專利名稱：聚合槽溫度分布推算設(shè)備及聚合槽溫度分布推算程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及推算單螺旋翼的氣相聚合反應(yīng)槽的槽內(nèi)溫度分布的聚 合槽溫度分布推算設(shè)備以及聚合槽溫度分布推算程序。
背景技術(shù)：
近年的聚丙烯製造工藝，隨著催化劑的高活性化和高立構(gòu)規(guī)整性化 而被簡單化， 一般使用氣相聚合反應(yīng)工藝。與以往的漿液聚合相比，由 于氣相聚合反應(yīng)器不使用溶劑，所以是不需要溶劑回收體系和干燥體系 的非常精簡的工藝。然而，因氣相狀態(tài)而熱容量低，所以溫度變化對于反應(yīng)量變化有變 劇烈的傾向，且隨著設(shè)備的大型化、高負(fù)荷化，該傾向變得顯著。此外，由于聚合溫度與聚合物軟化溫度的差不大，所以為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn) 定的運(yùn)轉(zhuǎn)而必須充分把握聚合槽內(nèi)的流動行為和聚合槽內(nèi)的溫度分布， 并將冷卻方法最優(yōu)4匕。對于流動行為一直以來都有報(bào)道，但多涉及基本的循環(huán)時(shí)間(參考非專利文獻(xiàn)l)、設(shè)備設(shè)計(jì)所必需的攪拌動力(參考非專利文獻(xiàn)2)。此外，對于這些要求，最近進(jìn)行了使用離散元法(以下，有時(shí)稱為DEM)的解析，來研究層內(nèi)詳細(xì)的流動行為(參考非專利文獻(xiàn)3)。然而，非專利文獻(xiàn)3雖然示出了使用DEM來模擬攪拌反應(yīng)器內(nèi)的 粒子流動的研究，但并沒有考慮到反應(yīng)，因此不能由此推算聚合槽內(nèi)的 溫度分布。在此，對于聚烯烴聚合反應(yīng)中的槽內(nèi)溫度行為，在流化床型反應(yīng)器 中進(jìn)行考慮了 DEM中的反應(yīng)的解析(參考非專利文獻(xiàn)4)。非專利文獻(xiàn)l: H.Reichert， F,Vock， E.Kolk and R.Sinn， 'Mechanical Behaviour of Stirred Beds with and without Aeration', Ger. Chem. Eng., 1, 82-88 ( 1978 )非專利文獻(xiàn)2: B.Cooker and R. M. Nedderman, 'Mixing in a Helical Ribbon Powder Agitator'， Powder Technol. ， 46, 263-269 ( 1986)非專利文獻(xiàn)3: Y. Kaneko， T. Shiojima and M. Horio， 'NumericalAnalysis of Mixing Characteristics in Single Helical Ribbon Powder Agitators Using DEM Simulation', Powder Technol., 108 ( 1 ) ( 2000 ) 55-64非專利文獻(xiàn)4: Y. kaneko， T. Shiojima and M Horio, 'DEM Simulation of Fluidized Beds for Gas-Phase Olefin Polymerization', Chem. Eng. Sci., 54 ( 1999 ) 5809-5821 (Included in Chapter 2 )發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題然而，非專利文獻(xiàn)4中記載的對于聚烯烴聚合反應(yīng)中槽內(nèi)溫度行為 的考慮了 DEM中反應(yīng)之后的解析，以二維反應(yīng)器為對象，且以稱為流 化床的混合時(shí)間非常短的設(shè)備為對象。另 一方面，本發(fā)明中作為對象的氣相聚合反應(yīng)是大型攪拌槽的固液 氣三相體系的聚合反應(yīng)，是混合時(shí)間為數(shù)分鐘的指令。因此，如果在DEM中直接考慮反應(yīng)，則存在計(jì)算時(shí)間變得非常龐 大而事實(shí)上無法計(jì)算的問題。在此，本發(fā)明中作為對象的攪拌槽呈現(xiàn)出非常規(guī)矩的混合行為。因此，本發(fā)明的發(fā)明者們進(jìn)行了銳意研究，結(jié)果通過用DEM計(jì)算 粉體的速度場，并在其中偶合熱平衡，由此開發(fā)出計(jì)算聚合槽內(nèi)的溫度 分布的方法，從而完成了本發(fā)明。根據(jù)該方法，計(jì)算時(shí)間被大幅縮短， 從而能夠現(xiàn)實(shí)地進(jìn)行計(jì)算。即，使用該方法，可以用于不擴(kuò)大溫度分布而能夠有效冷卻的氣相 聚合反應(yīng)槽的最佳設(shè)計(jì)，而且，能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)溫度條件、攪拌條件、 生產(chǎn)量等反應(yīng)條件的最優(yōu)化。本發(fā)明是鑒于所述情況而完成的，其目的在于提供在氣液固三相 體系中，對于伴有反應(yīng)*相變化的復(fù)雜體系的單螺旋翼氣相聚合反應(yīng)槽， 通過將DEM和連續(xù)體模型偶合的解析法來推算槽內(nèi)溫度分布的聚合槽 溫度分布推算設(shè)備以及聚合槽溫度分布推算程序。