[發明專利]蒙特卡洛模擬預測微管式反應器內自由基共聚的方法

有效

• 申請號: 201310080744.4
• 申請日: 2013-03-14
• 公開（公告）號: CN103150477A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 郜澤慧;何軍坡;張紅東;楊玉良
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明涉及高分子聚合技術領域，具體為一種蒙特卡洛模擬預測微管式反應器內自由基共聚的方法。

背景技術

圓底燒瓶是合成化學中用來合成毫克至克級別的經典的化學反應容器。但其散熱效果不佳和存在“過熱點”，所以不能很好的控制劇烈放熱的反應。

相對于圓底燒瓶，微管式反應器的小尺寸提供了獨特的性能，這些性能是傳統的反應容器不能做到的。比如，因為較短的擴散路徑，所以他們可以做到使溶液非常快的混合。而這就提高了傳質效率、提供了快速動力學反應的理想條件。另外，和傳統反應器100~1000m²·m^-3相比，這種設備有著非常大的比表面積，大約10000~50000?m²·m^-3，熱交換性能更優，這樣可以使得快速升降溫得以實現。因為高效的熱量控制和顯著的混合效率，可以被抑制副產物和過熱點的形成，從而提高對劇烈放熱反應的控制。另外，通過升高微反應器內的溫度和壓力可以改善慢反應。而且，使用小尺寸的連續流體反應裝置，保證了那些需要處理少量有潛在放熱、毒性和易爆等不太適合常規反應器的反應的操作者的安全性。相對于傳統的過程，微管式裝置可以在反應過程中便利的控制諸如溫度、保留時間、反應物當量比等反應參數。

Monte?Carlo（蒙特卡洛）模擬方法是一種有效的隨機統計方法，非常適合研究包含多個基元反應的共聚體系，可以得到傳統的解析處理得不到的聚合物反應動力學、分子量分布，共聚組成和序列分布等信息。

將微管式反應器應用于化學生產中，流體在微管中邊流動邊發生反應生成共聚物。共聚物的序列分布受原料的投入比，流體流動的的速率等參數影響。使用Monte?Carlo模擬方法可以預測出最合理的工藝條件。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可以預測出微管式反應器內最合理的工藝條件的蒙特卡洛模擬方法。該方法簡便可行，更加接近真實過程。

本發明提出的蒙特卡洛模擬預測微管式反應器內傳統自由基共聚的方法，是從共聚反應的基元反應出發，模擬原料在微管式反應器中邊流動邊發生化學反應，最后得到的產物共聚組成和序列分布均勻，得到最合理的工藝條件。這種算法的優點是不需要做各種假設，只要知道基元反應，讓隨機發生，并且根據流速使得原料流動，并加入物種的擴散，因而更加接近真實過程。而且可以將預設的工藝條件加入模擬中，通過觀察不同工藝條件下得到的共聚產物的序列分布來判斷工藝條件的合理性，避免大量的實驗消耗時間和成本。

本發明提出的蒙特卡洛模擬預測微管式反應器內傳統自由基共聚的方法，具體步驟如下：

（1）確定聚合體系中所有的基元反應和擴散反應，從聚合物手冊中查出速率常數的數值，確定各種基元反應和擴散反應的速率常數，確定各種基元反應的速率常數K_mac和擴散速率常數K_{diff_mac}，再將所述的所有的基元反應的宏觀速率常數K_mac轉化為蒙特卡洛模擬的微觀反應速率常數K_micro、擴散反應的宏觀擴散速率常數K_{diff_mac}轉化為蒙特卡洛模擬的微觀速率常數K_{diff_micro}，其中：對于一級反應，K_mac=K_micro；對于不同物種之間的二級反應，K_micro=K_mac/(VNa)；對于同一物種之間的二級反應，K_micro=2K_mac/(VNa)，Na為阿伏伽德羅常數，大小為6.02×10²³，V為反應體系的體積，K_micro=K_mac*n²/L²，n為子體系的個數，L為體系的總長度。

對三元共聚反應，其基元反應包括自由基引發反應、鏈增長反應、終止反應。鏈增長部分包括M1自由基分別與單體M1與M2、M3的加成反應，M2自由基分別與單體M1與M2、M3的加成反應，一共九組基元反應反應；終止反應包括M1自由基自終止反應；M2自由基自終止反應；M3自由基自終止反應。M1自由基與M2自由基終止反應；M1自由基與M3自由基終止反應；M2自由基與M3自由基終止反應。