搅拌聚合釜的放大

(1)传热面不够，就应增添附加传热面。 (2)排出流量下降，就会使大釜中循环次数减少，搅拌效果变弱，混 合恶化，α 降低。所以釜放大后应考虑增加排出流量。可采取增加桨叶 直径及搅拌桨层数来提高排出流量。
(3)叶端速度增加，转速降低，结果造成桨叶端部的最大剪切速率增 加，而整个釜内的平均剪切速率下降。如在悬浮聚合中，这一结果就会 造成产品粒径分布的改变。
表7-4列出各种放大方法的适用情况，可以看出各种不同的操作过程 的放大方法是不相同的。
第四节 非几何相似放大
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 桨型、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。因此，运用非几何相似放大，需掌握桨型、桨 叶尺寸以及内部构件与各混合参数之间的关系。
序 指 模式釜
号标1 2 3 号标1 2 3
1 NRe 172 345 688 5 Np
2 NFr 3.5 1.7 0.8 6 P
57
kW
3 We 37 75 150 7 Pv kw/ m3
4 πN 5.1 5.1 5.1 8 D m/s
由表7-6还可以看出，随着生产规模的增大，NRe和NFr均在变化，可 见要使产品质量保持不变，并不要求动力相似。
N qd

N qd
1

0.16


T D
2

1
假定单位体积搅拌功率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棍合物料的密度比水大，因此假定聚 合时搅拌功率Pp为搅拌水时的功率Pw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，粘度为 5.65x10-3PaS。
（1） 若保持叶端速度相等，即 在保持叶端速度相等时，α2仅为α1的
vr v2 v1 1
则
r
即

vrb £1b
r

1 210.5
0.704
2 0.7041
70%左右，因而大釜的传热能力下降 1/3。而只有当vr＝2时才能使α 2＝ α1 。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。



D22 N22 2


D12 N11 1
b

b



Cp2 2 2
Cp1 1 1
c

c



m
2 w2

m
1 w1

1 2 1 2 1 2 w1 w2 C p1 C p2
1
vr £r4
代入式（7-6）可得
£
45b1
r
r
表7-3列出b=2/3，按几何相似放大一倍时，各参数的变化情况。 由表可以看出按Pv相等放大及按悬浮程度相等放大时，α 下降不多，须 增添的传热面较少，而颗粒的形态能有保证。按叶端速度相等放大时， α 下降最多，须增添的传热面较多，但功率消耗最少。而按α 相等放大时， α 虽可保持不变，但功率消耗最大。
2 1

L1 L2

N 2 D22 N1D12
b

在大小釜中，几何尺寸间有一定的比例关系， 即L/D是一定的，令L/D＝S，则
2 1

D1S D2S

N 2 D22 N1D12
b




N 2 D2 N1D1
b

D2 D1
b1

ND为搅拌浆的叶端速度。令ND＝v，则
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 ,
第二节 搅拌聚合釜的传热放大
搅拌釜的传热关联式为
m
Nu

L

a NRe b
NPr c

b w




D2N


b


Cp
c


w
m

如果有两个几何相似 的大小搅拌釜，则
如果物料相同，则
2 L2 2 1L1 1
N v / D 5.1 / 3.14(2.74 / 3) 1.74s1
模式釜号
1 2 3
表7-5 三种模式釜的实验结果
釜径 m
容积 m3 桨叶直径 转速 r/s m
0.228
0.0094 0.076
21.2
0.458
0.075
0.153
10.6
0.916
0.60
0.305
5.3
序 指 模式釜
D12 N11

D2 2
N
2

2
1
2
相同，因而得
D12 N1 D22 N 2
N2 D1
D2
1 2
N1


1 2
2

N1

0.25N1
因此，在几何相似的体系中要保持 均不变是不可能的。
N Re N Fr
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，这样就产生如下问题。
搅拌浆型式
平板型三叶后掠式 （平板型）
α＝150，β＝500 D/T=0.5, b/T=0.1
扁圆型三叶后掠式 (扁圆型)
α＝150，β＝500 D/T=0.5, b/T=0.1
Np
1.76
Np N qd
2.90
N qd
N qc
0.61
0.9
1.27
2.1
0.605
0.89
表中Nqc按下式计算所得
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）
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
N M tb1N1 tb2N2
式中tb为混合时间，tbN为在所要求的混合时间内桨叶的回转总数。 所以对于均一相液体间的混合操作放大时只须保待大小釜的回转总数相 等即可。
若要保持大小釜相同的混和时间，则应使二釜的转速相等，即
N
3 r
£2r
(2)当传热采用Pv相等放大
(3)当传热采用α 相等放大 由式（7－10）及式（7－20）可得
3b
Pr £r b
放大时，可由式（7－10）及式（7－22）得
34b
PVr £r b
(4) 对于固体粒子的悬浮操作可按照悬浮程度相等来进行放大。
N1 N2
2.以传热为主搅拌釜的放大 (1)当传热采用叶端速度相等放大时
vr 1
N r £r 1
此时搅拌功率的放大式为
Pr