用于解決技術(shù)問題的方法為了達(dá)成所述目的，本發(fā)明的聚合槽溫度分布推算設(shè)備推算氣相聚 合反應(yīng)槽內(nèi)的溫度分布，其具有如下裝置作為構(gòu)成粒子速度場計(jì)算裝 置，其通過離散元法計(jì)算攪拌場中每隔規(guī)定時(shí)間的全部粒子的位置和速度；平均化裝置，其對用規(guī)定單元將氣相聚合反應(yīng)槽分割而得到的每個(gè) 微小要素，計(jì)算每段時(shí)間的粒子速度平均值，并且計(jì)算各微小要素內(nèi)時(shí) 間平均化后的粒子速度；粒子速度校正裝置，其對各微小要素進(jìn)行校正， 使得時(shí)間平均化后的粒子速度滿足粒子質(zhì)量守恒方程；氣液速度計(jì)算裝 置，其使用經(jīng)校正的粒子速度作為氣液速度的初始值；氣液速度校正裝 置，其對各微小要素進(jìn)行校正，使得氣液速度的初始值滿足氣液質(zhì)量守 恒方程；粒子溫度分布計(jì)算裝置，其計(jì)算各微小要素各自的粒子的反應(yīng) 熱以及粒子與氣液之間的傳熱系數(shù)，用經(jīng)校正的粒子速度、反應(yīng)熱、傳 熱系數(shù)，根據(jù)粒子焓守恒方程計(jì)算粒子焓，并根據(jù)對應(yīng)于使用物質(zhì)的任 意換算式來計(jì)算粒子焓所對應(yīng)的粒子溫度；氣液溫度分布計(jì)算裝置，其 用經(jīng)校正的氣液速度、傳熱系數(shù)，根據(jù)氣液焓守恒方程計(jì)算氣液焓，并 根據(jù)對應(yīng)于使用物質(zhì)的任意換算式來計(jì)算氣液焓所對應(yīng)的氣液溫度；參 考信息形成裝置，其每隔規(guī)定時(shí)間輸出所計(jì)算的粒子溫度和氣液溫度。如果使聚合槽溫度分布推算設(shè)備為這樣的構(gòu)成，則在氣液固三相體 系中，對于伴有反應(yīng) 相變化的復(fù)雜體系的氣相聚合反應(yīng)槽，通過將 DEM和連續(xù)體模型偶聯(lián)的解析法，可以推算槽內(nèi)的溫度分布。因此，能夠?qū)⒂?jì)算時(shí)間大幅縮短，現(xiàn)實(shí)地進(jìn)行溫度分布的計(jì)算。 而且，此時(shí)，使如下操作成為可能，從而實(shí)現(xiàn)所述溫度分布的計(jì)算 將通過DEM計(jì)算的攪拌槽內(nèi)的粒子速度分布分配到將攪拌槽分割為微 小要素而得的各區(qū)域時(shí)，以能夠滿足物質(zhì)平衡方程的方式進(jìn)行速度校 正。由此，可以用于不擴(kuò)大溫度分布而能夠有效冷卻的氣相聚合反應(yīng)槽 的最佳設(shè)計(jì)，且能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)溫度條件、攪拌條件、生產(chǎn)量等反應(yīng) 條件的最優(yōu)化。此外，本發(fā)明的聚合槽溫度分布推算設(shè)備的構(gòu)成如下氣液溫度分 布計(jì)算裝置使用氣液焓，根據(jù)對應(yīng)于使用物質(zhì)的任意換算式計(jì)算氣液 比。此外，本發(fā)明的聚合槽溫度分布推算設(shè)備的構(gòu)成如下氣液溫度分 布計(jì)算裝置使用氣液溫度，根據(jù)對應(yīng)于使用物質(zhì)的任意換算式計(jì)算氣液密度。如果使聚合槽溫度分布推算設(shè)備為這樣的構(gòu)成，則通過氣液溫度分 布計(jì)算裝置可以計(jì)算氣液比、氣液密度，并能夠用于氣相聚合反應(yīng)槽的最佳設(shè)計(jì)。此外，本發(fā)明的聚合槽溫度分布推算設(shè)備的構(gòu)成如下: 粒子質(zhì)量守恒方程為4 (wO+_去("J+{) = 0r:半徑位置 0:圓周方向位置 z:垂直位置 ps:粒子密 度 us:半徑方向粒子速度 vs:圓周方向粒子速度 ws:垂直 方向粒子速度；氣液質(zhì)量守恒方程為4 (W")+i ^ W + "p:氣液密度 u:半徑方向氣液速度 v:圓周方向氣液速度 w:垂直方向氣液速度； 粒子焓守恒方程為》a)++i》a )++"a )=e -/Li (r, - r)Hs:粒子焓 cp:每單位體積的粒子質(zhì)量 Q:反應(yīng)熱 h: 傳熱系數(shù) As:每單位體積的粒子界面積 Ts:粒子溫度 T: 氣液溫度；氣液焓守恒方程為H:氣液焓。如果使聚合槽溫度分布推算設(shè)備為這樣的構(gòu)成，則粒子質(zhì)量守恒方 程、氣液質(zhì)量守恒方程、粒子焓守恒方程、氣液焓守恒方程具體可以使 用如上所述的各式，能夠進(jìn)行確切的計(jì)算。此外，本發(fā)明的聚合槽溫度分布推算設(shè)備的構(gòu)成如下氣相聚合反 應(yīng)槽具有單螺旋翼。如果使聚合槽溫度分布推算設(shè)備為這樣的構(gòu)成，則作為氣相聚合反 應(yīng)槽，可以很好地推算特別是具有單螺旋翼的氣相聚合反應(yīng)槽在聚合時(shí) 的溫度分布。此外，本發(fā)明的聚合槽溫度分布推算程序，其用于使聚合槽溫度分 布推算設(shè)備推算氣相聚合反應(yīng)槽內(nèi)的溫度分布，其構(gòu)成是使聚合槽溫度 分布推算設(shè)備作為如下裝置發(fā)揮作用粒子速度場計(jì)算裝置，其通過離散元法計(jì)算攪拌場中每隔規(guī)定時(shí)間的全部粒子的位置和速度；平均化裝 置，其對用規(guī)定單元將氣相聚合反應(yīng)槽分割而得到的每個(gè)微小要素，計(jì) 算每段時(shí)間的粒子速度平均值，并且計(jì)算各微小要素內(nèi)時(shí)間平均化后的 粒子速度；粒子速度校正裝置，其對各微小要素進(jìn)行校正，使得時(shí)間平 均化后的粒子速度滿足粒子質(zhì)量守恒方程；氣液速度計(jì)算裝置，其使用 經(jīng)校正的粒子速度作為氣液速度的初始值；氣液速度校正裝置，其對各 微小要素進(jìn)行校正，使得氣液速度的初始值滿足氣液質(zhì)量守恒方程；粒 子溫度分布計(jì)算裝置，其計(jì)算各微小要素各自的粒子的反應(yīng)熱以及粒子 與氣液之間的傳熱系數(shù)，用經(jīng)校正的粒子速度、反應(yīng)熱、傳熱系數(shù)，根 據(jù)粒子焓守恒方程計(jì)算粒子焓，并根據(jù)對應(yīng)于使用物質(zhì)的任意換算式計(jì) 算粒子焓所對應(yīng)的粒子溫度；氣液溫度分布計(jì)算裝置，其用經(jīng)校正的氣 液速度、傳熱系數(shù)，根據(jù)氣液焓守恒方程計(jì)算氣液焓，并根據(jù)對應(yīng)于使 用物質(zhì)的任意換算式計(jì)算氣液焓所對應(yīng)的氣液溫度；參考信息形成裝 置，其每隔規(guī)定時(shí)間輸出所計(jì)算的粒子溫度和氣液溫度。