[发明专利]蒙特卡洛模拟预测微管式反应器内自由基共聚的方法

说明书

技术领域

本发明涉及高分子聚合技术领域，具体为一种蒙特卡洛模拟预测微管式反应器内自由基共聚的方法。

背景技术

圆底烧瓶是合成化学中用来合成毫克至克级别的经典的化学反应容器。但其散热效果不佳和存在“过热点”，所以不能很好的控制剧烈放热的反应。

相对于圆底烧瓶，微管式反应器的小尺寸提供了独特的性能，这些性能是传统的反应容器不能做到的。比如，因为较短的扩散路径，所以他们可以做到使溶液非常快的混合。而这就提高了传质效率、提供了快速动力学反应的理想条件。另外，和传统反应器100~1000m²·m^-3相比，这种设备有着非常大的比表面积，大约10000~50000 m²·m^-3，热交换性能更优，这样可以使得快速升降温得以实现。因为高效的热量控制和显著的混合效率，可以被抑制副产物和过热点的形成，从而提高对剧烈放热反应的控制。另外，通过升高微反应器内的温度和压力可以改善慢反应。而且，使用小尺寸的连续流体反应装置，保证了那些需要处理少量有潜在放热、毒性和易爆等不太适合常规反应器的反应的操作者的安全性。相对于传统的过程，微管式装置可以在反应过程中便利的控制诸如温度、保留时间、反应物当量比等反应参数。

Monte Carlo（蒙特卡洛）模拟方法是一种有效的随机统计方法，非常适合研究包含多个基元反应的共聚体系，可以得到传统的解析处理得不到的聚合物反应动力学、分子量分布，共聚组成和序列分布等信息。

将微管式反应器应用于化学生产中，流体在微管中边流动边发生反应生成共聚物。共聚物的序列分布受原料的投入比，流体流动的的速率等参数影响。使用Monte Carlo模拟方法可以预测出最合理的工艺条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以预测出微管式反应器内最合理的工艺条件的蒙特卡洛模拟方法。该方法简便可行，更加接近真实过程。

本发明提出的蒙特卡洛模拟预测微管式反应器内传统自由基共聚的方法，是从共聚反应的基元反应出发，模拟原料在微管式反应器中边流动边发生化学反应，最后得到的产物共聚组成和序列分布均匀，得到最合理的工艺条件。这种算法的优点是不需要做各种假设，只要知道基元反应，让随机发生，并且根据流速使得原料流动，并加入物种的扩散，因而更加接近真实过程。而且可以将预设的工艺条件加入模拟中，通过观察不同工艺条件下得到的共聚产物的序列分布来判断工艺条件的合理性，避免大量的实验消耗时间和成本。

本发明提出的蒙特卡洛模拟预测微管式反应器内传统自由基共聚的方法，具体步骤如下：

（1）确定聚合体系中所有的基元反应和扩散反应，从聚合物手册中查出速率常数的数值，确定各种基元反应和扩散反应的速率常数，确定各种基元反应的速率常数K_mac和扩散速率常数K_{diff_mac}，再将所述的所有的基元反应的宏观速率常数K_mac转化为蒙特卡洛模拟的微观反应速率常数K_micro、扩散反应的宏观扩散速率常数K_{diff_mac}转化为蒙特卡洛模拟的微观速率常数K_{diff_micro}，其中：对于一级反应，K_mac=K_micro；对于不同物种之间的二级反应，K_micro=K_mac/(VNa)；对于同一物种之间的二级反应，K_micro=2K_mac/(VNa)，Na为阿伏伽德罗常数，大小为6.02×10²³，V为反应体系的体积，K_micro=K_mac*n²/L²，n为子体系的个数，L为体系的总长度。

对三元共聚反应，其基元反应包括自由基引发反应、链增长反应、终止反应。链增长部分包括M1自由基分别与单体M1与M2、M3的加成反应，M2自由基分别与单体M1与M2、M3的加成反应，一共九组基元反应反应；终止反应包括M1自由基自终止反应；M2自由基自终止反应；M3自由基自终止反应。M1自由基与M2自由基终止反应；M1自由基与M3自由基终止反应；M2自由基与M3自由基终止反应。