專利名稱：聚合槽溫度分布推算設備及聚合槽溫度分布推算程序的制作方法
技術領域：
本發明涉及推算單螺旋翼的氣相聚合反應槽的槽內溫度分布的聚 合槽溫度分布推算設備以及聚合槽溫度分布推算程序。
背景技術：
近年的聚丙烯製造工藝，隨著催化劑的高活性化和高立構規整性化 而被簡單化， 一般使用氣相聚合反應工藝。與以往的漿液聚合相比，由 于氣相聚合反應器不使用溶劑，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，因氣相狀態而熱容量低，所以溫度變化對于反應量變化有變 劇烈的傾向，且隨著設備的大型化、高負荷化，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，所以為了實現穩 定的運轉而必須充分把握聚合槽內的流動行為和聚合槽內的溫度分布， 并將冷卻方法最優4匕。對于流動行為一直以來都有報道，但多涉及基本的循環時間(參考非專利文獻l)、設備設計所必需的攪拌動力(參考非專利文獻2)。此外，對于這些要求，最近進行了使用離散元法(以下，有時稱為DEM)的解析，來研究層內詳細的流動行為(參考非專利文獻3)。然而，非專利文獻3雖然示出了使用DEM來模擬攪拌反應器內的 粒子流動的研究，但并沒有考慮到反應，因此不能由此推算聚合槽內的 溫度分布。在此，對于聚烯烴聚合反應中的槽內溫度行為，在流化床型反應器 中進行考慮了 DEM中的反應的解析(參考非專利文獻4)。非專利文獻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 )發明內容本發明要解決的技術問題然而，非專利文獻4中記載的對于聚烯烴聚合反應中槽內溫度行為 的考慮了 DEM中反應之后的解析，以二維反應器為對象，且以稱為流 化床的混合時間非常短的設備為對象。另 一方面，本發明中作為對象的氣相聚合反應是大型攪拌槽的固液 氣三相體系的聚合反應，是混合時間為數分鐘的指令。因此，如果在DEM中直接考慮反應，則存在計算時間變得非常龐 大而事實上無法計算的問題。在此，本發明中作為對象的攪拌槽呈現出非常規矩的混合行為。因此，本發明的發明者們進行了銳意研究，結果通過用DEM計算 粉體的速度場，并在其中偶合熱平衡，由此開發出計算聚合槽內的溫度 分布的方法，從而完成了本發明。根據該方法，計算時間被大幅縮短， 從而能夠現實地進行計算。即，使用該方法，可以用于不擴大溫度分布而能夠有效冷卻的氣相 聚合反應槽的最佳設計，而且，能夠實現反應器內溫度條件、攪拌條件、 生產量等反應條件的最優化。本發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*相變化的復雜體系的單螺旋翼氣相聚合反應槽， 通過將DEM和連續體模型偶合的解析法來推算槽內溫度分布的聚合槽 溫度分布推算設備以及聚合槽溫度分布推算程序。用于解決技術問題的方法為了達成所述目的，本發明的聚合槽溫度分布推算設備推算氣相聚 合反應槽內的溫度分布，其具有如下裝置作為構成粒子速度場計算裝 置，其通過離散元法計算攪拌場中每隔規定時間的全部粒子的位置和速度；平均化裝置，其對用規定單元將氣相聚合反應槽分割而得到的每個 微小要素，計算每段時間的粒子速度平均值，并且計算各微小要素內時 間平均化后的粒子速度；粒子速度校正裝置，其對各微小要素進行校正， 使得時間平均化后的粒子速度滿足粒子質量守恒方程；氣液速度計算裝 置，其使用經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，其對各微小要素進行校正，使得氣液速度的初始值滿足氣液質量守 恒方程；粒子溫度分布計算裝置，其計算各微小要素各自的粒子的反應 熱以及粒子與氣液之間的傳熱系數，用經校正的粒子速度、反應熱、傳 熱系數，根據粒子焓守恒方程計算粒子焓，并根據對應于使用物質的任 意換算式來計算粒子焓所對應的粒子溫度；氣液溫度分布計算裝置，其 用經校正的氣液速度、傳熱系數，根據氣液焓守恒方程計算氣液焓，并 根據對應于使用物質的任意換算式來計算氣液焓所對應的氣液溫度；參 考信息形成裝置，其每隔規定時間輸出所計算的粒子溫度和氣液溫度。如果使聚合槽溫度分布推算設備為這樣的構成，則在氣液固三相體 系中，對于伴有反應 相變化的復雜體系的氣相聚合反應槽，通過將 DEM和連續體模型偶聯的解析法，可以推算槽內的溫度分布。