此外，本發(fā)明的聚合槽溫度分布推算程序的構(gòu)成如下在氣液溫度 分布計(jì)算裝置中，用氣液焓、根據(jù)對應(yīng)于使用物質(zhì)的任意換算式計(jì)算氣 液比。此外，本發(fā)明的聚合槽溫度分布推算程序的構(gòu)成如下在氣液溫度 分布計(jì)算裝置中，用氣液溫度、根據(jù)對應(yīng)于使用物質(zhì)的任意換算式計(jì)算 氣液密度。此外，本發(fā)明的聚合槽溫度分布推算程序的構(gòu)成如下 粒子質(zhì)量守恒方程為<formula>formula see original document page 11</formula>n半徑位置 e:圓周方向位置 z:垂直位置 ps:粒子密 度 us:半徑方向粒子速度 vs:圓周方向粒子速度 ws:垂直 方向粒子速度；氣液質(zhì)量守恒方程為p:氣液密度 u:半徑方向氣液速度 v:圓周方向氣液速度 w:垂直方向氣液速度； 粒子焓守恒方程為a(a)+i{(甲A)+i去(^a)++"a ) - e - h " 一Hs:粒子焓 cp:每單位體積的粒子質(zhì)量 Q:反應(yīng)熱 Ik傳熱系數(shù) As:每單位體積的粒子界面積 Ts:粒子溫度 T: 氣液溫度；氣液焓守恒方程為H:氣液焓。如果使聚合槽溫度分布推算程序?yàn)檫@樣的構(gòu)成，則在聚合槽溫度分 布推算設(shè)備中，在氣液固三相體系中，對于伴有反應(yīng) 相變化的復(fù)雜體 系的氣相聚合反應(yīng)槽，通過將DEM和連續(xù)體模型偶聯(lián)的解析法可以確 切地推算槽內(nèi)的溫度分布等。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，在氣液固三相體系中，對于伴有反應(yīng) 相變化的復(fù)雜體系的單螺旋翼氣相聚合反應(yīng)槽，通過將DEM和連續(xù)體模型偶聯(lián)的解 析法推算槽內(nèi)的溫度分布，從而能夠?qū)⒂?jì)算時(shí)間大幅縮短，現(xiàn)實(shí)地進(jìn)行 溫度分布的計(jì)算。因此，可以用于不擴(kuò)大溫度分布而能夠有效冷卻的氣相聚合反應(yīng)槽 的最佳設(shè)計(jì)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)溫度條件、攪拌條件、生產(chǎn)量等反 應(yīng)條件的最優(yōu)化。


圖1:表示本發(fā)明一種實(shí)施方式的聚合槽溫度分布推算設(shè)備的構(gòu)成 的框圖。圖2:表示本發(fā)明一種實(shí)施方式的聚合槽溫度分布推算設(shè)備的處理 順序的流程圖。圖3:表示利用本發(fā)明一種實(shí)施方式的聚合槽溫度分布推算設(shè)備的 商業(yè)用大型聚合槽內(nèi)的實(shí)測溫度與計(jì)算值的比較圖。圖4:表示本發(fā)明一種實(shí)施方式的聚合槽溫度分布推算設(shè)備的計(jì)算 結(jié)果的圖。
具體實(shí)施方式
以下，邊參考附圖邊說明本發(fā)明的聚合槽溫度分布推算設(shè)備優(yōu)選的 實(shí)施方式。設(shè)備通過被程序控制的s算機(jī)i行工作。、計(jì)算機(jī)的,cpu基;程序?qū)? 令送到計(jì)算機(jī)的各構(gòu)成要素，從而進(jìn)行聚合槽溫度分布推算設(shè)備的工作 所必需的規(guī)定處理，例如粒子速度計(jì)算處理、每個(gè)微小要素的粒子速度 的空間.時(shí)間平均化處理、粒子速度的校正計(jì)算處理、氣液速度的校正 計(jì)算處理、粒子焓計(jì)算處理、氣液焓計(jì)算處理、從焓開始的溫度等計(jì)算 處理等。這樣，本發(fā)明的聚合槽溫度分布推算設(shè)備中的各種處理、工作 能夠通過程序和計(jì)算機(jī)協(xié)作的具體方法來實(shí)現(xiàn)。程序還可以;故預(yù)先收納于ROM、 RAM等記錄介質(zhì)，使程序從裝備 于計(jì)算機(jī)的記錄介質(zhì)讀入到該計(jì)算機(jī)來實(shí)行，例如介由通信線路讀入到計(jì)算機(jī)。此外，收納程序的記錄介質(zhì)可以通過例如半導(dǎo)體存儲器、磁盤、光盤、能夠用其他任意計(jì)算機(jī)讀取的任意記錄裝置來構(gòu)成。首先，對于本發(fā)明一種實(shí)施方式的構(gòu)成，參考圖l進(jìn)行說明。圖1是表示本實(shí)施方式的聚合槽溫度分布推算設(shè)備構(gòu)成的框圖。如圖l所示，本實(shí)施方式的聚合槽溫度分布推算設(shè)備100具有如下裝置攪拌場粒子速度場計(jì)算裝置101,溫度分布計(jì)算用數(shù)據(jù)輸入 設(shè) 定裝置102,對于各微小要素的平均化裝置103,粒子速度校正裝置104， 氣液速度計(jì)算裝置105，氣液速度校正裝置106,粒子溫度分布計(jì)算裝 置107,氣液溫度分布計(jì)算裝置108,焓變化信息記憶裝置109,參考信 息形成裝置IIO,參考信息記憶裝置lll。