第七章 搅拌聚合釜的放大
第七章、搅拌反应器放大设计
搅拌反应器放大设计
几何相似放大准则举例
槽容积放大125倍时各混合参数的变化
模试槽 0.019 m3 Pv恒定 D P Pv N Qd V Nd Re Qd 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 5.0 125 1.0 0.34 0.34 1.7 8.5 42.5 工业槽 2.37m3 Qd V恒 定 5.0 3125 25 1.0 1.0 5.0 25.0 125 N d恒定 5.0 25 0.2 0.2 0.2 1.0 5.0 25 Re恒定 5.0 0.2 0.0016 0.04 0.04 0.2 1.0 5.0 参数
10-2 10-1 1 10 102 103 104
12
新 立 式 搅 拌 器
泛能式、最大叶 片式、叶片组合 式 超级叶片式 EKATO 同轴 前进式（AR） 锥螺带（VCR） 扭格子式 复动式 多臂行星式 均质器 真空乳化釜
新 卧 式 搅 拌 器
砂磨机 LIST-AP BIVOLAK SCR HVR CONTERNA 捏和机
LIAS-AP
瑞士LIST全相型
BIVOLAK
(住友重机全相型)
CONTERNA
(德国连续 捏和机)
9
搅拌反应器放大设计
搅拌反应器设计的基础
• 搅拌器的选型原则？ • 搅拌反应器的放大准则？
10
搅拌反应器放大设计
搅拌器的分类选型
流动状态 高粘 对 搅拌器型 式 流 循 环 涡轮式 桨式 推进式 折叶开启 涡轮式 布尔马 金式 锚式 螺杆式 螺带式 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 1～100 1～50 1～50 1～100 0.5～50 0.5～50 100 100 100
搅拌聚合釜的放大
2 1
v2 v1 b
D2
D 1b 1
令与传热面有关的尺寸为£ ，则
2 1
v2 v1 b
£2
£ 1b 1
再令
r
2 1
vr
v2 v1
£r
£2 £1
Nr
N2 N1
则
r
vrb £1b
r
N
b r
£2b1 r
（7－6）
假定 b＝0.5， £r ＝2（即几何尺寸放大一倍）
N p1 N p2
N Re1 N Re 2
N Fr1 N Fr2
保持动力相似，如若把釜的直径放大一倍，
当按 N Fr 不变放大时，则
D1N12
D2
N
2 2
g
g
1
N2 D1
D2
1 2
N1
1 2
2
N1 0.707N1
当按 N Re 不变放大时，则
若物料相同，则 ,
中进行试验。求出在每个釜中能获得合格产品的转速。由此确定 转速N和桨径D间的关系。此法是依几何相似来进行放大，故放大 准则最终归绪为N与D间的比例关系。
例如有一制备一定黏度洗涤剂的生产过程，过程对剪切应力较为敏感。 产品的物性为ρ＝1400kg/m3，μ＝1.0PaS，表面张力σ＝0.0756N/m。该过 程中试已获成功。搅拌器采用涡轮桨，并发现D/T=1/3时效果最好，放大的目 标是通过几何相似放大建立直径为2.74m、容积为16.2m3的工业釜。
第七章 搅拌聚合釜的放大
第一节 概 述
理论上讲，反应器尺寸的变化并不影响化学反应的微观动力学 规律，即不会影响反应速率与反应物浓度间的关系。
反应釜放大设计
随着建筑业、汽车业、船舶业等行业的不断发展, 涂料行业也得以迅速发展。
在一大批新兴涂料企业崛起的同时, 不少名牌涂料企业为了扩大业务范围,增加市场份额, 巩固自身的市场竞争力, 也在不断地引进新技术, 扩大生产规模。
反应釜是涂料行业树脂生产中的核心设备, 涂料生产规模的扩大与反应釜的放大设计密不可分, 其设计的好坏直接影响到产品的质量、产量、能耗等。
本文通过对“ 某公司10 000 t/a 氟涂料产业化工程” 树脂反应釜放大设计的阐述, 使大家对反应釜放大设计的主要原则和步骤有一定的了解。
反应釜放大设计的基本步骤如下:确定规格及台数——确定传热方式——计算传热面积——确定搅拌器型式——计算搅拌功率1 规格和台数的确定反应釜放大设计中首先根据工厂现有反应釜规格为 1 . 5 m 3 , 考虑到放大风险性、设备投资等因素, 首先确定将反应釜的规格放大到 4 . 5 m 3 。
根据工艺控制指标, 聚合反应时间约为20 h, 加上辅助过程, 出一釜料的周期约为25 h 。
年工作时间按 6 000 h 计算, 则每台聚合反应釜全年生产批次为6 000 ÷ 25 =240 。
按装料系数0 . 8 、物料密度约为1 000 kg/ m 3 考虑, 一台釜全年处理量约为864 t (4 . 5 × 1 × 0 . 8 × 240 = 864) 。