因此，能夠將計算時間大幅縮短，現實地進行溫度分布的計算。 而且，此時，使如下操作成為可能，從而實現所述溫度分布的計算 將通過DEM計算的攪拌槽內的粒子速度分布分配到將攪拌槽分割為微 小要素而得的各區域時，以能夠滿足物質平衡方程的方式進行速度校 正。由此，可以用于不擴大溫度分布而能夠有效冷卻的氣相聚合反應槽 的最佳設計，且能夠實現反應器內溫度條件、攪拌條件、生產量等反應 條件的最優化。此外，本發明的聚合槽溫度分布推算設備的構成如下氣液溫度分 布計算裝置使用氣液焓，根據對應于使用物質的任意換算式計算氣液 比。此外，本發明的聚合槽溫度分布推算設備的構成如下氣液溫度分 布計算裝置使用氣液溫度，根據對應于使用物質的任意換算式計算氣液密度。如果使聚合槽溫度分布推算設備為這樣的構成，則通過氣液溫度分 布計算裝置可以計算氣液比、氣液密度，并能夠用于氣相聚合反應槽的最佳設計。此外，本發明的聚合槽溫度分布推算設備的構成如下: 粒子質量守恒方程為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量 Q:反應熱 h: 傳熱系數 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備為這樣的構成，則粒子質量守恒方 程、氣液質量守恒方程、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，能夠進行確切的計算。此外，本發明的聚合槽溫度分布推算設備的構成如下氣相聚合反 應槽具有單螺旋翼。如果使聚合槽溫度分布推算設備為這樣的構成，則作為氣相聚合反 應槽，可以很好地推算特別是具有單螺旋翼的氣相聚合反應槽在聚合時 的溫度分布。此外，本發明的聚合槽溫度分布推算程序，其用于使聚合槽溫度分 布推算設備推算氣相聚合反應槽內的溫度分布，其構成是使聚合槽溫度 分布推算設備作為如下裝置發揮作用粒子速度場計算裝置，其通過離散元法計算攪拌場中每隔規定時間的全部粒子的位置和速度；平均化裝 置，其對用規定單元將氣相聚合反應槽分割而得到的每個微小要素，計 算每段時間的粒子速度平均值，并且計算各微小要素內時間平均化后的 粒子速度；粒子速度校正裝置，其對各微小要素進行校正，使得時間平 均化后的粒子速度滿足粒子質量守恒方程；氣液速度計算裝置，其使用 經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 微小要素進行校正，使得氣液速度的初始值滿足氣液質量守恒方程；粒 子溫度分布計算裝置，其計算各微小要素各自的粒子的反應熱以及粒子 與氣液之間的傳熱系數，用經校正的粒子速度、反應熱、傳熱系數，根 據粒子焓守恒方程計算粒子焓，并根據對應于使用物質的任意換算式計 算粒子焓所對應的粒子溫度；氣液溫度分布計算裝置，其用經校正的氣 液速度、傳熱系數，根據氣液焓守恒方程計算氣液焓，并根據對應于使 用物質的任意換算式計算氣液焓所對應的氣液溫度；參考信息形成裝 置，其每隔規定時間輸出所計算的粒子溫度和氣液溫度。此外，本發明的聚合槽溫度分布推算程序的構成如下在氣液溫度 分布計算裝置中，用氣液焓、根據對應于使用物質的任意換算式計算氣 液比。此外，本發明的聚合槽溫度分布推算程序的構成如下在氣液溫度 分布計算裝置中，用氣液溫度、根據對應于使用物質的任意換算式計算 氣液密度。此外，本發明的聚合槽溫度分布推算程序的構成如下 粒子質量守恒方程為<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量 Q:反應熱 Ik傳熱系數 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為這樣的構成，則在聚合槽溫度分 布推算設備中，在氣液固三相體系中，對于伴有反應 相變化的復雜體 系的氣相聚合反應槽，通過將DEM和連續體模型偶聯的解析法可以確 切地推算槽內的溫度分布等。發明效果根據本發明，在氣液固三相體系中，對于伴有反應 相變化的復雜體系的單螺旋翼氣相聚合反應槽，通過將DEM和連續體模型偶聯的解 析法推算槽內的溫度分布，從而能夠將計算時間大幅縮短，現實地進行 溫度分布的計算。因此，可以用于不擴大溫度分布而能夠有效冷卻的氣相聚合反應槽 的最佳設計，而且能夠實現反應器內溫度條件、攪拌條件、生產量等反 應條件的最優化。