攪拌場粒子速度場計(jì)算裝置101是利用離散元法(DEM)計(jì)算攪拌 場的粒子速度場的裝置，如圖1所示，其具有數(shù)據(jù)輸7v設(shè)定裝置101a、 全部粒子速度場計(jì)算裝置101b、全部粒子速度場記憶裝置101c。數(shù)據(jù)輸入.設(shè)定裝置101a是將成為計(jì)算對象的各種數(shù)據(jù)輸入到聚 合槽溫度分布推算設(shè)備100中，并設(shè)定為利用DEM的計(jì)算式的裝置。作為成為該計(jì)算對象的數(shù)據(jù)，可以列舉包括槽形狀、攪拌翼形狀、 攪拌轉(zhuǎn)數(shù)等的攪拌槽數(shù)據(jù)，包括粒徑、粒子性狀(摩擦系數(shù)等)、粒子 個(gè)數(shù)等的粒子數(shù)據(jù)，包括計(jì)算次數(shù)、計(jì)算時(shí)間步長等的計(jì)算數(shù)據(jù)等。全部粒子速度場計(jì)算裝置101b以所述的攪拌槽數(shù)據(jù)、粒子數(shù)據(jù)、 計(jì)算數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用DEM計(jì)算每段時(shí)間各粒子的位置.速度。對于具 體的計(jì)算方法，由于按照DEM的已有方法(參考非專利文獻(xiàn)3),因 而省略。全部粒子速度場記憶裝置101c記憶通過DEM計(jì)算的每段時(shí)間的全 部粒子的位置.速度。即、對于每段時(shí)間的全部粒子的數(shù)據(jù)記錄作為 DEM計(jì)算結(jié)果的輸出數(shù)據(jù)的粒子位置和粒子速度。溫度分布計(jì)算用數(shù)據(jù)輸入.設(shè)定裝置102是將溫度分布計(jì)算用的各 種數(shù)據(jù)輸入到聚合槽溫度分布推算設(shè)備100,并轉(zhuǎn)移到對各微小要素的 平均化裝置103中的微小要素內(nèi)粒子的空間平均化裝置103a的裝置。作為該溫度分布計(jì)算用的數(shù)據(jù)，可以列舉攪拌槽形狀、微小要素形 狀等的物性值，微小要素分割數(shù)等。對各微小要素的平均化裝置103,將DEM計(jì)算結(jié)果的輸出數(shù)據(jù)分 配到將攪拌槽分割而得的微小要素中，對各要素計(jì)算毎小時(shí)的粒子速度 的平均值。應(yīng)說明的是，所謂微小要素，是表示圓筒座標(biāo)網(wǎng)格等，在本實(shí)施方式中，將把圓筒座標(biāo)離散化為15x40x35的網(wǎng)格作為微小要素。在此，以下示出的方程式是用控制體積(Control Volume)法、在 圓筒座標(biāo)系中離散化而得的。應(yīng)說明的是，作為焓守恒方程，考慮到計(jì) 算的穩(wěn)定性，使用分裂差分(風(fēng)上差分)。對于非定常項(xiàng)，釆用SETS 法，對于聚合物中的單體濃度，各網(wǎng)格.各時(shí)間步驟分別用 Newton-Raphson法計(jì)算。此外，每個(gè)網(wǎng)才各將全部粒子的速度平均化，最 終得到粒子速度的時(shí)間平均值，但如此平均化而得的粒子速度由于不完 全滿足質(zhì)量守恒原則，所以由質(zhì)量守恒方程計(jì)算r方向、或z方向的速 度以使其滿足。即、通常在網(wǎng)格中由質(zhì)量守恒方程求出r方向速度，在 接觸反應(yīng)器外壁的網(wǎng)格中，r方向速度根據(jù)邊界條件而為0,從而求出z 方向速度。微小要素內(nèi)粒子的空間平均化裝置103a,用DEM計(jì)算結(jié)果的輸出 數(shù)據(jù)和從溫度分布計(jì)算用數(shù)據(jù)輸入.設(shè)定裝置102輸入的溫度分布計(jì)算 用數(shù)據(jù)，計(jì)算粒子速度初始數(shù)據(jù)(1 )。作為該粒子速度初始數(shù)據(jù)(1 ), 可以包括各時(shí)間的各微小要素內(nèi)平均化后的粒子速度和各時(shí)間的各微 小要素內(nèi)的粒子個(gè)數(shù)。時(shí)間平均化裝置103b基于粒子速度初始數(shù)據(jù)(1 )計(jì)算每個(gè)要素的 時(shí)間平均值。即、時(shí)間平均化裝置103b用粒子速度初始數(shù)據(jù)(1)計(jì)算 粒子速度初始數(shù)據(jù)(2)。作為該粒子速度初始數(shù)據(jù)(2)，可以包括在 各微小要素內(nèi)時(shí)間平均化后的粒子速度和各微小要素內(nèi)時(shí)間平均化后 的粒子個(gè)數(shù)。粒子速度校正裝置104對各微小要素進(jìn)行校正，使得粒子速度初始 數(shù)據(jù)(2)滿足下面的粒子質(zhì)量守恒方程。在該粒子質(zhì)量守恒方程中，對于粒子速度數(shù)據(jù)，當(dāng)微小要素不接觸 側(cè)壁時(shí)，將r、 e、 z、 ps、 vs、 Ws輸入到粒子質(zhì)量守恒方程中，將Us作為 校正值重新計(jì)算。此外，當(dāng)微小要素接觸側(cè)壁時(shí)，將r、 9、 z、 ps、 Us、Vs輸入到粒子質(zhì)量守恒方程中，將Ws作為校正值重新計(jì)算。氣液速度計(jì)算裝置105用粒子速度數(shù)據(jù)作為氣液速度初始數(shù)據(jù)。即、將氣液速度初始數(shù)據(jù)-沒為U=US, V=VS, W=WS。在此，對于氣液流(連續(xù)體)的速度場，由金子等人實(shí)施的在DEM 中考慮了氣體流動的解析的結(jié)果(Y. Kaneko, K. Sakakura and T. Shiojima, Symposium on Fluidization ( 2003 )),確認(rèn)氣流顯示出幾乎 與粒子相同的流動。