根据扩大后的生产规模, 聚合釜年处理量为2982 t, 则所需台数为 2 982 ÷864 ≈ 3 . 45 。
因此本设计确定聚合釜的台数为4 台。
2 传热方式及传热面积的确定按4 . 5 m 3 反应釜规格计算夹套最大换热面积约为10 m 2 。
初步估算, 根据现有 1 . 5 m 3 反应釜的规格, 其夹套换热面积约为 4 . 5 m 2 , 设备放大后, K 值、Δ t 基本不变, 热量约为原来的3 倍, 则所需夹套换热面积同样应为原来的 3 倍, 即 4 . 5 × 3 =13 . 5 m 2 。
搅拌聚合釜内流体的流动与混合
04
搅拌聚合釜的设计与优 化
设计原则与要素
01
02
03
流体力学原则
确保釜内流体流动均匀， 避免死区和湍流，减少流 动阻力。
化学反应要求
满足化学反应对温度、压 力、混合度和反应时间的 需求。
机械强度与稳定性
保证搅拌器的机械强度和 整个聚合釜的稳定性。
优化目标与方法
1 2
提高混合效率
通过优化搅拌器的形状、转速和位置，减少混合 时间。
流动特性参数
流量
流量是搅拌聚合釜内流体流动的 一个重要参数，表示单位时间内 流过某一截面的流体量。流量的 大小直接影响聚合反应的效率。
流速
流速是指在搅拌聚合釜内某一截 面处流体的平均速度。流速的分 布和大小对聚合反应的混合效果 和传热传质过程有重要影响。
压力
压力是搅拌聚合釜内流体流动的 另一个重要参数，表示流体对容 器壁的压强。压力的变化对聚合 反应的稳定性有较大影响。
03
搅拌聚合釜内混合过程 与机理
混合过程简介
混合过程
搅拌聚合釜内的混合过程涉及流体在釜内的流动和分散，通过搅拌器的旋转产生流动场，使物料在釜内均匀分散 和混合。
流动特性
搅拌聚合釜内流体的流动特性包括流动类型、流动方向、流速分布等，这些特性对混合效果和生产效率有重要影 响。
混合机理研究
混合机理
研究搅拌聚合釜内流体的混合机理有助于深入了解混合过程的内在规律，从而优化搅拌器的设计和操 作参数。
安装位置
确保搅拌器安装在釜的中心位 置或合适的偏心位置，以实现 均匀的流体流动。
材料选择
选择耐腐蚀、耐高温、高硬度 的材料，以确保搅拌器的长期
稳定运行。
05
搅拌器放大准则计算例题及解析
搅拌器放大准则计算例题及解析
【原创版】
目录
一、引言
二、搅拌器放大准则的概念与意义
三、搅拌器放大准则的计算例题
四、搅拌器放大准则的解析
五、结论
正文
一、引言
在工程实践中，搅拌器的放大准则计算是一个重要环节，它直接影响到搅拌效果的好坏。
因此，了解搅拌器放大准则的计算方法和原理具有重要的实际意义。
本文将通过一个具体的例题，详细解析搅拌器放大准则的计算过程和结果解析。
二、搅拌器放大准则的概念与意义
搅拌器放大准则是指在搅拌过程中，为了保证搅拌效果，搅拌器的尺寸应放大到一定程度。
这个程度就是搅拌器放大准则。
搅拌器放大准则主要取决于搅拌器的搅拌效率、搅拌器的结构形式和搅拌介质的物理性质等因素。
三、搅拌器放大准则的计算例题
假设某搅拌器在搅拌过程中，搅拌效率为 50%，搅拌器的结构形式为螺旋桨式，搅拌介质的物理性质为：密度ρ=1000kg/m，粘度μ=10000Pa·s。
现在需要计算搅拌器的放大准则。
四、搅拌器放大准则的解析
根据搅拌器的放大准则计算公式，可得：
放大准则 = (搅拌效率×密度×粘度) / (螺旋桨直径×π) 代入已知数据，得：
放大准则 = (0.5 × 1000 × 10000) / (0.5 ×π)
解算得到：
放大准则 = 2.51
因此，该搅拌器的放大准则为 2.51。
五、结论
搅拌器放大准则的计算对于保证搅拌效果具有重要作用。
搅拌聚合釜
• 混合：使两种或多种互溶或不互溶液体按工艺 混合： 要求混合均匀，如溶液、悬浮液、 要求混合均匀，如溶液、悬浮液、乳化等的配 制。 • 搅拌：使物料强烈地流动，以提高传热、传质 搅拌：使物料强烈地流动，以提高传热、 速率 • 悬浮：使小固体颗粒在液体中均匀悬浮、以达 悬浮：使小固体颗粒在液体中均匀悬浮、 到加速溶解、强化浸取，促进液固相反应、 到加速溶解、强化浸取，促进液固相反应、防 止沉降等。 止沉降等。 • 分散：则使气体、液体在流体中充分分散成细 分散：则使气体、 小的气泡或液滴，增加相接触面积， 小的气泡或液滴，增加相接触面积，促进传质 或化学反应， 或化学反应，并满足聚合物对粒度的要求
D型折流挡板 型折流挡板
指型
平板型
套管型