圖1:表示本發明一種實施方式的聚合槽溫度分布推算設備的構成 的框圖。圖2:表示本發明一種實施方式的聚合槽溫度分布推算設備的處理 順序的流程圖。圖3:表示利用本發明一種實施方式的聚合槽溫度分布推算設備的 商業用大型聚合槽內的實測溫度與計算值的比較圖。圖4:表示本發明一種實施方式的聚合槽溫度分布推算設備的計算 結果的圖。
具體實施方式
以下，邊參考附圖邊說明本發明的聚合槽溫度分布推算設備優選的 實施方式。設備通過被程序控制的s算機i行工作。、計算機的,cpu基;程序將: 令送到計算機的各構成要素，從而進行聚合槽溫度分布推算設備的工作 所必需的規定處理，例如粒子速度計算處理、每個微小要素的粒子速度 的空間.時間平均化處理、粒子速度的校正計算處理、氣液速度的校正 計算處理、粒子焓計算處理、氣液焓計算處理、從焓開始的溫度等計算 處理等。這樣，本發明的聚合槽溫度分布推算設備中的各種處理、工作 能夠通過程序和計算機協作的具體方法來實現。程序還可以;故預先收納于ROM、 RAM等記錄介質，使程序從裝備 于計算機的記錄介質讀入到該計算機來實行，例如介由通信線路讀入到計算機。此外，收納程序的記錄介質可以通過例如半導體存儲器、磁盤、光盤、能夠用其他任意計算機讀取的任意記錄裝置來構成。首先，對于本發明一種實施方式的構成，參考圖l進行說明。圖1是表示本實施方式的聚合槽溫度分布推算設備構成的框圖。如圖l所示，本實施方式的聚合槽溫度分布推算設備100具有如下裝置攪拌場粒子速度場計算裝置101,溫度分布計算用數據輸入 設 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， 氣液速度計算裝置105，氣液速度校正裝置106,粒子溫度分布計算裝 置107,氣液溫度分布計算裝置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算裝置101是利用離散元法(DEM)計算攪拌 場的粒子速度場的裝置，如圖1所示，其具有數據輸7v設定裝置101a、 全部粒子速度場計算裝置101b、全部粒子速度場記憶裝置101c。數據輸入.設定裝置101a是將成為計算對象的各種數據輸入到聚 合槽溫度分布推算設備100中，并設定為利用DEM的計算式的裝置。作為成為該計算對象的數據，可以列舉包括槽形狀、攪拌翼形狀、 攪拌轉數等的攪拌槽數據，包括粒徑、粒子性狀(摩擦系數等)、粒子 個數等的粒子數據，包括計算次數、計算時間步長等的計算數據等。全部粒子速度場計算裝置101b以所述的攪拌槽數據、粒子數據、 計算數據為基礎，用DEM計算每段時間各粒子的位置.速度。對于具 體的計算方法，由于按照DEM的已有方法(參考非專利文獻3),因 而省略。全部粒子速度場記憶裝置101c記憶通過DEM計算的每段時間的全 部粒子的位置.速度。即、對于每段時間的全部粒子的數據記錄作為 DEM計算結果的輸出數據的粒子位置和粒子速度。溫度分布計算用數據輸入.設定裝置102是將溫度分布計算用的各 種數據輸入到聚合槽溫度分布推算設備100,并轉移到對各微小要素的 平均化裝置103中的微小要素內粒子的空間平均化裝置103a的裝置。作為該溫度分布計算用的數據，可以列舉攪拌槽形狀、微小要素形 狀等的物性值，微小要素分割數等。對各微小要素的平均化裝置103,將DEM計算結果的輸出數據分 配到將攪拌槽分割而得的微小要素中，對各要素計算毎小時的粒子速度 的平均值。應說明的是，所謂微小要素，是表示圓筒座標網格等，在本實施方式中，將把圓筒座標離散化為15x40x35的網格作為微小要素。在此，以下示出的方程式是用控制體積(Control Volume)法、在 圓筒座標系中離散化而得的。應說明的是，作為焓守恒方程，考慮到計 算的穩定性，使用分裂差分(風上差分)。對于非定常項，釆用SETS 法，對于聚合物中的單體濃度，各網格.各時間步驟分別用 Newton-Raphson法計算。此外，每個網才各將全部粒子的速度平均化，最 終得到粒子速度的時間平均值，但如此平均化而得的粒子速度由于不完 全滿足質量守恒原則，所以由質量守恒方程計算r方向、或z方向的速 度以使其滿足。即、通常在網格中由質量守恒方程求出r方向速度，在 接觸反應器外壁的網格中，r方向速度根據邊界條件而為0,從而求出z 方向速度。微小要素內粒子的空間平均化裝置103a,用DEM計算結果的輸出 數據和從溫度分布計算用數據輸入.