第二章 聚合反应工程基础(2-3五)要点
聚合反应工程基础(全套课件567P)
1.1.1 高分子化合物的分类和命名
2. 结构系统命名法：由（International Union of Pure and Applied
Chemistry, IUPAC）提出
I 26
1.1.2 高分子化合物的基本特点
H--NH(CH2)6NH--CO(CH2)4CO--OH
重复结构单元
结构单元
结构单元
n
例2：尼龙66 的重复单元与结构单元
----( CH2--CH=CH--CH 2 -)--(-CH --CH-)---2 y x
n
例3：丁苯橡胶 的重复结构单元与结构单元
I 24
1.1.2 高分子化合物的基本特点
实际上，分子量的大小并无明确的界限，一般
-- -- - --< 1,000 < - - - - - - < 10,000 < - - - - - < 1,000,000 < - - - - 低分子物 低/齐聚物 （Oligomer） 高聚物 (Polymer)
PS
PVC PTFE PAA PET
polystyrene
Polyvinyl chloride Polytetrafluoroethylene polyacrylic acid polyester
聚甲基丙烯酯 甲酯
聚醋酸乙烯 聚乙烯醇 聚丁二烯 聚丙烯腈
PMMA
PVAc PVA PB PAN
polymethylmet hacrylate
主要参考书目
1. 陈甘棠著，《聚合反应工程基础》，中国石化出版社，1991 2. 史子瑾主编，《聚合反应工程基础》，化学工业出版社， 1991 3. C.McGreavy(Ed),“Polymer Reactor Engineering”,Blackie
聚合反应工程基础复习提纲
聚合反应工程基础复习提纲第一章绪论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 - 整理
理想流动和理想反应器的设计
进行化学反应时，动量、热量、与质量的传递对反应速率有直接的影响， 所以在设计反应器时必须进行物料，热量及动量的衡算。
由于在有的反应器内，物料的浓度和温度是随着时间和空间的变化而变化 的，要准确地建立物料衡算方程式，有必要先对时间或空间进行微分，然后再 积分的方法进行计算。
不为零。
理想流动和理想反应器的设计
理想化学反应器
理想化学反应器的定义： 当反应器中没有任何传递过程的影响因素存在，反应的结果唯一地
由化学因素决定时，就称它为理想化学反应器。
实践中性能和行为接近于这种理想化学反应器的两种反应器： • 搅拌充分的间歇釜式反应器 • 连续流动的理想管式反应器
作为问题的另一方面，有时把无限偏离理想化学反应器的反应器也 作为“理想”化学反应器，如：
2 聚合反应的装置
2.塔式聚合反应器
一般用于连续生产且对物料的停留时间有一定要求的较高粘度的物 料体系,主要是一些缩聚反应。
苯乙烯本体聚合反应器
己内酰胺连续缩聚用的VK塔
2 聚合反应的装置
3. 管式聚合反应器
优点：简单，单位体积所具有的传热面积大，单位体积生产能力大、 单程转化率高，适用高温、高压操作。
均相反应动力学
2．化学反应动力学的表达式 影响化学反应速率的最主要因素是反应物料的浓度和反应温度，可
写成：
ri f (C,T )
式中： r i——组份I 的反应速率； C——反应物料的浓度向量； T——反应温度。
对于多组分多反应的系统，由于化学计量关系的约束，在反应过程
中只要某一组分的浓度确定，其它各组分的浓度也将随之而定 :
3 聚合反应的操作方式
2.连续式操作（有反混）
第二章 聚合反应工程基础(2-3、2-4)
稳定性是指对系统外加一个干扰，使过 程失去平衡，当外干扰消失后，若过程 有能力回复到原来的状态，则过程具有 稳定性，否则是不稳定。稳定性是系统 的一种动态特征。 自衡能力
第四节 理想混合反应器的热稳定性
如聚合过程中的爆聚，特别对于那些放 热量大，初始反应物浓度高，反应速度 快的反应过程，更应充分注意热稳定性 问题。
聚合反应工程
第三节 理想反应器设计
(2)连串反应
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
将A与B迅速混合
有三种加料方式 A慢慢加入B中 B 慢慢加入A中 将A与B迅速混合 S逐渐增多 R逐渐增多 R S
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
结论 (1)对于单一反应，因不存在产物分布 问题，所以在反应器选择时主要考虑容 积效率大小。 (2)对于复杂反应，在反应器的选择时 提高目的产物的收率。 (3)温度对复杂反应的产物分布也有重 大的影响。