• 需要加设挡板的情况： 需要加设挡板的情况： 较大的搅拌强度、 较大的搅拌强度、较大的剪切作用或需较大的容积 循环速率时 使被搅拌液体作上下翻腾运动时 有严格流型控制时安装挡板可避免或减弱漩涡产生 有严格流型控制时安装挡板可避免或减弱漩涡产生 • 打漩现象消除措施 打漩现象消除措施： 搅拌轴偏心安装，减弱漩 搅拌轴偏心安装，减弱漩涡，提高轴向循环速率 在釜内安装挡板（贴壁、离壁、倾斜） 在釜内安装挡板（贴壁、离壁、倾斜） 倾斜安装搅拌器， 倾斜安装搅拌器，可有效的消除漩涡
• 宏观流动 • 定义：指流体以大尺寸(凝集流体、 气泡 、 凝集流体、 定义 ： 指流体以大尺寸 凝集流体 气泡、 液滴)的微元在较大的范围中(整个釜内空间 的微元在较大的范围中 整个釜内空间) 液滴 的微元在较大的范围中 整个釜内空间 流动状况， 具有一定的方向性， 的 流动状况 ， 具有一定的方向性 ， 所以也 称循环流动。 称循环流动。 • 效果：混合、搅拌、悬浮 效果：混合、搅拌、 • 循环流动存在三种典型的流况 ， 径向流动 、 循环流动存在三种典型的流况， 径向流动、 轴向流动、 轴向流动、切线流动
第七章 生物反应器的放大讲解
( 3.4 )5 3.58
1080
62.7KW
而实际装液量为75%，HL=8.54m,D/d=3.58,
H L 8.54 8.99 d 0.95
P10
1 3
(D)*(HL
d
d
) * P0
1 3
3.58 8.99 62.7 119KW
选用三层搅拌器，m=3,
P30 P10(0.4 0.6m) 119 (0.4 0.63) 262KW
a exp(bQg ),
a, b为与气体流速和搅拌器直径有关的系数
例题
• 采用100m3机械搅拌通风式发酵罐进行谷氨酸发酵，已知
发酵液密度＝1080Kg / m3，粘度为＝210－3 Pa s,
D 3.4m, D / d 3.58, H 10m, H L 8.54m,装液量为75%，采用 六弯叶圆盘涡轮式搅拌器，三组，转数n 150r / min ， 通风比为Q＝0.2v v m, 求Pg
3、无通气时非牛顿型流体的搅拌轴功率
• 非顿型流体的，特别是高黏度流体要达到充分的湍流状态几乎是不可能的，
而功率准数总是和Re相关。
Re
Nd 2L a
• 对于细胞反应，大部分流体为拟塑性流体，又称为幂律流体，其表现粘度可 表示为：
a
K
n1, Re
Nd 2L K n1
Metzner采用流动特性指数0.14<n<0.72的高度拟塑性流体做实验， 找出了搅拌罐中搅拌器转数与液体平均剪应速率之间的关系，
3）按几何相似原则确定大罐尺寸：
取H/D=2.4,HL/D=1.5,D/d=3，有效容积60%，忽略封底 容积，则液体体积为
搅拌器放大准则计算例题及解析
搅拌器放大准则计算例题及解析摘要：1.搅拌器放大准则的定义和重要性2.计算例题的描述和要求3.例题的详细解答过程4.解析例题的关键步骤和注意点5.搅拌器放大准则计算的实际应用正文：一、搅拌器放大准则的定义和重要性搅拌器放大准则是搅拌器设计和放大过程中，对搅拌器性能进行评价和优化的重要依据。
在搅拌器放大过程中，需要根据放大准则来判断搅拌器性能是否满足要求，以保证搅拌器在实际应用中能够达到预期的效果。
二、计算例题的描述和要求本次计算例题要求根据给定的搅拌器参数，计算搅拌器的放大准则，并对结果进行分析。
具体参数如下：1.搅拌器直径：D=1m2.搅拌器高度：H=0.5m3.搅拌器转速：n=1000r/min4.搅拌介质密度：ρ=1000kg/m5.搅拌介质粘度：μ=50000mPa·s三、例题的详细解答过程1.根据搅拌器直径、高度和转速，计算搅拌器的动力粘度：动力粘度= ρ * μ * n / (2 * π * D)动力粘度= 1000kg/m * 50000mPa·s * 1000r/min / (2 * π * 1m)动力粘度= 79579.54 m/s2.计算搅拌器的放大准则：放大准则= (动力粘度/ 静动力粘度) * (转速/ 静转速)静动力粘度= ρ * μ = 1000kg/m * 50000mPa·s = 50000000 m/s静转速= n / (2 * π * D / H) = 1000r/min / (2 * π * 1m / 0.5m) = 1570.79 r/min放大准则= (79579.54 m/s / 50000000 m/s) * (1000r/min / 1570.79 r/min) = 0.353四、解析例题的关键步骤和注意点1.计算搅拌器的动力粘度时，要注意单位的统一。
2.计算放大准则时，需要正确处理转速的单位，将静转速转换为与实际转速相同的单位。
聚合反应工程基础
第二章化学反应工程基础1.说明聚合反应工程的研究内容及其重要性。