設定裝置102輸入的溫度分布計算 用數據，計算粒子速度初始數據(1 )。作為該粒子速度初始數據(1 ), 可以包括各時間的各微小要素內平均化后的粒子速度和各時間的各微 小要素內的粒子個數。時間平均化裝置103b基于粒子速度初始數據(1 )計算每個要素的 時間平均值。即、時間平均化裝置103b用粒子速度初始數據(1)計算 粒子速度初始數據(2)。作為該粒子速度初始數據(2)，可以包括在 各微小要素內時間平均化后的粒子速度和各微小要素內時間平均化后 的粒子個數。粒子速度校正裝置104對各微小要素進行校正，使得粒子速度初始 數據(2)滿足下面的粒子質量守恒方程。在該粒子質量守恒方程中，對于粒子速度數據，當微小要素不接觸 側壁時，將r、 e、 z、 ps、 vs、 Ws輸入到粒子質量守恒方程中，將Us作為 校正值重新計算。此外，當微小要素接觸側壁時，將r、 9、 z、 ps、 Us、Vs輸入到粒子質量守恒方程中，將Ws作為校正值重新計算。氣液速度計算裝置105用粒子速度數據作為氣液速度初始數據。即、將氣液速度初始數據-沒為U=US, V=VS, W=WS。在此，對于氣液流(連續體)的速度場，由金子等人實施的在DEM 中考慮了氣體流動的解析的結果(Y. Kaneko, K. Sakakura and T. Shiojima, Symposium on Fluidization ( 2003 )),確認氣流顯示出幾乎 與粒子相同的流動。由此，在這次的解析中，假設聚合槽內部的液.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，不需要解析與焓相連的運動量平衡方程，就能 夠推算考慮了反應.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 流不滿足質量守恒方程。因此，氣液流也進行與粒子的情況相同的校正。 此時，粒子的速度補正只要在計算開始時進行一次即可，但氣液流的速 度補正因氣液平衡隨時間而變化，所以在每個時間步驟都必須進行。應說明的是，速度補正用質量守恒方程進行，但由于只有一次微分 項的離散化，所以補正的速度呈波狀分布，網格使用交錯的格子。氣液速度校正裝置106對各微小要素進行校正，使得氣液速度初始 數據滿足下面的氣液質量守恒方程。在該氣液質量守恒方程中，對于氣液速度數據，當微小要素不接觸側壁時，將r、 0、 z、 p、 v、 w輸入到氣液質量守恒方程中，將u作為 校正值重新計算。此外，當微小要素接觸側壁時，將r、 0、 z、 p、 u、 v 輸入到氣液質量守恒方程中，并將w作為校正值重新計算。粒子溫度分布計算裝置107是計算粒子溫度分布的裝置，如圖l所 示，具有反應熱計算裝置107a、傳熱系數計算裝置107b、粒子焓分布 計算裝置107c。反應熱計算裝置107a解析任意的反應速度方程，計算各微小要素 各自的粒子的反應熱Q。作為該反應速度方程，例如可以4吏用如下方程式反應熱可以根據下式計算。rs是每單位體積的反應速度，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計算，用所述式表示每單位體積 的反應速度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。傳熱系數計算裝置107b由任意的模型方程計算粒子 氣液之間的 傳熱系數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))。粒子焓分布計算裝置107c使用經校正的粒子速度數據、反應熱Q、 傳熱系數h和如下示出的粒子焓守恒方程來計算粒子的焓Hs。<formula>formula see original document page 16</formula>應說明的是，cp表示每單位體積的粒子質量，用下述式表示。<formula>formula see original document page 16</formula>對于導熱項，由于影響少而省略。接著，用對應于使用物質的任意模型方程，由焓Hs計算溫度Ts。 使用物質為聚丙烯時，作為該才莫型方程，可以使用例如Hs二CpsTs。 氣液溫度分布計算裝置108是計算氣液溫度分布的裝置，如圖l所示，具有氣液焓分布計算裝置108a、氣液比計算裝置108b、氣液密度計算裝置108c。