表面更新性能等因素[14]。目前主要采用幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的攪拌元件,通過(guò)拉伸和剪切作用,實(shí)現(xiàn)最大的成膜面積。進(jìn)一步可采用雙軸和復(fù)雜捏合機(jī)構(gòu),通過(guò)嚙合作用實(shí)現(xiàn)完全自清潔,使得物料在設(shè)備中不發(fā)生粘連,強(qiáng)化液膜的表面更新,增加傳質(zhì)推動(dòng)力。
反應(yīng)器的流動(dòng)特性、成膜特性、混合特性、表面更新特性、傳質(zhì)特性以及功耗特性等方面的規(guī)律是優(yōu)化與設(shè)計(jì)終縮聚反應(yīng)器的必要前提[15],這些特征也是實(shí)驗(yàn)研究的主要方面[16-18]?;诠こ探?jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)設(shè)計(jì)反應(yīng)器,實(shí)驗(yàn)的工作量大,且具有一定的局限性。高黏物系的攪拌設(shè)備通常具有較為復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu),設(shè)備中的流場(chǎng)等特征難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法獲取。
近年來(lái),計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)方法在反應(yīng)器的優(yōu)化、設(shè)計(jì)和工程放大等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[19-21]。但是臥式攪拌設(shè)備的CFD模擬具有很大難度,主要體現(xiàn)在非常復(fù)雜的槳葉和翅片幾何結(jié)構(gòu)、雙軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、嚙合機(jī)構(gòu)非常小的間隙以及存在氣液相界面等。常規(guī)的多重參考系模型難處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)槳葉和雙軸攪拌等難題,需要借助于滑移網(wǎng)格以及動(dòng)網(wǎng)格等方法。CFD中多相流模型如混合物(mixture)模型、歐拉(Eulerian)模型難以準(zhǔn)確追蹤氣液兩相的相界面。VOF(volume of fluid)模型可以確定流體界面的變化,模擬反應(yīng)器的成膜特性和表面更新特性。
圖4 Bayer公司臥式雙軸混合設(shè)備
圖5 BASF公司臥式雙軸捏合機(jī)
圖6 溶液聚合脫揮新工藝
2.1 流場(chǎng)特性
流速分布是研究設(shè)備中流體混合、溫度分布、停留時(shí)間分布以及功率特性的基礎(chǔ)。采用CFD可以獲取流場(chǎng),進(jìn)而可以優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和操作條件[22-23]。單純[24]采用滑移網(wǎng)格方法對(duì)臥式單軸自清潔攪拌釜的流場(chǎng)特性進(jìn)行分析,如圖 7。物料的黏度較高時(shí),清潔翅強(qiáng)化了釜體內(nèi)的湍動(dòng),整個(gè)釜體內(nèi)部的速度場(chǎng)較為均勻。楊騰[25]利用動(dòng)網(wǎng)格方法、VOF模型對(duì)臥式雙軸攪拌裝置的流場(chǎng)特性進(jìn)行分析,如圖 8。增加轉(zhuǎn)速,釜內(nèi)低速流動(dòng)區(qū)域明顯減小,徑向混合也進(jìn)一步得到強(qiáng)化。
2.2 混合特性
對(duì)于復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和邊界條件的擠出機(jī)或捏合機(jī)而言,通常需要借助特殊的方法來(lái)對(duì)流動(dòng)區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。
AVALOSSE等[26]基于網(wǎng)格重疊技術(shù)(MST)利用計(jì)算流體力學(xué)軟件 Polyflow來(lái)研究嚙合的雙螺桿擠出機(jī)的混合機(jī)理。張先明[27]采用三維有限元法對(duì)捏合元件的分布混合進(jìn)行了模擬研究,發(fā)現(xiàn)捏合盤間歇增大可以強(qiáng)化擠出機(jī)的分布混合過(guò)程,而捏合厚度的增加會(huì)使得其分布混合能力減小。WEI等[28]也借助于MST技術(shù)對(duì)一種新型的雙軸捏合機(jī)的混合性能進(jìn)行了研究,如圖 9。圖10為不同時(shí)刻的混合狀態(tài)。研究表明,軸間距不影響設(shè)備的分散混合能力,而攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)混合效率的影響較大。該設(shè)備具有較好的混合能力。王嘉駿等[29]對(duì)臥式單軸格子槳攪拌槽的混合特性進(jìn)行了研究,模擬結(jié)果與褪色法實(shí)驗(yàn)得到的混合過(guò)程吻合良好。
2.3 停留時(shí)間分布特性
停留時(shí)間分布(RTD)反映了連續(xù)過(guò)程中物料的返混程度,對(duì)最終脫揮與反應(yīng)效果具有顯著影響。CFD可用來(lái)模擬反應(yīng)器等設(shè)備的RTD,并可通過(guò)示蹤法等實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證[28,30]。ZHANG等[31]基于計(jì)算流體力學(xué)軟件Polyflow研究了雙螺桿擠出機(jī)的RTD,如圖11。研究表明,捏合角度的增加,物料的RTD變寬,平均停留時(shí)間也增大。物料的RTD隨著喂料量的增大而變窄。單純[24]研究了臥式單軸攪拌設(shè)備的RTD,釜內(nèi)的軸向返混隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加而減小。
2.4 成膜特性
反應(yīng)器中的成膜性能包括持液量、液膜厚度以及成膜速度,與黏度、液位以及轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。攪拌設(shè)備的成膜特性決定有效脫揮面積和生產(chǎn)強(qiáng)度[17,32]。HASAN等[33]基于VOF模型研究了二維轉(zhuǎn)鼓處于半穩(wěn)定狀態(tài)的液膜厚度,模擬結(jié)果與理論分析吻合良好,如圖12。楊曉宇等[34]對(duì)圓盤反應(yīng)器中的成膜特性進(jìn)行了研究。轉(zhuǎn)速增大,圓盤表面的液膜厚度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。鄧斌等[35]研究了圓盤反應(yīng)器的成膜特性,液膜分布如圖13。圓盤表面的液膜在徑向和軸向位置分布不均勻。