研究内容：①以工业规模的聚合过程为对象，以聚合反应动力学和聚合体系传递规律为基础；②将一般定性规律上升为数学模型，从而解决一般技术问题到复杂反应器设计，放大等提供定量分析方法和手段；③为聚合过程的开发，优化工艺条件等提供数学分析手段。
简而言之：聚合反应工程研究内容为：进行聚合反应器最佳设计；进行聚合反应操作的最佳设计和控制。
2.动力学方程建立时，数据收集方式和处理方式有哪些收集方式：化学分析方法，物理化学分析方法处理方式：积分法，微分法。
3.反应器基本要求有哪些①提供反应物料进行反应所需容积，保证设备一定生产能力；②具有足够传热面积；③保证参加反应的物料均匀混合4.基本物料衡算式，热量衡算式①物料衡算：反应物A流入速度-反应物A流出速度-反应物A反应消失速度-反应物A积累速度=0（简作：流入量-流出量-消失量-积累量=0）②热量衡算：随物料流入热量-随物料流出热量-反应系统与外界交换热量+反应过程的热效应-积累热量=05.何谓容积效率影响容积效率的因素有哪些工业上，衡量单位反应器体积所能达到的生产能力称之为容积效率，它等于在同一反应，相同速度、产量、转化率条件下，平推流反应器与理论混合反应器所需总体积比：η=Vp/Vm=τp/τm。
影响因素：反应器类型，反应级数，生产过程中转化率有关6.何为平推流和理想混合流①反应物料在长径比很大的反应器中流动时，反应器内每一微元体积中流体均以同样速度向前移动，此种流动形态称平推流；②由于反应器强烈搅拌作用，使刚进入反应器物料微元与器内原有物料元瞬时达到充分混合，使各点浓度相等且不随时间变化，出口流体组成与器内相等此流动形态称理想混合流。
7.实现反应器的热稳定操作需满足哪些条件①Qr=Qc，Qr体系放出热量；②dQc/dT>dQr/dT，Qc除热量；③△T=T-Tw<RT2/E，E反应活化能，T反应器温度，Tw冷却液温度8.何为返混形成返混的主要原因有哪些返混：指反应器中不同年龄的流体微元间的混合；原因：①由于物料与流向相反运动所造成，②由于不均匀的速度分布所引起的，③由于反应器结构所引起死角、短路、沟流、旁路等。
第七章 搅拌聚合釜的放大
搅拌聚合釜的传热放大 搅拌聚合釜的搅拌放大 放大准则的确定
小试实验结果
工业规模
反应器放大逐步完成。 原因： 1.反应器内热量传递发生变化 2.反应器内质量传递发生变化 3.反应器内流体 的流动状况发生变化 结果： 速度、浓度、温度、停留时间的分布发生变 化。反应结果（指标、性能）发生变化。 放大方法：模型放大、相似放大。
按(Q/V)r比较α相等较好;
第二节 搅拌聚合釜的搅拌放大
搅拌器的功率准数与雷诺准数和弗鲁德准数的关系 Np=f(N 相似放大 三相同： N
p1=N p2 Re
N Pr)
N
N
Re1=Nr=2 （1）按N Pr 不变放大
N2=（D 1/D 2）0.5N
1
￡r=10
放大方法
1.均一相液体间的混合 按混合时间数相等放大
NM tb1 N1 tb 2 N2
2.以传热为主搅拌器的放大 （1）叶端速度相等放大 Nr=￡r-1 Pr=￡r2 Pvr=￡r-1 αr= ￡r(b-1)
N1 N 2
(2)体积功率Pv相等放大 Pr=￡3r v r=Nr￡r =￡1/3 Nr=￡r-2/3 αr=￡r(4/3b-1) (3)αr相等放大 Pr=￡r（3/b-1） Pr=￡r(3/b-4/b) Nr=￡r(1-2b)/b vr=￡r(1-b)/b (4)悬浮程度相等放大 Nr=￡r-3/4 Pr=￡r11/4 vr=￡r1/4 αr=￡r(6b/4-1) Pvr=￡r-1/4
(4) 按单位体积输入的搅拌功率相等放大
P
v1=P v2
Nr= ￡r-2/3
αr=￡r(4b/3-1)
（5）按单位体积的传热速率不变放大
第七章 搅拌聚合釜的放大
NP 2.07 3.16 Nqd 0.656
若令釜中循环次数为7 1/min，此时的转速为：
N 72Nc 72 7 64.8 r min Nqc D3 0.971 23
取N=65r/min，则
PW
NPN 3D5
2.07
1000
65 60
3
25
84.2kW
PP 1.284.2 101kW PV 101 80 1.26 kW m3
N qc
N qd
1
0.16
T D
2
1
假定单位体积搅拌功率为PV为1.2kW/m3，每分钟循环次数不小 于7次，试计算大型釜操作时的转速、功率、单位体积功等参数。
计算中考虑到水和聚氯乙烯粒子混合物料的密度比水大，因此 假定聚合时搅拌功率PP为搅拌水时功率的1.2倍。计算PV时，用 PP除以釜的公称容积。取釜的装料系数为0.9，聚合液密度为 1090kg/m3，黏度为5.65×10-3Pa·s。
（3）叶端速度增加，转速降低，造成叶端最大剪切速率增加， 釜内平均剪切速率下降。