氣液焓分布計算裝置108a使用經校正的氣液速度數據、傳熱系數h和如下示出的氣液焓守恒方程來計算氣液的焓H 。l(p//) + i^_(,/0w//) + iA(;m;//)+^_(/Cm^)-M (j; 一r)接著，用對應于使用物質的任意模型方程，由焓H計算溫度T。 使用物質為丙烯時，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 )氣液比計算裝置108b由氣液焓數據H和對應于使用物質的任意才莫 型方程計算氣液比。作為該才莫型方程，如果把氣相比率當作otg、把液相比率當作on,例 如溫度為沸點時，則可以如下所述，由焓來確定氣液比。 -(/f-仏)/組氣液密度計算裝置108c由氣液溫度數據T和對應于使用物質的任 意模型方程來計算氣液密度。使用物質為丙烯時，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算裝置107計算的 粒子焓數據Hs、以及由氣液溫度分布計算裝置108計算的氣液焓數據H, 從而在時間推進的后述計算中能夠使用。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、粒子溫度分布計算裝置107、氣液溫度分布計算裝置108 計算的數據，來制作用于表示各種數據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使用粒子溫度數據Ts來輸出最終 輸出數據(粒子溫度分布)。此外，使用氣液溫度數據T來輸出最終輸 出數據(氣液溫度分布)。速度分布參考信息形成裝置110b使用粒子速度數據來輸出最終輸 出數據(粒子速度分布)。此外，使用氣液速度數據來輸出最終輸出數 據(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據 (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 算數據，根據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*:活性點數濃度[mol/kg]H:焓[kcal/kg]H0:沸點焓[kcal/kg]蒸發潛熱[kcal/kg] △Hr:反應熱[kcal/kg] M:聚合物中的單體濃度[mol/m3] Nup:粒子Nusselt數[畫] R:氣體常數[J/K/mo1] Rep:粒子Reynolds數[-] T:溫度[°C] ds:粒子直徑[m] h :傳熱系數[kcal/m/s/°C] n :每單位體積的粒子個數[個/m3] Rs:每單位體積的反應速度[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:質量百分率[wt/wt] p:密度[kg/m3]cp:每單位體積的粒子質量[kg/m3] <下標〉 0: ^刀士臺ii g: 氣體 1: 液體 s:粒子接著,對于本實施方式的聚合槽〉
參考圖2進行說明圖2是表示， 流程圖。以下的處理中的計算，對于將解析對象的攪拌槽分割成微小要素而 得的各要素進行。分割數優選精度高，但從計算時間的關系出發， 10000- 100000是現實的。此外，除了粒子速度以外，對每隔微小時間 At分別進行計算，如果即使推進At整體溫度也幾乎沒有變化就結束計 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備100中的攪拌場粒子速度場計算裝 置101通過數據輸入.設定裝置101a讀入攪拌槽形狀、攪拌轉數、粒 子形狀、粒子個數等數據(步驟IO)，與時間步長等一起作為DEM的 計算條件來進行設定(步驟11)。接著，通過全部粒子速度場計算裝置101b計算粒子速度等，并將 其記憶在全部粒子速度場記憶裝置101c (步驟12)。此外，溫度分布計算用數據輸入.設定裝置102讀入攪拌槽形狀、 物性值、微小要素分割數等數據(步驟13),與時間步長等一起作為以 后進行的溫度分布的計算條件來進行設定(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 內粒子的空間平均化裝置103a和時間平均化裝置103b將每個微小要素 的粒子速度的空間.時間平均化(步驟15)。