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聚碳酸酯间歇反应过程建模

作　者: 于飞
导　师: 李玉刚
学　校: 青岛科技大学
专　业: 化学工程
关键词: 聚碳酸酯 界面缩聚 反应动力学 数学模型
分类号: TQ323.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 7次
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内容摘要


聚碳酸酯(PC)是一种典型的热塑性高分子材料,其综合性能优异,应用广泛,具有良好的市场前景。目前,PC的合成方法主要分两类,即界面缩聚光气法和熔融酯交换法,前者反应温度低、能量消耗少,可以获得多种级别的聚碳酸酯产品,用于世界上约90%的PC工业生产。PC工业生产主要采用界面缩聚光气法,即双酚A(BPA)和光气在有机相与水相的界面处进行缩聚反应。目前,聚碳酸酯的生产大多采用间歇式的生产方式。由于操作过程及人为因素的影响,各批次之间的产品分子量波动比较大,影响最终的产品质量。如果对每批次反应过程的分子量进行监控,当发现某个时刻的分子量偏离正常值,及时对进料流量进行调整,使得最终产品分子量达到正常值,这对提高产品质量具有重要意义。现在先进过程控制(也称先进控制)是一种比较成熟的控制技术,能够实现这种分子量的监控与调节,但是这种控制手段必须以数学模型为基础,因此,建立聚碳酸酯反应过程的动态模型意义重大。首先,本文深入分析了聚碳酸酯聚合过程的反应机理,聚碳酸酯的反应过程表观速率由反应速率和传质速率共同决定,研究了双酚A钠盐、苯酚和光气在水相和有机相的传质速率和反应速率,根据反应机理建立了反应动力学速率方程,结合矩速率方程及对流传质模型,建立了界面缩聚合成聚碳酸酯的反应过程模型。其次,根据中试试验数据对模型中的参数进行确定,采用四阶Runge-Kutta法对建立的数学模型进行求解,并将计算得到的模拟结果与中试试验数据进行了对比分析,模拟得到的聚碳酸酯数均分子量与试验值基本吻合,证明了所建模型具有良好的准确性,能够描述真实反应过程。最后,采用建立的聚碳酸酯反应过程模型对反应过程进行分析,研究了BPA钠盐和光气进料速度、苯酚含量等条件不同的情况下,有机相和水相中的物质含量、数据分子量和重均分子量的变化情况。根据分析结果,建立的数学模型能够用于反应过程分子量的调节与控制,为先进控制在PC合成过程中的应用提供模型或数据。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-11
1 文献综述  11-27
  1.1 聚碳酸酯简介  11-18
    1.1.1 聚碳酸酯的结构  11-13
    1.1.2 聚碳酸酯的性能及应用  13-14
    1.1.3 聚碳酸酯的合成工艺  14-18
  1.2 聚碳酸酯合成过程的建模  18-20
    1.2.1 化工过程建模  18-19
    1.2.2 聚碳酸酯合成过程的建模与控制  19-20
  1.3 建立数学模型的方法  20-26
    1.3.1 机理建模  20-22
    1.3.2 黑箱模型  22-24
    1.3.3 灰箱模型  24-26
  1.4 论文的研究内容和意义  26-27
2 聚碳酸酯的界面缩聚法合成工艺  27-35
  2.1 界面缩聚法  27-29
    2.2.1 界面缩聚法基本概念  27
    2.2.2 界面缩聚法合成聚碳酸酯  27-29
  2.2 界面缩聚法合成聚碳酸酯的影响因素分析  29-31
    2.2.1 催化剂问题  29-30
    2.2.2 有机相溶剂问题  30
    2.2.3 pH值  30
    2.2.4 物料摩尔比问题  30
    2.2.5 分子量控制问题  30-31
    2.2.6 氢氧化钠的用量问题  31
    2.2.7 其它因素  31
  2.4 聚碳酸酯间歇反应过程描述  31-32
  2.5 小结  32-35
3 聚碳酸酯反应过程建模  35-49
  3.1 反应过程机理分析  35-38
  3.2 模型假设  38-39
  3.3 反应动力学模型  39-46
    3.3.1 速率方程  39-41
    3.3.2 矩速率方程  41-45
    3.3.3 反应动力学模型  45-46
  3.4 聚碳酸酯的分子量模型  46-47
  3.5 小结  47-49
4 数学模型的求解及验证  49-53
  4.1 模型参数的确定  49
  4.2 模型求解  49-50
  4.3 模型验证  50-51
  4.4 小结  51-53
5 数学模型的应用及结果分析  53-61
  5.1 进料速度对反应的影响  53-56
    5.1.1 不同进料速度下,两相中BPA钠盐浓度随时间的变化  53-54
    5.1.2 不同进料速度下,分子量随时间的变化  54-55
    5.1.3 不同进料速度下,两相中苯酚浓度随时间的变化  55-56
  5.2 苯酚用量对反应的影响  56-57
  5.3 进料速度变化对分子量的调节作用  57-59
    5.3.1 分子量偏小时的调节过程  57-58
    5.3.2 分子量偏大时的调节过程  58-59
  5.4 小结  59-61
6 结论  61-63
  6.1 结论  61
  6.2 展望  61-63
参考文献  63-67
致谢  67-68
攻读学位期间发表的学术论文目录  68-69
独创性声明  69

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 合成树脂与塑料工业 > 缩聚类树脂及塑料 > 聚酯树脂及塑料
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