放大时不能单纯强调形式上的相似，应按照一定的过程对搅拌的特殊 要求（如混合时间、颗粒悬浮程度、流体的流动状态）来选定关键的 混合参数作为放大依据，针对不同的搅拌体系采用不同的放大方法。
1、均一相液体间的混合 此时可按大小釜的混合时间数相等进行放大，即
Vr
V
1 r
3
V
2 r
3
V
1 r
3
Vr1 9
Vr7 9
V 2 9 r
2 1.26
1.59
1.26
1.08
1.72 0.857
从上表可看出，在釜容积放大后，传热面积、排出流量、转速下降了， 而叶端速度增加，这样就产生了如下问题：
聚合反应工程基础复习提纲（精品PDF）
第一章绪论1. 说明聚合反应工程基础研究内容①以工业规模的聚合过程为对象,以聚合反应动力学和聚合体系传递规律为基础;②将一般定性规律上升为数学模型,从而解决一般技术问题到复杂反应器设计,放大等提供定量分析方法和手段;③为聚合过程的开发,优化工艺条件等提供数学分析手段.简而言之:聚合反应工程研究内容为:进行聚合反应器最佳设计;进行聚合反应操作的最佳设计和控制. 第二章化学反应工程基础1.间歇反应器、连续反应器间歇反应器：物料一次放入，当反应达到规定转化率后即取出反应物，其浓度随时间不断变化，适用于小规模，多品种，质量不均。
连续反应器：连续加料，连续引出反应物，反应器内任一点的组成不随时间而改变，生产能力高，易实现自动化，适用于大规模生产。
2. 平推流、平推流反应器及其特点：当物料在长径比很大的反应器中流动时，反应器内每一位原体积中的流体均以同样的速度向前移动，此时在流体的流动方向上不存在返混，这种流动形态就是平推流。
具有此种流动型态的反应器叫平推流反应器。
特点：①在稳态操作时，在反应器的各个截面上，物料浓度不随时间而变化，②反应器内物料的浓度沿着流动方向而改变，故反应速率随时间位置而改变，及反应速率的变化只限于反应器的轴向。
3. 理想混合流、理想混合流反应器及其特点：反应器中强烈的搅拌作用使刚进入反应器的物料微元与器内原有物料微元间瞬时达到充分混合，使各点浓度相等，且不随时间变化，出口流体组成与器内相等这种流动形态称之为理想混合流。
与理想混合流相适应的反应器称为理想混合流反应器。
特点：①反应器内物料浓度和温度是均一的，等于出口流体组成②物料质点在反应器内停留时间有长有短③反应器内物质参数不随时间变化。
5. 容积效率：指同一反应在相同的温度、产量、和转化率的条件下，平推流反应器与理想混合反应器所需的总体积比7.返混：指反应器中不同年龄的流体微元间的混合8、宏观流体、微观流体宏观流体：流体微元均以分子团或分子束存在的流体；微观流体：流体微元均以分子状态均匀分散的流体；9.宏观流动、微观流动宏观流体指流体以大尺寸在大范围内的湍动状态，又称循环流动；微观流体指流体以小尺寸在小范围内的湍动状态11.微观混合、宏观混合P70微元尺度上的均匀化称为宏观混合；分子尺度上的均匀化称为微观混合。
聚合反应工程基础课后习题答案
第二章化学反应工程基础1.说明聚合反应工程的研究内容及其重要性。
研究内容：①以工业规模的聚合过程为对象，以聚合反应动力学和聚合体系传递规律为基础；②将一般定性规律上升为数学模型，从而解决一般技术问题到复杂反应器设计，放大等提供定量分析方法和手段；③为聚合过程的开发，优化工艺条件等提供数学分析手段。
简而言之：聚合反应工程研究内容为：进行聚合反应器最佳设计；进行聚合反应操作的最佳设计和控制。
2.动力学方程建立时，数据收集方式和处理方式有哪些收集方式：化学分析方法，物理化学分析方法处理方式：积分法，微分法。
3.反应器基本要求有哪些①提供反应物料进行反应所需容积，保证设备一定生产能力；②具有足够传热面积；③保证参加反应的物料均匀混合4.基本物料衡算式，热量衡算式①物料衡算：反应物A流入速度-反应物A流出速度-反应物A反应消失速度-反应物A积累速度=0（简作：流入量-流出量-消失量-积累量=0）②热量衡算：随物料流入热量-随物料流出热量-反应系统与外界交换热量+反应过程的热效应-积累热量=05.何谓容积效率影响容积效率的因素有哪些工业上，衡量单位反应器体积所能达到的生产能力称之为容积效率，它等于在同一反应，相同速度、产量、转化率条件下，平推流反应器与理论混合反应器所需总体积比：“=Vp/Vm=P p/m mo影响因素：反应器类型，反应级数，生产过程中转化率有关6.何为平推流和理想混合流①反应物料在长径比很大的反应器中流动时，反应器内每一微元体积中流体均以同样速度向前移动，此种流动形态称平推流；②由于反应器强烈搅拌作用，使刚进入反应器物料微元与器内原有物料元瞬时达到充分混合，使各点浓度相等且不随时间变化，出口流体组成与器内相等此流动形态称理想混合流。