接著，粒子速度校正裝置104進行粒子速度的校正計算(步驟16), 氣液速度計算裝置105設定粒子速度作為氣液速度(步驟17)，氣液速 度校正裝置106進行氣液速度的校正計算(步驟18 )。接著，粒子溫度分布計算裝置107計算粒子焓(步驟19)，同時氣 液溫度分布計算裝置108計算氣液焓(步驟20 ),粒子溫度分布計算裝 置107和氣液溫度分布計算裝置108如上所述，由焓計算溫度等(步驟 21)，每隔一段時間將計算結果作為輸出數據來輸出(步驟22)。聚合槽溫度分布推算設備100直到溫度變化達到微小為止，反復進 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，則結束處理(步驟23的"是，，)。應說明的是，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值為0.01 ~o.rc左右的變化。接著，對于由本實施方式的聚合槽溫度分布推算設備IOO得到的模 擬結果，參考圖3和圖4進行說明。首先，圖3是表示由本實施方式的聚合槽溫度分布推算設備得到的 商業用大型聚合槽內的實測溫度與計算值的比較圖。圖3表示在商業用大型聚合槽中應用了利用本實施方式的聚合槽溫 度分布推算設備的模擬的例子。根據圖3,計算結果的精度良好，能夠描繪實測值。由此可以說利 用本實施方式的聚合槽溫度分布推算設備100進行的計算方法是妥當 的。圖4是表示利用本實施方式的聚合槽溫度分布推算設備進行的計算 結果的圖。圖4中示出對于各種情況的模擬結果(a)在生產速度小 的情況下，沒有冷卻液的側面進料，(b)在生產速度大的情況下，沒 有冷卻液的側面進料，(c)在生產速度大的情況下，有冷卻液的側面進料。由(a)和(b),可以把握在提高生產速度情況下反應槽內的溫度 分布變化。圖4的情況，由于提高生產速度，槽內的溫度分布分散a2 從5.0 [ 。C2]上升到8.9 [。C2]。即顯示出，如果提高生產速度，則溫度分布變寬。此外，由(b)和(c)可以把握在生產速度相同、將冷卻液側面進 料情況下的反應槽內的溫度分布變化。圖4的情況，通過將冷卻液側面進料，槽內的溫度分布分散(72從 8.9 [ 。C2]降低到4.4 [ 。C2]。這樣，根據本實施方式的聚合槽溫度分布推算設備100，能夠預想攪拌聚合槽的溫度分布，從而能夠發現將產生的熱點消除或者使其降低 的方法。因此，設計攪拌聚合槽時，可以作為有用工具來使用。 如以上說明的那樣，根據本實施方式的聚合槽溫度分布推算設備， 在氣液固三相體系中，對于伴有反應.相變化的復雜體系的單螺旋翼氣相聚合反應槽，通過將DEM和連續體模型偶聯的解析法，推算槽內的 溫度分布，從而能夠大幅縮短計算時間、現實地進行計算。此外，在能夠高效冷卻的氣相聚合反應槽的最佳設計方面能夠活 用，還能夠測定反應器內溫度條件、攪拌條件、生產量等反應條件的最 優化。本發明并不限于以上的實施方式，在本發明的范圍內，可以說能夠 進行各種變更實施。例如，只要能夠計算根據所述實施方式計算的溫度分布、速度分布、 氣液比分布，就能夠進行改變框圖中示出的功能切分單位等的適當變 更。產業實用性聚合反應的溫度分布、速度分布、氣液比分布進行才莫擬，可以適用于反 應器的設計、聚合反應條件的設定等。
權利要求
1.一種聚合槽溫度分布推算設備，其推算氣相聚合反應槽內的溫度分布，其特征在于，具備如下裝置粒子速度場計算裝置，其通過離散元法計算攪拌場中每隔規定時間的全部粒子的位置和速度；平均化裝置，其對用規定單元將所述氣相聚合反應槽分割而得到的每個微小要素，計算每段時間的粒子速度的平均值，并且計算所述各微小要素內時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行校正，使得所述時間平均化后的粒子速度滿足粒子質量守恒方程；氣液速度計算裝置，其使用所述經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行校正，使得所述氣液速度的初始值滿足氣液質量守恒方程；粒子溫度分布計算裝置，其計算所述各微小要素各自的粒子的反應熱以及粒子與氣液之間的傳熱系數，用所述經校正的粒子速度、所述反應熱、所述傳熱系數并根據粒子焓守恒方程計算粒子焓，并且根據對應于使用物質的任意換算式來計算對應于所述粒子焓的粒子溫度；氣液溫度分布計算裝置，其用所述經校正的氣液速度、所述傳熱系數，根據氣液焓守恒方程計算氣液焓，并根據對應于使用物質的任意換算式來計算對應于所述氣液焓的氣液溫度；參考信息形成裝置，其每隔規定時間輸出所計算的所述粒子溫度和所述氣液溫度。
