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高压聚乙烯(LDPE)釜式反应器是釜式法工艺的关键设备。其具有高高径比、复杂的多层搅拌结构。反应器中形成的复杂非理想流动与反应过程密切相关,不仅决定自由基聚合反应的速率和转化率,而且对产物的分子量分布以及长短支链分布有着重大影响。但是目前,对于LDPE釜式反应器中混合流动规律、混合与反应间的相互作用规律、混合对产品性能的影响,特别是微观混合对长短支链分布的影响等研究仍存在许多不足。并且由于高压聚乙烯的生产条件为高温(200～300℃)、高压(2000～3000 atm),很难通过实验室条件对反应器工艺进行研究。因此,本文采用计算流体力学(CFD)的方法,分别对LDPE釜式反应器冷模实验装置的宏观混合特性和微观混合特性进行模拟研究,模拟结果与冷模实验相比较,验证了所建立模型的可靠性;并进一步对反应器的宏观混合特征和微观混合特征进行分析。在此基础上,耦合聚合动力学模型,对工业LDPE釜式反应器进行模拟,分析了工业尺度下反应器中宏观混合流动、传热和化学反应间的相互作用；进一步耦合微观混合模型,探讨了微观混合对长短支链反应的影响,揭示了LDPE釜式反应器生产的聚合物产品中具有较高长支链的原因所在。主要研究内容和成果包括：(1)以具有32层搅拌桨的工业LDPE釜式反应器的冷模实验装置为对象,对反应器的宏观混合特性进行模拟研究,揭示了反应器中的宏观流动规律。模拟结果显示,混合特性曲线的模拟值与实验值有很好的一致性。停留时间分布曲线的模拟值与实验值具有很好的一致性。平均停留时间tm的最小误差为2.78%,最大为10.85%。无因次方差σ/tm的最小误差为3.12%,最大为17.68%。这验证了用CFD模拟复杂多层搅拌桨的LDPE釜式反应器的可行性。对LDPE釜式反应器的宏观流动特征进行分析,研究发现,LDPE釜式反应器中存在两个反应分区。每个反应分区由搅拌轴附近向上的轴向流和壁面附近向下的轴向流构成大循环。大循环之间存在许多径向小循环。在此基础上,建立了LDPE釜式反应器双分区组合模型。(2)将聚合反应动力学模型与CFD模拟相耦合,对工业LDPE釜式反应器进行模拟,研究了工业尺度下反应器中宏观混合流动、传热和化学反应间的相互作用。模拟得到的稳态生产条件下的温度分布与工业实际温度分布符合度较好,平均误差为0.74%,充分说明了CFD建模的可靠性。对反应器中温度分布、浓度分布(引发剂、自由基、单体、聚合物)规律进行分析讨论。引入矩方法,对聚合物产品性能(重均分子量、数均分子量、分子量分布指数)进行预测。将反应器中混合物料的粘度变化与聚合过程相耦合,研究反应器中粘度的分布规律。引入长短支链的计算,对反应器中长短支链的分布进行分析。并发现微观尺度下混合不均匀对长短支链反应选择性的影响尤为重要。(3)以具有32层搅拌桨的工业LDPE釜式反应器的冷模实验装置为对象,通过在CFD中耦合微观混合模型,建立有限速率／涡耗散-卷吸模型(FR/ED-E),对反应器的微观混合特性进行模拟研究。模拟结果与微观混合实验相比较,最小误差为0.79%,最大为8.57%,充分说明了所建立模型的可靠性。进一步对反应器的微观混合特性进行分析,研究发现,LDPE釜式反应器中不同注入点位置的微观混合性能存在明显差异,并且对平行竞争反应的选择性有很大影响。注入点a1有利于快反应的发生,而注入点a2、a4有利于慢反应的发生。(4)将聚合反应动力学模型、微观混合模型与计算流体力学相耦合,对工业LDPE釜式反应器进行模拟,研究了工业尺度下反应器中微观混合对长短支链反应的影响规律,进一步揭示了LDPE釜式反应器生产的聚合物产品中具有较高长支链的原因所在。研究发现,耦合微观混合模型得到的温度分布与工业数据的拟合度更好,平均误差由原先的0.74%减小为0.10%。模拟得到的长短支链分布与实际工业生产更为接近,这说明LDPE釜式反应器中的微观混合对长短支链反应的影响尤为重要。分析反应器中微观混合对长短支链反应的影响规律,研究发现,长链支化反应主要由动力学所控制,而短链支化反应受到釜式反应器非理想微观混合的影响,主要由湍流混合所控制。反应分区的前段有利于短支链生成,而在反应分区的末段,由于B型桨和C型桨的作用,返混加剧,微观混合效果变差。长链支化反应速率达到与短链支化反应相同的数量级。两者产生了竞争关系,有利于长支链的生成。