7.实现反应器的热稳定操作需满足哪些条件①Qr=Qc,Qr体系放出热量；②②dQc/dT>dQr/dT,Qc除热量；③③△T=T-Tw<RT2/E,E反应活化能，T反应器温度，Tw冷却液温度8.何为返混形成返混的主要原因有哪些返混：指反应器中不同年龄的流体微元间的混合；原因：①由于物料与流向相反运动所造成，②②由于不均匀的速度分布所引起的，③由于反应器结构所引起死角、短路、沟流、旁路等。
第七章 搅拌聚合釜的放大
→速度分布、温度分布、浓度分布及停留时间 分布的差异
→反应的结果
成功放大的标志是：大小反应釜中的反应结果 一致或近似 。
数模放大
放大方法：
相似放大
数模放大:通过动力学研究和模型，确定反应 条件等对反应速率、产品质量和收率的关系， 并建立数学模型（动力学模型）\传递过程模 型来描述。设定过程参数，以得满意的产品质 量、收率、和产量的最佳条件。
1
用叶端速度相等放时，各参数的放大式为:
r 1
Nr r Pr r
2 1 1
PVr r
r r
(b -1)
(2)采用传热PV相等放大
将N r r
2 ( ) 3
p2 N 2 D2 3 5 代入Pr 3 5 Nr r p1 N1 D1
r
vr
b
1 b
2 10.5 1 2
0 .5
但要使叶端速度增加一倍，搅拌功率P要增 加很多，因为P∝N3，这种放大法不经济。 传热下降是必然！！！ 单位体积所具有的传热面也降低 ！ 增加附加传热面。
传热放大方法： 动力相似放大 叶端速度相等放大； 给热系数相等放大； 单位体积搅拌功相等放大； 单位体积传热速率相等放大； 总传热系数相等放大。 1.动力相似放大 NRe相等， 2 2
单位体积传热面积的下降，反应器内热传 导距离增加 单位体积传质界面的减少（脱挥？），传 质路径增加 仅单一特征混合参数的相同
非几何相似放大的实质是，在明确放大准则的基 础上，通过改变浆型、釜中内部构件、桨叶几何 尺寸等手段，使工业釜的操作状态能满足放大准 则的要求。即令工业釜和模试釜之间对过程结果 有决定影响的混合参数相一致。 过程结果是指⑴反应速率、⑵收率、⑶产品质量 （分子量、颗粒形态等）。 影响过程结果的因素有温度、浓度、传质和剪切 率（非均相）四个变量。 若工业反应器中每个反应单元的温度、浓度、传 质和所受剪切率与小试或中试一样，工业反应器 的过程结果必然与小试或中试相近，放大问题就 解决了。
第七章 搅拌反应釜
第二节 筒体和传热装置
筒体 釜体的内筒一般为钢制圆筒； 容器的封头大多选用标准椭圆形封头； 多种接管，如物料进出口管、监测装置接管等(为满足工 艺要求)。
传热装置
夹套结构的壁外传热(应用最多见图7－2(a) )
图7－2(b)
当反应釜采用衬 里结构或夹套传 热不能满足温度 要求
H V Di H Di D 4 4 i
2
3
7-2
从7-2式中可知，釜体容积的大小取决于筒体直径Di和高 度H的大小。 若容积一定，则应考虑筒体高度与直径的适合比例。当搅 拌器转速一定时，搅拌器的功率消耗与搅拌桨直径的5次 方成正比，若筒体直径增大，为保证搅拌效果，所需搅拌 桨直径也要大，此时功率消耗很大，因此，直径不宜过大。 若高度增加，能使夹套式容器传热面积增大，有利于传热， 故对于发酵罐之类反应釜，为保证充分的接触时间，希望 高径比大些为好。但是，若釜体高度过大，则搅拌轴长度 亦相应要增加，此时，对搅拌轴的强度和刚度的要求将会 提高，同时为保证搅拌效果，可能要设多层桨，使得费用 增加。
一、内筒的直径和高度及壁厚确定 1、实际容积V的确定
为了满足介质反应所需空间，工艺计算已 确定了反应釜所需的容积Vo，在实际操作 时，反应介质可能产生泡沫或呈现沸腾状 态，故简体的实际容积V应大于所需容积Vo， 这种差异用装料系数η来考虑，即
V0 V
7-1
通常装料系数，可取0．6～0．85。在选 用值时，应根据介质特性和反应时的状态 以及生成物的特点，合理选取，以尽量提 高筒体容积的利用率。 （1）当介质反应易产生泡沫或沸腾状态时， 应取较小值，一般为0．6～0．7； （2）当介质反应状态平稳时，可取为0．8～ 0．85； （3）若介质粘度大，则可取最大值。
聚苯乙烯聚合釜的作用和放大
Ｐ
’
其 中 ，ｒ Ｄ为聚 合 反 应 速 率 ；ｋ 为链 引 发 反 应
速 率 常 数 ；ｋ 。为 链 增 长 反 应 速 率 常 数 ； ｋ 为 链
终 止 反 应速 率 常 数 ；Ｃ１为单 体 浓 度 。 ｆ 热 引 发 聚合 ＧＰ Ｓ是 ２ ５级 反 应 ， 即反 应 速 Ｐ ． 率 与 单 体 浓 度 的 ２． 方 成 正 比 ，根 据 反 应 动 力 ５次
