高粘聚合物脱挥过程强化的机理、模型和方法

Devolatilization of highly viscous polymer with high efficiency is the key technology for the controllable polymerization and clean and safe applications of polymers, the process intensification is one of the most effective ways to devolatilize efficiently. Fluid flow, dispersion and mass transfer processes in high speed rotating devolatilizer are to be investigated by using experiment, theoretical analysis and numerical simulation approaches. The key problems for devolatilization of highly viscous polymer with high efficiency, the relations between flow structure and interface characteristics of highly viscous polymer, mechanism and model of devolatilization of highly viscous polymer, are expected to be broken through. The physical and mathematical models and related numerical approaches with high efficiency of fluid flow, dispersion, mass transfer processes of devolatilizer will be established. The fluid flow, dispersion and mass transfer processes of devolatilizer will be coupling simulated numerically. The principle and rules of devolatilization efficiency regulation will be clarified. The theory and approach of process intensification of devolatilization of highly viscous polymer will be constructed. The results will promote the development of high efficiency devolatilizer of highly viscous polymer and upgrade the polymer industries technology.

高粘聚合物的高效脱挥是聚合物可控制备和洁净安全使用的技术关键，而过程强化是实现高效脱挥最有效的技术手段之一。通过学科交叉，对高速离心式高效脱挥器内流体流动、分散和传质过程开展实验研究、理论分析和数值模拟，解决高粘聚合物高效脱挥两个关键科学问题，即：高粘聚合物流动结构与界面特性的构效关系、高粘聚合物脱挥的传质机理和模型，建立高效脱挥器内流体流动、分散和传质的物理和数学模型以及相关的高效数值方法，耦合模拟高效脱挥器内流体流动、分散和传质过程，阐明高粘聚合物脱挥效率调控的原理及规律，构建高粘度聚合物脱挥过程强化的理论和方法。研究成果将促进高粘聚合物高效脱挥器的开发和高分子材料工业技术水平的提升。

高分子聚合物中易挥发组分的脱除是化学工业中的重要单元操作，其过程的实现及效果关系到聚合物的可控制备和洁净安全使用。本课题提出了一种可用于实现高聚物中易挥发组分高效脱除的技术，通过综合采用理论分析、实验研究和数值模拟的方法对该过程的机理进行研究。首先，从高聚物中易挥发组分的扩散特性出发，通过对扩散系数与亨利系数的系统研究，提出了脱挥过程的动态扩散系数模型，并通过研究其变化规律建立了聚合物挥发分扩散系数的分子模拟方法。其次，对高黏聚合物在高速分散器中的液丝分散特性进行研究，建立了空腔区内液丝的停留形态模型，并在液丝的分散和流动特性基础上建立了液丝的表面更新速率模型。第三，对若干类典型结构下的高黏流体降膜过程进行研究，建立相应的流动模型与成膜面积模型。最后，对高速分散脱挥器的传质特性以及相应的起泡脱挥过程进行研究，建立了高速分散脱挥器的扩散脱挥传质模型、起泡脱挥模型，明确了转子区（填料区）和空腔区在脱挥过程中的贡献，并提出了总有效传质表面积模型。以上针对高效脱挥器内流体流动、分散和传质过程的研究成果，解决了高黏聚合物脱挥过程中两个关键难题：高粘聚合物流动结构与界面特性的构效关系、高粘聚合物脱挥的传质机理和模型。科学耦合高黏聚合物脱挥过程中的基本物性参数及典型环节，构建了高粘聚合物脱挥器科学设计的理论、模型和方法。