P2 P1

N23D25 N13D15

N r3 £5r
得 Pr £2r
放大时的单位体积功为 得
PVr £r 1
PVr

N
D 3 2
22
N13D12

6. 按总传热系数K放大
因为K值可以直接测定，所以使用方便。虽然在某些情况下α 值可以从K值 中分离出来，但总不及用K放大更为直接。用K直接放大的条件是釜壁的热 阻相对于其他热阻来说是比较小的，可以忽略不计，大小釜保持几何相似 及叶端速度，传热温度保持相等。此时按K放大的方程式为
放大的方程式为
Kr
反应器放大成功的标志是要保证大小反应器中的反应结果一致 或近似，成功的关键则是放大技术的正确与否。
放大方法有两类，即数模放大和相似放大。
数模放大的基本原理是，通过动力学研究和模试，确定催化剂 种类、反应物浓度、温度、反应时间和剪切等对反应速率、产品质最 和收率的关系，并综合以一数学模型来描述，同时又通过冷模试验掌 握设备的几何尺寸及操作条件对搅拌釜内动量、热量、质量、停留时 间分布和微观混合的定量关系，并相应建立传递过程模型。然后设定 各种过程参数，运用上述两个数学模型进行计算，借以得到能在工业 反应器中获得满意的产品质量、收率、和产量的最佳条件。
将上面四种计算结果归纳于上表。由表可见，从减少能耗角度看， 以方案4最好，即采用扁圆截面的桨叶。由于平板型桨叶制造方便，故方 案2、3也可采用。在大型釜中为了增强循环而同时又不使消耗功率过大， 通常应采用Np/ Nqd值较小的桨叶。
第五节放大准则的确定
一. 按几何相似理论确定放大准则 对于几何相似体系，可在数个几何相似但容积不同的搅拌釜
对聚合反应来说，由于动力学模型及传递过程模型均较难建立， 故难以应用数模放大法，通常还是应用相似放大法。
相似放大的基本原理是，在配方不变的前提下，不论反应机理如 何，若工业反应器中的速度分布、浓度分布、温度分布和停留时间 分布均与模试反应器相同，则两者的反应结果也必然相同。但上述 四个分布并非彼此独立的，相互间呈复杂的制约关系。
二、按非几何相似理论确定放大准则
非几何相似放大法并不追求工业釜与模试釜间的几何相似，而仅要 求工业釜中的一个或几个主要混合参数与模试釜相似。所以使用非几 何相似理论来确定放大准则时，需详细分析各混合参数对过程结果的 影响。从中找出对过程结果最重要的混合参数并确定其允许的波动范 围。由于随转速的增加搅拌功率、叶端速度、循环量等混合参数也随 之变动。为此，使用非几何相似放大法由实验确定放大准则时，必须 使用数种形式及几何尺寸不同的桨叶来区分各混合参数对过程的影响。
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。

1 £8r
式中
Kr

K2 K1
S值按不同情况而变, P198
在几种传热放大法中，以保持α 、Pv及叶端速度相等的放大法最 为常用。下表给出各种不同传热放大法所得的α r及(Q/V)r值。
第三节 搅拌聚合釜的搅拌放大
功率准数与雷诺准数和弗鲁德准数间的关系式为：
Np f NReNFr
在几何相似的系统中，为保持大小二釜的搅拌动力相似， 则应保持
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。
事实上，反应器放大后，一般会引起大小反应器间的热量、质 量传递及流体流动状况等物理过程的变化，这就造成二者间的速度分 布、温度分布、浓度分布及停留时间分布的差异，从而影响到反应的 结果。
此时
N D N D 3.75 2.81
2
2
3.75 2.81
1
1
1
Nr


D2.81 1
D2.81 2
3.75

2.81
£ 3.75 r

3
£r 4
将（7-30）式代入式（7-20），可得
（7-30）
11
Pr £r4
代入式（7-22）可得
1
PVr Baidu Nhomakorabear 4
代入式（7-25）可得
例〔7一2〕为了给80m3氯乙烯大型聚合釜的设计提供数据，在内径为0.4m， 体积为80L的试验釜中进行冷模试验，试验釜与大型釜几何相似。搅拌桨叶采 用单层三叶后掠式，上翘角α 为150，后掠角β为500。桨叶靠近釜底安装。大型 釜中为了增加传热面用四支D型挡板，内通冷却水。试验釜中也按几何相似安 装四支D挡板。试验釜中以水作搅拌介质，对不同截面的桨叶进行研究得到下 表所示的结果。P204
放大步骤如下:首先建立几何相似但容积不同的三个模试装置，直径分别为 0.288m、0.458m和0.916m。搅拌器均可变速。随后，在每个模试釜中改变 不同转速来制备产品，以求取获得合格产品时的转速，结果如表7-5所示。再 用此最佳值计算出表7-6中所列8个指标的值，由表7-6可见，三种不同容积模 试釜中的叶端速度相等。因此可以确定放大准则为保持叶端速度为5.1m/s。于 是工业釜的转速即可方便地算出，
（2） 若大釜的叶端速度为小釜的两倍，即
r

20.5 210.5
1
表明在 vr 2 时，才能使
2 1
搅拌釜传热放大通常可以采用以下几种方法。 1. 按动力相似放大
2.按叶端速度相等放大 3. 按给热系数相等放大
4. 按单位体积输入的搅拌功相等放大
5. 按单位体积的传热速率不变放大