2. 根據權利要求1所述的聚合槽溫度分布推算設備，其特征在于，所述氣液溫度分布計算裝置用所述氣液焓、根據對應于使用物質的任意 換算式計算氣液比。
3. 根據權利要求1或2所述的聚合槽溫度分布推算設備，其特征在 于，所述氣液溫度分布計算裝置用所述氣液溫度、根據對應于使用物質 的任意換算式計算氣液密度。
4. 根據權利要求1~3中任一項所述的聚合槽溫度分布推算設備，其特征在于，所述粒子質量守恒方程如下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量 Q:反應熱 h: 傳熱系數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. 根據權利要求1-4中任一項所述的聚合槽溫度分布推算設備， 其特征在于，所述氣相聚合反應槽具有單螺旋翼。
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 備推算氣相聚合反應槽內的溫度分布，其使所述聚合槽溫度分布推算設 備作為如下裝置發揮作用粒子速度場計算裝置，其通過離散元法計算攪拌場中每隔規定時間的全部粒子的位置和速度；平均化裝置，其對用規定單元將所述氣相聚合反應槽分割而得到的 每個微小要素，計算每段時間的粒子速度平均值，并且計算所述各微小 要素內時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行校正，使得所述時間 平均化后的粒子速度滿足粒子質量守恒方程；氣液速度計算裝置，其使用所述經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行校正，使得所述氣液 速度的初始值滿足氣液質量守恒方程；粒子溫度分布計算裝置，其計算所述各微小要素各自的粒子的反應 熱以及粒子與氣液之間的傳熱系數，用所述經校正的粒子速度、所述反 應熱、所述傳熱系數，根據粒子焓守恒方程計算粒子焓，并根據對應于 使用物質的任意換算式計算對應于所述粒子焓的粒子溫度；氣液溫度分布計算裝置，其用所述經校正的氣液速度、所述傳熱系 數，根據氣液焓守恒方程計算氣液焓，并根據對應于使用物質的任意換 算式計算對應于所述氣液焓的氣液溫度；參考信息形成裝置，其每隔規定時間輸出所計算的所述粒子溫度和 所述氣液溫度。
7. 根據權利要求6所述的聚合槽溫度分布推算程序，其用于實施如下操作在所述氣液溫度分布計算裝置中，用所述氣液焓、根據對應于使用物質的任意換算式計算氣液比。
8. 根據權利要求6或7所述的聚合槽溫度分布推算程序，其用于實 施如下操作在所述氣液溫度分布計算裝置中，用所述氣液溫度、根據 對應于使用物質的任意換算式計算氣液密度。
9. 根據權利要求6~8中任一項所述的聚合槽溫度分布推算程序， 其特征在于，所述粒子質量守恒方程如下<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量 Q:反應熱 h: 傳熱系數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
本發明提供一種推算單螺旋翼的氣相聚合反應槽內的溫度分布的聚合槽溫度分布推算設備。該聚合槽溫度分布推算設備具備如下裝置用離散元法計算攪拌場每隔規定時間的全部粒子的位置、速度的裝置；計算反應槽的每個微小要素的每段時間的粒子速度的平均值、并計算在各微小要素內時間平均化而得的粒子速度的裝置；對每個微小要素進行校正，以使其粒子速度滿足粒子質量守恒方程的裝置；使用該校正后的粒子速度作為氣液速度初始值的裝置；對每個微小要素校正其初始值，以使滿足氣液質量守恒方程的裝置；用經校正的粒子速度、每個微小要素的粒子的反應熱、粒子與氣液之間的傳熱系數來計算粒子焓，并計算與其對應的粒子溫度的裝置；用經校正的氣液速度、傳熱系數來計算氣液焓，并計算與其對應的氣液溫度的裝置；每隔規定時間地輸出經計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 優先權日2005年9月30日
發明者宮寺智之, 金子安延 申請人:出光興產株式會社