用于液相聚合反应的微反应器并行放大研究

Most polymerization processes are highly exothermic and fast, which require a strict control over mixing, heat and mass transfer in order to achieve good reaction performance. With obvious advantages such as large effective area-to-volume ratios, fast mixing, high heat and mass transfer rates, and homogeneous irradiation, etc., microreactors have been widely applied in a great deal of polymerization processes. However, the throughput of a single microreactor is usually too low to cover the production rate required by an industrial company.. This project aims to develop the numbered-up microreactor systems that are used for the liquid polymerization processes. At the outset, the hydrodynamics and mass transport phenomena of non-Newtonian fluid systems in single microreactors will be studied. Multichannel microreactor systems will be designed and constructed, and the flow distribution, mixing and mass transfer performance of non-Newtonian fluid systems in these numbered-up systems will be investigated. Then, the optimized multichannel microreactor systems will be applied for the liquid polymerization processes including both thermal polymerizations and photopolymerizations. The effects of various process parameters with homogeneous and heterogeneous operations on the reaction performance and the scale-up effect will be studied. In addition, the effect of the fluid distribution performance in the multichannel microreactor systems on the polymerization processes, the key factors and limitation of the numbering-up strategy will be elaborated. This project will provide fundamental data for the industrialization of microreactor technology in polymerization processes.

大部分聚合反应属于快速强放热过程，对混合、传质和传热的要求较为苛刻。微反应器由于具有大的比相界面积、快速的混合性能、高效的热/质传递速率、易于获得均匀的光照等优势，从而被广泛应用于聚合反应过程。然而，单一微反应器的通量难以满足工业上对聚合物产量的要求。. 本项目以开发用于液相聚合反应的微反应器并行放大系统为研究目的。研究单通道微反应器内非牛顿流体体系（均相和非均相）的流动及质量传递性能。设计多通道微反应器系统，且研究非牛顿流体在这些并行放大系统的流体分布、混合和传质性能。然后，将优化的多通道微反应器系统用于液相聚合反应过程（热聚合和光聚合），分别针对均相/非均相体系，系统研究工艺条件对反应行为及过程放大效应的影响，揭示多通道微反应器系统的流体分布状况对聚合反应过程的影响机制、通道数目放大的关键性因素及限度。本项目将为推进微化工技术在聚合反应过程的工业化应用提供科学依据。

聚合反应是重要的化工单元过程，通常涉及高粘及强放热体系，其过程调控难度大。微反应技术在聚合反应领域展现出广阔的应用前景。然而，有关微反应器内聚合反应过程中的传递反应规律以及过程放大的研究相对匮乏，相关的过程调控规律尚未建立起来。. 在该项目中，我们利用内部流场调控强化微尺度内高分子/聚合物溶液的混合及反应改性。导入惰性气体能明显提高微反应器内高分子溶液的微观混合及反应过程效率。求解数学模型获得弹状流/泡状流的速度场分布，剖析壁面剪切对复杂流体微观混合的促进作用，从而建立拉伸效率混合模型，发现在混合强化的基础上微通道内复杂流体的特征微观混合时间处在毫秒级别，为微反应器内聚合反应体系的调控提供重要借鉴。. 针对聚合反应过程如自由基聚合、缩聚、氧化还原聚合等，系统研究微反应器内的流变现象及流动模型，探索微尺度内聚合过程的动力学特征。阐明了均相/非均相反应流体物性变化与传递速率间的关系，建立数学模型预测分子扩散、弹状液滴内循环对聚合反应中传递的影响和基于“复杂流体物性-传递-聚合动力学”三者耦合关系的调控机制，优化聚合工艺及微反应器结构，从而实现平均分子量可控、分子量分布窄的高端聚合物（导电性聚合物微颗粒、支化聚合物、特种工程高分子材料等）的高效合成及过程强化，并利用白金汉π定理及统计理论开发用于预测并行多通道微反应器内聚合反应流体分布的模型，实现有效的过程放大。例如，我们利用微反应技术高效合成聚酰亚胺前驱体聚酰胺酸并进行亚胺化后获得光学性能、机械性能及热性能良好的聚酰亚胺薄膜材料，其在电子行业具有应用潜力。.综上，我们阐明了微尺度下非牛顿流体体系的流动和传递特征、传递强化对聚合反应过程的影响机制，提出了微反应合成功能聚合物材料的调控手段，开发了用于聚合反应过程且流体分布性能优异的多通道微反应器系统，为微反应技术在功能聚合物高效制备中的产业化应用提供基础。