合 完 成 后 ，这 些 内包 藏 留在 胶 粒 中 ，实 际起 了橡 胶 的一 部 分 作 用 。 图 ３右 边 表 示有 聚 苯 乙烯 分 子
注 ： 以上 生 产 规 模 按 每 年 ８ ｏ Ｏ ０操 作 小 时 计 算 。
如要 进 一 步 提 高 聚苯 乙烯 生 产 线 单 线 的 生 产 能 力 ，办 法 是增 加 聚合 釜 的容 积 。 我们 从 表 １的 数 据 分析 可得 到如 下 启 示 ：
流反 应 器 （ Ｆ 。 Ｐ Ｒ）
（ ）液 面 可 不 用 控 制 。 ５
（ ）物 料 出 口温 度 可 以控 制得 较 高 ，转 化 率 ６
较 高 ，能 耗 低 。 ’ （ ）在 工 程 配 置 上 比较 灵 活 ，可 串 联 不 同 数 ７ 量 的 聚 合 釜 来 满 足 不 同生 产 规 模 的要 求 。
６ ． ８ Ｊ ｍｏ） ９ ７ ｋ ／ １ ，反 应 热 通 过 聚 合 釜 夹 套 和 盘 管 内
出 口
的 冷 导 热 油 带 出 。 为充 分 利 用 这 部 分 反 应 热 ，从
聚合釜 出来 的中温 导热 油 （ ３ ℃ ）被 用 来预 热 １１ 进 入 预 聚 合 工 段 新 鲜 苯 乙 烯 与 橡胶 混 合 液 ，以达
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反应釜是“心脏”。
聚合反应釜：
单体变成聚合物
聚合物的主次性能
如聚合度及其分布
共聚物组成和序列分布 大分子结构 颗粒结构等 反应釜效率（传热、搅拌）操作有关。
反应釜放大后，→大小反应釜间的等物理过程 的变化（热量、质量传递及流体流动状况）
r 1 N r r （7 - 19） p2 N 2 D2 3 5 pr 3 5 N r r 带入上式 p1 N1 D1 Pr r
2 3 2 3 5 1
N 2 D2 3 2 PV r 3 2 N r r 带入7 - 19 N1 D1 PVr r
( 2 ) 3 4b 1) 3 3 2 3 1 2
带入（7 6）
常用！！
(
5.平均单位传热速率相等放大 不推荐！！ 6.总传热系数相等 条件： 放大釜壁的热阻比较小，可以忽略 。 大小釜几何形状相似，叶端速度，传热温 度相等。
Kr 1
r
s
S取不同值。见书P198。 不同放大的情况见表7-1。
1/ 3 1/ 3
装料量： 80 0.9 72m
3
2.大釜传热系数Nc 湍流时搅拌水时的功率Pw为：
PVr
b值
在b＜0.75时，PVr＞1，表明釜的单位体积输 入功要比小釜大；
越大，PVr增加越多，用几个小釜代替大 釜更有利。
r
当 b＞0.75时， PVr＜1，放大后，大釜Pv比 小釜小，且随 r 增加，Pv降低越多，若能保 证其他参数以 r 越大越好。 当b=0.75时，Pvr=1，表明放大后，大小釜的 Pv相等。这在任何放大倍数下，用同样的Pv 可在大小釜中得到相等的a。可按小试的结果 直接进行放大。
表7-1
r
3 5 10
Pv
相等 ND
(Q / V ) r
0.295 0.167 0.077
r
0.885 0.836 0.774
相等 NRe
(Q / V ) r
0.231 0.117 0.046
相等
(Q / V ) r
0.111 0.04 0.01 1 1 1
r
0.693 0.585 0.464
单位体积传热面积的下降，反应器内热传 导距离增加 单位体积传质界面的减少（脱挥？），传 质路径增加 仅单一特征混合参数的相同
非几何相似放大的实质是，在明确放大准则的基 础上，通过改变浆型、釜中内部构件、桨叶几何 尺寸等手段，使工业釜的操作状态能满足放大准 则的要求。即令工业釜和模试釜之间对过程结果 有决定影响的混合参数相一致。 过程结果是指⑴反应速率、⑵收率、⑶产品质量 （分子量、颗粒形态等）。 影响过程结果的因素有温度、浓度、传质和剪切 率（非均相）四个变量。 若工业反应器中每个反应单元的温度、浓度、传 质和所受剪切率与小试或中试一样，工业反应器 的过程结果必然与小试或中试相近，放大问题就 解决了。
相关的：
Nr r vr r Pr r
(1 2 b ) / b
(1b ) / b
(3- b)/b (3- 4b)/b
PV r
r 1
(4)固体悬浮体系可按悬浮程度放大 相关的：
Nr r vr r Pr r
3 / 4
1/ 4 11/4 5 ( b -1) 4
1
用叶端速度相等放时，各参数的放大式为:
r 1
Nr r Pr r
2 1 1
PVr r
r r
(b -1)
(2)采用传热PV相等放大
将N r r
2 ( ) 3
p2 N 2 D2 3 5 代入Pr 3 5 Nr r p1 N1 D1
(3)采用传热α相等放大
将N r r