由此，在這次的解析中，假設(shè)聚合槽內(nèi)部的液.氣流具有與粒子基 本相同的速度分布，則可利用由DEM得到的粉體的速度分布。通過使用這種假設(shè)，不需要解析與焓相連的運(yùn)動量平衡方程，就能 夠推算考慮了反應(yīng).相變化的溫度分布。然而，由于冷卻液從邊界流入、從液體向氣體的相變化，所以氣液 流不滿足質(zhì)量守恒方程。因此，氣液流也進(jìn)行與粒子的情況相同的校正。 此時(shí)，粒子的速度補(bǔ)正只要在計(jì)算開始時(shí)進(jìn)行一次即可，但氣液流的速 度補(bǔ)正因氣液平衡隨時(shí)間而變化，所以在每個(gè)時(shí)間步驟都必須進(jìn)行。應(yīng)說明的是，速度補(bǔ)正用質(zhì)量守恒方程進(jìn)行，但由于只有一次微分 項(xiàng)的離散化，所以補(bǔ)正的速度呈波狀分布，網(wǎng)格使用交錯(cuò)的格子。氣液速度校正裝置106對各微小要素進(jìn)行校正，使得氣液速度初始 數(shù)據(jù)滿足下面的氣液質(zhì)量守恒方程。在該氣液質(zhì)量守恒方程中，對于氣液速度數(shù)據(jù)，當(dāng)微小要素不接觸側(cè)壁時(shí)，將r、 0、 z、 p、 v、 w輸入到氣液質(zhì)量守恒方程中，將u作為 校正值重新計(jì)算。此外，當(dāng)微小要素接觸側(cè)壁時(shí)，將r、 0、 z、 p、 u、 v 輸入到氣液質(zhì)量守恒方程中，并將w作為校正值重新計(jì)算。粒子溫度分布計(jì)算裝置107是計(jì)算粒子溫度分布的裝置，如圖l所 示，具有反應(yīng)熱計(jì)算裝置107a、傳熱系數(shù)計(jì)算裝置107b、粒子焓分布 計(jì)算裝置107c。反應(yīng)熱計(jì)算裝置107a解析任意的反應(yīng)速度方程，計(jì)算各微小要素 各自的粒子的反應(yīng)熱Q。作為該反應(yīng)速度方程，例如可以4吏用如下方程式反應(yīng)熱可以根據(jù)下式計(jì)算。rs是每單位體積的反應(yīng)速度，作為考慮了聚丙烯粒子所含單體濃度 的速度^t型方程。省略單體濃度的詳細(xì)計(jì)算，用所述式表示每單位體積 的反應(yīng)速度rs,粒子所含的單體濃度(M)由Flory-Huggins式和 Gunn-Yamada式(G醒，R.D. and T.Yamada, 'AIChE J., 17, 134( 1971 ))推定。傳熱系數(shù)計(jì)算裝置107b由任意的模型方程計(jì)算粒子 氣液之間的 傳熱系數(shù)h。作為該才莫型方程，可以使用例如國井等人的式子(Kunii & Levenspiel， 'Fluidization Engineering ( Butterworth 1991))。粒子焓分布計(jì)算裝置107c使用經(jīng)校正的粒子速度數(shù)據(jù)、反應(yīng)熱Q、 傳熱系數(shù)h和如下示出的粒子焓守恒方程來計(jì)算粒子的焓Hs。<formula>formula see original document page 16</formula>應(yīng)說明的是，cp表示每單位體積的粒子質(zhì)量，用下述式表示。<formula>formula see original document page 16</formula>對于導(dǎo)熱項(xiàng)，由于影響少而省略。接著，用對應(yīng)于使用物質(zhì)的任意模型方程，由焓Hs計(jì)算溫度Ts。 使用物質(zhì)為聚丙烯時(shí)，作為該才莫型方程，可以使用例如Hs二CpsTs。 氣液溫度分布計(jì)算裝置108是計(jì)算氣液溫度分布的裝置，如圖l所示，具有氣液焓分布計(jì)算裝置108a、氣液比計(jì)算裝置108b、氣液密度計(jì)算裝置108c。氣液焓分布計(jì)算裝置108a使用經(jīng)校正的氣液速度數(shù)據(jù)、傳熱系數(shù)h和如下示出的氣液焓守恒方程來計(jì)算氣液的焓H 。l(p//) + i^_(,/0w//) + iA(;m;//)+^_(/Cm^)-M (j; 一r)接著，用對應(yīng)于使用物質(zhì)的任意模型方程，由焓H計(jì)算溫度T。 使用物質(zhì)為丙烯時(shí)，作為該才莫型方程，可以使用例如如下的換算式。 T=1.500H-3,750 (H<48.5) T=69.00 (48.5SHS99.8) T=1.763H-106.9474( H 〉 99.8 )氣液比計(jì)算裝置108b由氣液焓數(shù)據(jù)H和對應(yīng)于使用物質(zhì)的任意才莫 型方程計(jì)算氣液比。作為該才莫型方程，如果把氣相比率當(dāng)作otg、把液相比率當(dāng)作on,例 如溫度為沸點(diǎn)時(shí)，則可以如下所述，由焓來確定氣液比。 -(/f-仏)/組氣液密度計(jì)算裝置108c由氣液溫度數(shù)據(jù)T和對應(yīng)于使用物質(zhì)的任 意模型方程來計(jì)算氣液密度。使用物質(zhì)為丙烯時(shí)，作為模型方程，可以使用例如如下的式子。 pi (液體密度)=-0.006012T A 2-1.4839T + 553.26 pg (氣體密度)=5.609410 A國3T A 2國1.5436T + 152.92 p (氣液密度)=agxpg+ ( l-ag) xai (A為乘冪)焓變化信息記憶裝置109記憶由粒子溫度分布計(jì)算裝置107計(jì)算的 粒子焓數(shù)據(jù)Hs、以及由氣液溫度分布計(jì)算裝置108計(jì)算的氣液焓數(shù)據(jù)H, 從而在時(shí)間推進(jìn)的后述計(jì)算中能夠使用。