圖7 臥式單軸自清潔攪拌設(shè)備的速度分布圖(單位:m/s)
圖8 臥式雙軸攪拌設(shè)備及速度分布圖(單位:m/s)
圖10 捏合機(jī)混合過(guò)程的數(shù)值模擬
圖11 嚙合元件及其停留時(shí)間分布
圖12 甘油最小液膜厚度和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線
圖13 圓盤表面液膜厚度分布(單位:m)
2.5 表面更新特性
DANCKWERTS表面更新理論描述了氣液相界面?zhèn)髻|(zhì)過(guò)程[36]。對(duì)中高黏度物系,表面更新特性尤為重要。鄧斌等[35,37]基于VOF多相流模型研究了臥式圓盤反應(yīng)器中的液膜更新。通過(guò)圓盤的表面更新情況來(lái)研究自由膜和附壁膜,揭示了圓盤結(jié)構(gòu)對(duì)于液膜更新頻率的影響,從而為槳葉的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新思路,如圖14。物料在開孔的圓盤表面形成自由膜和附壁膜,開孔處的自由膜具有較快的表面更新。
圖14 圓盤結(jié)構(gòu)(單位:mm)及其液膜表面更新頻率分布(單位:s-1)
聚合體系的復(fù)雜性決定了聚合物脫揮過(guò)程對(duì)于設(shè)備的嚴(yán)重依賴性。具有自清潔攪拌特性的臥式脫揮設(shè)備是裝備開發(fā)與研究的主要方向。自主研發(fā)高效脫揮設(shè)備對(duì)于打破專利技術(shù)的限制,促進(jìn)聚合工業(yè)的發(fā)展有著重要作用。以List為代表的直接脫揮裝備與工藝是橡膠脫揮發(fā)展的趨勢(shì)。
CFD為高黏物系攪拌設(shè)備的開發(fā)提供了新的思路。研究設(shè)備中的流動(dòng)、混合、成膜以及表面更新特性,考察傳遞強(qiáng)化機(jī)理,為脫揮設(shè)備的開發(fā)和優(yōu)化提供量化分析的基礎(chǔ)。采用基于網(wǎng)格重疊技術(shù)的有限元方法和基于動(dòng)網(wǎng)格的有限體積方法,可解決設(shè)備中復(fù)雜葉片交錯(cuò)嚙合等問(wèn)題。VOF模型可以準(zhǔn)確追蹤氣液兩相界面,模擬成膜特性和表面更新特性。另外,將聚合反應(yīng)過(guò)程與CFD耦合是數(shù)值模擬研究的發(fā)展方向。
參 考 文 獻(xiàn)
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Progress on agitated apparatus for polymer devolatilization and its CFD simulation
CHENG Wenkai,WANG Jiajun,GU Xueping,F(xiàn)ENG Lianfang
(State Key Laboratory of Chemical Engineering,College of Chemical and Biological Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,Zhejiang,China)
Abstract:The progress on new types of agitated apparatus for polymer devolatilization was reviewed,while the key issues on the development of new devolatilization devices were analyzed. The characteristics of flow field,mixing,film forming and surface renewal are the key factors to strengthen the mass transfer process. Developing highly efficient and self-cleaning devices for polymer devolatilization is the major prospect in this field. The applications of computational fluid mechanics (CFD) simulations on transfer process in such devices were also discussed. Finite element method combined with mesh superposition technique(MST) and finite volume method combined with dynamic mesh technique have been used to deal with problems such as complex geometric blades and fins,twin-shaft rotating motion,tiny gaps within engaged areas and so on. Gas-liquid interface can be precisely tracked by means of volume of fluid(VOF) multiphase flow model. The film forming and surface renewal characteristics can be investigated,which contributes to learn more about the mass transfer mechanism. CFD numerical simulation offers a new idea for designing highly efficient devices for polymer devolatilization.
Key words:devolatilization;self-cleaning;numerical simulation;mass transfer;agitation
中圖分類號(hào):TQ 315
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1000-6613(2016)05-1283-06
DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2016.05.003
收稿日期:2015-10-10;修改稿日期:2015-12-15。
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(21276222)及化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(SKL-ChE-13D01)項(xiàng)目。