得Pr r
1 2b b
p2 N 2 D2 3 5 代入Pr 3 5 Nr r p1 N1 D1
3
5
3 b b
1 2b ) b
将N r r
得PVr r
(
代入PVr N r r
3
2
3- 4b b
当 r 一定时，以PVr-b作图，可得图7－1。 可以看出，b值对放大后的功率消耗影响甚 大。
→速度分布、温度分布、浓度分布及停留时间 分布的差异
→反应的结果
成功放大的标志是：大小反应釜中的反应结果 一致或近似 。
数模放大
放大方法：
相似放大
数模放大:通过动力学研究和模型，确定反应 条件等对反应速率、产品质量和收率的关系， 并建立数学模型（动力学模型）\传递过程模 型来描述。设定过程参数，以得满意的产品质 量、收率、和产量的最佳条件。
式中：L为与传热面有关的代表性尺寸。 若釜的几何尺寸相似则：
2 D1 N1 1 b C P11 c 1 m 1 L1 1 ( ) ( ) ( ) 1 1 w1 1 2 2 L2 D2 N 2 2 b CP 2 2 c 2 m 2 ( ) ( ) ( ) 2 2 2 w2
工业釜要求：反应速率、产品质量和收率相同 或基本相同 。
第七章 搅拌聚合釜的放大
第二节 搅拌聚合釜的传热放大
搅拌釜的传热关联式为：
L b c m Nu ( N Re ) ( N Pr ) ( ) w
m ( ) ( ) ( ) w
b c
D 2 N
CP
D1 N1
D2 N 2
则
1
N 1 D2 2 N 2 D1
2
Nr r
r r
放大倍数较大时，要求小釜转数大，一般不用。
2.叶端速度相等放大
vr 1 r
1
r
1b
放大时，a下降较前者小
3.给热系数相等放大
1 2 r 1 r r
式中：ND是搅拌浆的叶端速度。令 ND=V
1 v1 b D1 b1 ( ) ( ) 2 v 2 D2
1 v1 b 1 b1 ( ) ( ) 2 v2 2
令
2 v2 2 N2 r , vr , r , Nr 1 v1 1 N1
r
vr
搅拌形式 Np
平板三叶 1.76 后掠 扁圆三叶 1.27 后掠
Np/Nqd
2.9 2.1
Nqd
0.61 0.605
Nqc
0.9 0.89
T N qc N qd 1 0.16[( ) 2 1] D
设Pv=1.2KW/M3循环次数Nc≥7次/min, 求大釜N,P,Pv
Ppoly=1.2Pwater,装料系数0.9，密度1090kg/M3
粘度5.65x10-3
(解) 1．确定线性放大比
V2 80 Vr 1000 V1 0.08
r Vr 1000 10 大釜直径：T2 r T1 10 0.4 4m 桨径：D 2 r D1 10 0.5 0.4 2m
r
0.333 0.2 0.1
r
相等
(Q / V ) r
0.33 0.25 0.1
例题P198例
节能
下降过多
第七章 搅拌聚合釜的放大
第三节 搅拌聚合釜的搅拌放大
搅拌釜的功率准数NP NP=f(NRe ，NFr ) 在几何相似的系统中，为保持二釜的搅拌动力相 似，则应保持上式中的三个准数相等，即 NP1= NP2 NRe1 = NRe2 NFr1 =NFr2 但对同种物料同时保持NRe、NFr 不变不可能见 NP1= NP2 不变 N2= 0.707N1 NRe1 = NRe2 N2= 0.25N1 按不同体系采用不同的放大方法。
不同体系可根据表7-4选择。
放大方法 N相等
适用情况
放大方法
适用情况 液-液分散 气-液分散 固-液悬浮
可溶液体混合， PV相等 气液混合
ND相等
流速敏感、剪切 悬浮程度相等 固-液悬浮 敏感
第七章 搅拌聚合釜的放大
第四节 非几何相似放大
几何相似放大的缺陷：
误区：几何相似＝动力相似
释：几何相似条件下若Re和Fr都相等，则动力相似。然 而，Re = d2 N / h ，Fr = d N2 /g，除非 (h/)2/(h/)1=(D2/D1)3/2，否则不可能Re和Fr同时相等。
r
vr
b
1 b
2 10.5 1 2
0 .5
但要使叶端速度增加一倍，搅拌功率P要增 加很多，因为P∝N3，这种放大法不经济。 传热下降是必然！！！ 单位体积所具有的传热面也降低 ！ 增加附加传热面。
传热放大方法： 动力相似放大 叶端速度相等放大； 给热系数相等放大； 单位体积搅拌功相等放大； 单位体积传热速率相等放大； 总传热系数相等放大。 1.动力相似放大 NRe相等， 2 2
b
r
1 b
Nr r
b
2 b 1
7-6
r 线性放大比。 7-6 放大后对传热的影响。
例：B=0.5， r =2（即几何尺寸放大一倍） 若叶端速度相等 ：
r
vr
b
r
1 b
1 10.5 0.704 2
0. 5