參考信息形成裝置IIO使用由粒子速度校正裝置104、氣液速度校 正裝置106、粒子溫度分布計(jì)算裝置107、氣液溫度分布計(jì)算裝置108 計(jì)算的數(shù)據(jù)，來制作用于表示各種數(shù)據(jù)的分布并能夠參考的信息，并將 其記憶于參考信息記憶裝置111中。該參考信息形成裝置110如圖l所示，具有溫度分布參考信息形成裝置110a、速度分布參考信息形成裝置110b、氣液比分布參考信息形 成裝置110c。溫度分布參考信息形成裝置110a使用粒子溫度數(shù)據(jù)Ts來輸出最終 輸出數(shù)據(jù)(粒子溫度分布)。此外，使用氣液溫度數(shù)據(jù)T來輸出最終輸 出數(shù)據(jù)(氣液溫度分布)。速度分布參考信息形成裝置110b使用粒子速度數(shù)據(jù)來輸出最終輸 出數(shù)據(jù)(粒子速度分布)。此外，使用氣液速度數(shù)據(jù)來輸出最終輸出數(shù) 據(jù)(氣液速度分布)。氣液分布參考信息形成裝置110c使用氣液比來輸出最終輸出數(shù)據(jù) (氣液比分布)。參考信息記憶裝置111記憶從參考信息形成裝置110輸出的各種計(jì) 算數(shù)據(jù)，根據(jù)需要可以取出而保管。以下表示在所述式中使用的符號的說明。 <使用符號>As:每單位體積的粒子界面積[m2/m3]C*:活性點(diǎn)數(shù)濃度[mol/kg]H:焓[kcal/kg]H0:沸點(diǎn)焓[kcal/kg]蒸發(fā)潛熱[kcal/kg] △Hr:反應(yīng)熱[kcal/kg] M:聚合物中的單體濃度[mol/m3] Nup:粒子Nusselt數(shù)[畫] R:氣體常數(shù)[J/K/mo1] Rep:粒子Reynolds數(shù)[-] T:溫度[°C] ds:粒子直徑[m] h :傳熱系數(shù)[kcal/m/s/°C] n :每單位體積的粒子個(gè)數(shù)[個(gè)/m3] Rs:每單位體積的反應(yīng)速度[kg/m3/s] u: r方向速度[m/s] v: e方向速度[m/s] w: z方向速度[m/s]a:質(zhì)量百分率[wt/wt] p:密度[kg/m3]cp:每單位體積的粒子質(zhì)量[kg/m3] <下標(biāo)〉 0: ^刀士臺ii g: 氣體 1: 液體 s:粒子接著,對于本實(shí)施方式的聚合槽〉
參考圖2進(jìn)行說明圖2是表示， 流程圖。以下的處理中的計(jì)算，對于將解析對象的攪拌槽分割成微小要素而 得的各要素進(jìn)行。分割數(shù)優(yōu)選精度高，但從計(jì)算時(shí)間的關(guān)系出發(fā)， 10000- 100000是現(xiàn)實(shí)的。此外，除了粒子速度以外，對每隔微小時(shí)間 At分別進(jìn)行計(jì)算，如果即使推進(jìn)At整體溫度也幾乎沒有變化就結(jié)束計(jì) 算。作為At, 0.001 -0.05sec左右是合適的。首先，聚合槽溫度分布推算設(shè)備100中的攪拌場粒子速度場計(jì)算裝 置101通過數(shù)據(jù)輸入.設(shè)定裝置101a讀入攪拌槽形狀、攪拌轉(zhuǎn)數(shù)、粒 子形狀、粒子個(gè)數(shù)等數(shù)據(jù)(步驟IO)，與時(shí)間步長等一起作為DEM的 計(jì)算條件來進(jìn)行設(shè)定(步驟11)。接著，通過全部粒子速度場計(jì)算裝置101b計(jì)算粒子速度等，并將 其記憶在全部粒子速度場記憶裝置101c (步驟12)。此外，溫度分布計(jì)算用數(shù)據(jù)輸入.設(shè)定裝置102讀入攪拌槽形狀、 物性值、微小要素分割數(shù)等數(shù)據(jù)(步驟13),與時(shí)間步長等一起作為以 后進(jìn)行的溫度分布的計(jì)算條件來進(jìn)行設(shè)定(步驟14)。接著，對于各微小要素的平均化裝置103如上所述，通過微小要素 內(nèi)粒子的空間平均化裝置103a和時(shí)間平均化裝置103b將每個(gè)微小要素 的粒子速度的空間.時(shí)間平均化(步驟15)。接著，粒子速度校正裝置104進(jìn)行粒子速度的校正計(jì)算(步驟16), 氣液速度計(jì)算裝置105設(shè)定粒子速度作為氣液速度(步驟17)，氣液速 度校正裝置106進(jìn)行氣液速度的校正計(jì)算(步驟18 )。接著，粒子溫度分布計(jì)算裝置107計(jì)算粒子焓(步驟19)，同時(shí)氣 液溫度分布計(jì)算裝置108計(jì)算氣液焓(步驟20 ),粒子溫度分布計(jì)算裝 置107和氣液溫度分布計(jì)算裝置108如上所述，由焓計(jì)算溫度等(步驟 21)，每隔一段時(shí)間將計(jì)算結(jié)果作為輸出數(shù)據(jù)來輸出(步驟22)。聚合槽溫度分布推算設(shè)備100直到溫度變化達(dá)到微小為止，反復(fù)進(jìn) 行步驟18 ~步驟23的處理(步驟23的"否，，)，如果溫度變化變得微 小，則結(jié)束處理(步驟23的"是，，)。應(yīng)說明的是，這種情況下的微 小的溫度變化，可以是例如全部微小要素的溫度變化的合計(jì)值為0.01 ~o.rc左右的變化。接著，對于由本實(shí)施方式的聚合槽溫度分布推算設(shè)備IOO得到的模 擬結(jié)果，參考圖3和圖4進(jìn)行說明。首先，圖3是表示由本實(shí)施方式的聚合槽溫度分布推算設(shè)備得到的 商業(yè)用大型聚合槽內(nèi)的實(shí)測溫度與計(jì)算值的比較圖。圖3表示在商業(yè)用大型聚合槽中應(yīng)用了利用本實(shí)施方式的聚合槽溫 度分布推算設(shè)備的模擬的例子。根據(jù)圖3,計(jì)算結(jié)果的精度良好，能夠描繪實(shí)測值。