低密度聚乙烯(LDPE)聚合工艺模拟与分析

低密度聚乙烯（LDPE）聚合工艺模拟与分析

摘要：本文利用了Aspen Tech Inc.的Polymer Plus

建立了低密度聚乙烯聚合反应过程模拟，利用其灵敏度分析方法对影响产品产量和分子量的引发剂浓度、反应温度等因素进行了分析，得出了引发剂量的增加可以提高产量同时分子量下降；随着温度的升高数均分子量降低，聚合物产量PE上升；聚合物的分子量，聚合物产量随着聚合压力的升高而不断增大。

关键词: employer plus ；乙烯；聚合，流程模拟

1.介绍

LDPE又叫高压力聚乙烯，是世界上产量和需求量最大的产品之一。由于良好的物理和化学性质、容易成型和加工处理以及低成本，LDPE的应用范围已经深入到国家经济的各个方面。LDPE被广泛应用到工业之中。一般来说，乙烯在高压下经过基本的聚合反应得到LDPE。

在本文中应用到Aspen Tech Inc. 的Aspen Plus是化学工程过程的模拟软件。利用employer Plus 中的聚合模型中的灵敏度分析法来模拟LDPE的聚合过程，以研究聚合过程不同工艺条件对产品的产量和分子量的影响。

2 过程简介

连续搅拌反应器型低密度聚乙烯是乙烯单体在100Mpa~300Mpa的高压下由氧气或者有机过氧化物的催化下聚合的。得到的产品也叫作低密度聚乙烯，其密度一般在0.910g/cm3~0.935g/cm3。

在生产LDPE的反应装置模型是以温度30℃，压力3.3Mpa的高纯度的乙烯为原料，利用双连续反应器本体聚合技术，叔丁基过氧化苯甲酰和3，5，5-三甲基乙酰过氧化物作为引发剂的。反应温度是170℃，压力是200Mpa。在引发技剂的引发作用下，乙烯聚合成LDPE。经过第一个聚合反应过程，乙烯单体和引发剂混合物进入第一个反应器继续聚合反应。

反应获得的LDPE和未反应的乙烯经过反应器底部的减压阀进入产品冷凝器，经冷却后，在一定的温度和20Mpa-25Mpa压力下进入第一个闪蒸罐，在聚乙烯中分离出没有反应的乙烯。经分离得到的聚乙烯进入第二个闪蒸罐，其内部压力为0.1Mpa，在这个压力下残存的乙烯被分离和重新利用。液化的聚合物从低压分离器的底部分离出来，然后通过水下造粒机和脱氢干燥来生产聚乙烯颗粒。经过进一步的过程可以生产出各种具有良好性能的低密度聚乙烯产品成品。

下面的简图是利用ASPEN PLUS 模拟的简要过程图。

图1 aspen模拟的乙烯双连续反应器本体聚合与建模

3.过程模拟

这个设计的重点是在乙烯聚合工段的模拟和优化，因此，这个模拟过程由聚合和分离两部分组成。利用POL YMER PLUS完成这个流程的模拟。

3．1系统组成确定的模拟

图1所示的简要流程图是稳态模拟过程。第一步是确定聚合和分离过程中所有的化学组成。在这个生产过程中聚合部分包括以下组成：乙烯单体（E），引发剂1：叔丁基过氧化苯甲酰（INI1）,引发剂2：3，5，5-三甲基乙酰过氧化物，链转移剂：丙烯（C3H6-1）和产品聚乙烯（PE）。

employer Plus 为描述聚合物的性质提供了一个灵活的方法。在employer Plus中，化学物质分为常见物质，链段，低聚物和聚合物。常见物质是我们常用的小分子化学物质。链段是聚合物中的重复单元。低聚物是聚合物中聚合度小于20的聚合物。聚合物就是一般常见的聚合物。在这些物质当中链段比较特殊。链段可以分为三部分，重复单元，端点，嫁接点。构成聚合物的链段的种类、数量、和组成决定了所有的性质。上面提到的性质指的是共聚物组成，聚合度，分子质量，嫁接速度和热力学性质，比如热容量和焓等。

处理链段的方法是employer Plus的基础。因为聚合的聚乙烯是由不同分子量的聚乙烯组成的。聚合的聚乙烯的分子质量也不相同。在聚合反应过程中，应用Polymer Plus链段处理法来表示所有出现的聚合物种类。用此方法，我们不仅可以方便的表征所有的化学计量方程，并且也可以表征聚合物链段的一些其它的性质。因此，在模拟过程中我们使用E2-SEG来表述乙烯链段和把C2H-R作为分子方程。

3.2物理性能模型

在模拟过程中，高压下乙烯的密度是0.5g/cm3 ,接近于液态烃的密度。高压下乙烯的密度比较接近不可重新压缩的液体。我们使用桑切斯-拉科姆等式来计算气液和理想气体的所有参数，比如焓，熵，吉布斯函数和热能等。应用POLYSL （聚合物物性方法）行为参数，模拟高压下的聚合物，链段，单体之间的相互影

响，计算相平衡和物理性质。

3.3 聚合物的动力学模型

在模拟过程中，考虑到实际的反应条件，应用自由基动力学框架建立下面的基本反应：

1）I nit-DEC Ini1 →n. R*

2）I nit-DEC Ini2 →n. R*

3）链引发 E2+ R*→P1(E2-SEG)

4）链增长 An +E2→An+1

5）Chan-Mon An+E2 →An+Am

6)Term-dis An+Pm→ An+Am

7) Term-comb An+Pm→ Am+n

在工业生产中，，考虑到真实的反应条件的模拟过程，阿累尼乌斯方程中的活化能和指前因子都与每一个真实的反应有关。在上述的反应等式中所有的参数描述如下：

Ii 1 引发剂1

Ii 2 引发剂2

n 分解基本自由基的数量

R* 基本自由基

P1 单元长度链增长

An n个单元长度的链增长

Pm m个单元长度的链增长

An+m n+m个单元长度的终止聚合物

An n个单元长度的终止聚合物

3.4 工艺条件原始值模拟

表1 进料百分比的初始模拟

初始组成进料分数（质量分数）进料率（kg/hr）

乙烯99.947% 801.28 引发剂1 0.025% 0.20

引发剂2 0.00125% 0.01

其中，两个反应器的温度设定在170℃，体积是328L。

4.灵敏度分析

在这个模型中应用灵敏度分析法研究聚合反应过程中所有因素之间的相互关系。

4.1 引发剂进料速率的影响