由此可以說利 用本實(shí)施方式的聚合槽溫度分布推算設(shè)備100進(jìn)行的計(jì)算方法是妥當(dāng) 的。圖4是表示利用本實(shí)施方式的聚合槽溫度分布推算設(shè)備進(jìn)行的計(jì)算 結(jié)果的圖。圖4中示出對于各種情況的模擬結(jié)果(a)在生產(chǎn)速度小 的情況下，沒有冷卻液的側(cè)面進(jìn)料，(b)在生產(chǎn)速度大的情況下，沒 有冷卻液的側(cè)面進(jìn)料，(c)在生產(chǎn)速度大的情況下，有冷卻液的側(cè)面進(jìn)料。由(a)和(b),可以把握在提高生產(chǎn)速度情況下反應(yīng)槽內(nèi)的溫度 分布變化。圖4的情況，由于提高生產(chǎn)速度，槽內(nèi)的溫度分布分散a2 從5.0 [ 。C2]上升到8.9 [。C2]。即顯示出，如果提高生產(chǎn)速度，則溫度分布變寬。此外，由(b)和(c)可以把握在生產(chǎn)速度相同、將冷卻液側(cè)面進(jìn) 料情況下的反應(yīng)槽內(nèi)的溫度分布變化。圖4的情況，通過將冷卻液側(cè)面進(jìn)料，槽內(nèi)的溫度分布分散(72從 8.9 [ 。C2]降低到4.4 [ 。C2]。這樣，根據(jù)本實(shí)施方式的聚合槽溫度分布推算設(shè)備100，能夠預(yù)想攪拌聚合槽的溫度分布，從而能夠發(fā)現(xiàn)將產(chǎn)生的熱點(diǎn)消除或者使其降低 的方法。因此，設(shè)計(jì)攪拌聚合槽時(shí)，可以作為有用工具來使用。 如以上說明的那樣，根據(jù)本實(shí)施方式的聚合槽溫度分布推算設(shè)備， 在氣液固三相體系中，對于伴有反應(yīng).相變化的復(fù)雜體系的單螺旋翼氣相聚合反應(yīng)槽，通過將DEM和連續(xù)體模型偶聯(lián)的解析法，推算槽內(nèi)的 溫度分布，從而能夠大幅縮短計(jì)算時(shí)間、現(xiàn)實(shí)地進(jìn)行計(jì)算。此外，在能夠高效冷卻的氣相聚合反應(yīng)槽的最佳設(shè)計(jì)方面能夠活 用，還能夠測定反應(yīng)器內(nèi)溫度條件、攪拌條件、生產(chǎn)量等反應(yīng)條件的最 優(yōu)化。本發(fā)明并不限于以上的實(shí)施方式，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以說能夠 進(jìn)行各種變更實(shí)施。例如，只要能夠計(jì)算根據(jù)所述實(shí)施方式計(jì)算的溫度分布、速度分布、 氣液比分布，就能夠進(jìn)行改變框圖中示出的功能切分單位等的適當(dāng)變 更。產(chǎn)業(yè)實(shí)用性聚合反應(yīng)的溫度分布、速度分布、氣液比分布進(jìn)行才莫擬，可以適用于反 應(yīng)器的設(shè)計(jì)、聚合反應(yīng)條件的設(shè)定等。
權(quán)利要求
1.一種聚合槽溫度分布推算設(shè)備，其推算氣相聚合反應(yīng)槽內(nèi)的溫度分布，其特征在于，具備如下裝置粒子速度場計(jì)算裝置，其通過離散元法計(jì)算攪拌場中每隔規(guī)定時(shí)間的全部粒子的位置和速度；平均化裝置，其對用規(guī)定單元將所述氣相聚合反應(yīng)槽分割而得到的每個(gè)微小要素，計(jì)算每段時(shí)間的粒子速度的平均值，并且計(jì)算所述各微小要素內(nèi)時(shí)間平均化后的粒子速度；粒子速度校正裝置，其對所述各微小要素進(jìn)行校正，使得所述時(shí)間平均化后的粒子速度滿足粒子質(zhì)量守恒方程；氣液速度計(jì)算裝置，其使用所述經(jīng)校正的粒子速度作為氣液速度的初始值；氣液速度校正裝置，其對所述各微小要素進(jìn)行校正，使得所述氣液速度的初始值滿足氣液質(zhì)量守恒方程；粒子溫度分布計(jì)算裝置，其計(jì)算所述各微小要素各自的粒子的反應(yīng)熱以及粒子與氣液之間的傳熱系數(shù)，用所述經(jīng)校正的粒子速度、所述反應(yīng)熱、所述傳熱系數(shù)并根據(jù)粒子焓守恒方程計(jì)算粒子焓，并且根據(jù)對應(yīng)于使用物質(zhì)的任意換算式來計(jì)算對應(yīng)于所述粒子焓的粒子溫度；氣液溫度分布計(jì)算裝置，其用所述經(jīng)校正的氣液速度、所述傳熱系數(shù)，根據(jù)氣液焓守恒方程計(jì)算氣液焓，并根據(jù)對應(yīng)于使用物質(zhì)的任意換算式來計(jì)算對應(yīng)于所述氣液焓的氣液溫度；參考信息形成裝置，其每隔規(guī)定時(shí)間輸出所計(jì)算的所述粒子溫度和所述氣液溫度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合槽溫度分布推算設(shè)備，其特征在于，所述氣液溫度分布計(jì)算裝置用所述氣液焓、根據(jù)對應(yīng)于使用物質(zhì)的任意 換算式計(jì)算氣液比。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聚合槽溫度分布推算設(shè)備，其特征在 于，所述氣液溫度分布計(jì)算裝置用所述氣液溫度、根據(jù)對應(yīng)于使用物質(zhì) 的任意換算式計(jì)算氣液密度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的聚合槽溫度分布推算設(shè)備，其特征在于，所述粒子質(zhì)量守恒方程如下r:半徑位置 6:圓周方向位置 z:垂直位置ps:粒子密度us:半徑方向粒子速度 vs:圓周方向粒子速度 ws:垂直方 向粒子速度；所述氣液質(zhì)量守恒方程如下p:氣液密度 u:半徑方向氣液速度 v:圓周方向氣液速度 w:垂直方向氣液速度；所述粒子焓守恒方程如下士(a )+)+y卜g - h ( ; - nHs:粒子焓 qr.每單位體積的粒子質(zhì)量 Q:反應(yīng)熱 h: 傳熱系數(shù)As:每單位體積的粒子界面積 粒子溫度 T:氣液溫度；所述氣液焓守恒方程如下H:氣液焓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的聚合槽溫度分布推算設(shè)備， 其特征在于，所述氣相聚合反應(yīng)槽具有單螺旋翼。
6. —種聚合槽溫度分布推算程序，其用于使聚合槽溫度分布推算設(shè) 備推算氣相聚合反應(yīng)槽內(nèi)的溫度分布，其使所述聚合槽溫度分布推算設(shè) 備作為如下裝置發(fā)揮作用粒子速度場計(jì)算裝置，其通過離散元法計(jì)算攪拌場中每隔規(guī)定時(shí)間的全部粒子的位置和速度；平均化裝置，其對用規(guī)定單元將所述氣相聚合反應(yīng)槽分割而得到的 每個(gè)微小要素，計(jì)算每段時(shí)間的粒子速度平均值，并且計(jì)算所述各微小 要素內(nèi)時(shí)間平均化后的粒子速度；粒子速度校正裝置，其對所述各微小要素進(jìn)行校正，使得所述時(shí)間 平均化后的粒子速度滿足粒子質(zhì)量守恒方程；氣液速度計(jì)算裝置，其使用所述經(jīng)校正的粒子速度作為氣液速度的氣液速度校正裝置，其對所述各微小要素進(jìn)行校正，使得所述氣液 速度的初始值滿足氣液質(zhì)量守恒方程；粒子溫度分布計(jì)算裝置，其計(jì)算所述各微小要素各自的粒子的反應(yīng) 熱以及粒子與氣液之間的傳熱系數(shù)，用所述經(jīng)校正的粒子速度、所述反 應(yīng)熱、所述傳熱系數(shù)，根據(jù)粒子焓守恒方程計(jì)算粒子焓，并根據(jù)對應(yīng)于 使用物質(zhì)的任意換算式計(jì)算對應(yīng)于所述粒子焓的粒子溫度；氣液溫度分布計(jì)算裝置，其用所述經(jīng)校正的氣液速度、所述傳熱系 數(shù)，根據(jù)氣液焓守恒方程計(jì)算氣液焓，并根據(jù)對應(yīng)于使用物質(zhì)的任意換 算式計(jì)算對應(yīng)于所述氣液焓的氣液溫度；參考信息形成裝置，其每隔規(guī)定時(shí)間輸出所計(jì)算的所述粒子溫度和 所述氣液溫度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的聚合槽溫度分布推算程序，其用于實(shí)施如下操作在所述氣液溫度分布計(jì)算裝置中，用所述氣液焓、根據(jù)對應(yīng)于使用物質(zhì)的任意換算式計(jì)算氣液比。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的聚合槽溫度分布推算程序，其用于實(shí) 施如下操作在所述氣液溫度分布計(jì)算裝置中，用所述氣液溫度、根據(jù) 對應(yīng)于使用物質(zhì)的任意換算式計(jì)算氣液密度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6~8中任一項(xiàng)所述的聚合槽溫度分布推算程序， 其特征在于，所述粒子質(zhì)量守恒方程如下<formula>formula see original document page 4</formula>r:半徑位置 e:圓周方向位置 z:垂直位置 ps:粒子密度us:半徑方向粒子速度 vs:圓周方向粒子速度 ws:垂直方 向粒子速度；所述氣液質(zhì)量守恒方程如下p:氣液密度 u:半徑方向氣液速度 v:圓周方向氣液速度 w:垂直方向氣液速度；所述粒子焓守恒方程如下A(鞏)+i a(嘴h, )+1 ^fev^)+) - g - h - nHs:粒子焓 cp:每單位體積的粒子質(zhì)量 Q:反應(yīng)熱 h: 傳熱系數(shù)As:每單位體積的粒子界面積 Ts:粒子溫度 T:氣液溫度； 所述氣液焓守恒方程如下4(/O//)+i^_(r/0w//)+iA(-)+^_(/c7m^)-/li(7;-r)H:氣液焓:
全文摘要
本發(fā)明提供一種推算單螺旋翼的氣相聚合反應(yīng)槽內(nèi)的溫度分布的聚合槽溫度分布推算設(shè)備。該聚合槽溫度分布推算設(shè)備具備如下裝置用離散元法計(jì)算攪拌場每隔規(guī)定時(shí)間的全部粒子的位置、速度的裝置；計(jì)算反應(yīng)槽的每個(gè)微小要素的每段時(shí)間的粒子速度的平均值、并計(jì)算在各微小要素內(nèi)時(shí)間平均化而得的粒子速度的裝置；對每個(gè)微小要素進(jìn)行校正，以使其粒子速度滿足粒子質(zhì)量守恒方程的裝置；使用該校正后的粒子速度作為氣液速度初始值的裝置；對每個(gè)微小要素校正其初始值，以使?jié)M足氣液質(zhì)量守恒方程的裝置；用經(jīng)校正的粒子速度、每個(gè)微小要素的粒子的反應(yīng)熱、粒子與氣液之間的傳熱系數(shù)來計(jì)算粒子焓，并計(jì)算與其對應(yīng)的粒子溫度的裝置；用經(jīng)校正的氣液速度、傳熱系數(shù)來計(jì)算氣液焓，并計(jì)算與其對應(yīng)的氣液溫度的裝置；每隔規(guī)定時(shí)間地輸出經(jīng)計(jì)算得到的粒子溫度和氣液溫度的裝置。
文檔編號G06F19/00GK101277978SQ20068003632
公開日2008年10月1日 申請日期2006年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者宮寺智之, 金子安延 申請人:出光興產(chǎn)株式會社