第四节 理想混合关系， 所以反应过程的热变化对化学反应有决 定性的影响，反应器的设计必须考虑温 盘的控制。 另一方面，反应器操作时，总会遇到温 度的失控，偏离设定的操作条件，此时 反应器能否正常操作与反应器的热稳定 性有很大的关系。
第四节 理想混合反应器的热稳定性
这是热稳定性的又一条件。
第四节 理想混合反应器的热稳定性
第四节 理想混合反应器的热稳定性
第四节 理想混合反应器的热稳定性
第四节 理想混合反应器的热稳定性
第四节结束
第四节 理想混合反应器的热稳定性
• 当体系处于稳态时，放热度率与 除热速率应相等。
第四节 理想混合反应器的热稳定性
聚合物反应工程基础第二章
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4. 复合反应
复合反应：是几个反应同时进行的，常
见的复合反应有平行反应，连锁反应，平行－ 连锁反应等。
k1 A k2
R
A
k1
R
k2
S
S
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⑴ 平行反应
k1 A k2 R S
rA =
dCA = k1CA + k2CA = ( k1+k2 )CA dt
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例1 某厂以己二酸与己二醇等摩尔缩聚反应生产醇酸 树脂。用间歇反应器，反应温度70℃，催化剂为H2SO4。 已知：cA0=4 kmol· -3；反应动力学方程为： m
m3· kmol-1· -1 min 若每天处理2400kg己二酸，每批操作辅助生产时
间为1h，反应器装填系数为0.75，求：
第二章 化学反应工程基础
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3. 等温恒容单一反应动力学方程
⑴ 一级不可逆反应
A
1 dnA rA= V dt
恒容
S
dCA 一级 KCA dt
对于等温系统，k为常数,初始条件： t=0，CA=CA0
1 lnCA0 1 1 t= = ln 1-x K CA K A
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tr=tt-t‘
④ 求cAf：
⑤ 若计算的cAf小于任务要求的cAf则满足要求
rA = -
1 V
nA 0
dn A dt
= dx A dt
dx A dt
1 V
dn A0 (1-x A ) dt
= V 0 (1+ε A x A )
CA0 = 1+ε A x A
第二章 聚合物反应工程基础(2-5,2-6,2-7)
第六节 流动模型
长度
第六节 流动模型
1．返混很小的情况
第六节 流动模型
第六节 流动模型
2．返混程度较大的情况
第六节 流动模型
(1)对闭式容器
第六节 流动模型
第六节 流动模型
第六节 流动模型
第六节 流动模型
第六节 流动模型
第六节 流动模型
(四)带死角和短路的理想混合模型
第六节 流动模型
第六节 流动模型
第六节 流动模型
第六节 流动模型
第六节 流动模型
第六节 流动模型
(五)停留时间分布曲线的应用 上面介绍的各种流动模型，对于实际反应器来说，流体在 其间的流动状况十分复杂，各种流动类型没有一个能完美 无缺地描述一个真实反应器中的流动特性。 更多的流动模型要经过适当修正才能比较接近实际情况。 从反应器的设计和放大角度来看，总希望反应器中的流动 型态接近于平推流或理想混合流，这样在设计，放大时比 较简便，且把握性更大一些。 故在实际工什中，往往不是要寻找一个复杂的模型去描述 非理想流动，而是在反应器的结构方面加以改进，避免非 理想流动。
第五节 连续流动反应器的停留时间分 布
第五节 连续流动反应器的停留时间分 布
第五节 连续流动反应器的停留时间分 布
三、停留时间分布的数字特征 对连续反应一般总希望物科在系统内停留时间均 匀一些，也就是希望停留时间分布密度函数的峰 形窄一些。为了对不同流动型态下的停留时间函 数进行定量的比轮可采用平推流或理想混合反应 器的停留时间分布作为基准，而将被研究的实际 停留时间分布曲线与这些基准的偏差作为定量比 较的指标。停留时间分布密度函数E(t)，数学期 望和方差
聚合反应工程基础
聚合反应工程基础
聚合反应工程是一项对聚合反应做出反应结果的工程，是一种合成技术，旨在改善已有物质的性能，从而获取新物质。
与它相关的反应条件是:反应成分、反应温度、反应压力、反应时间和反应环境等因素。
反应成分是指反应时有害物质和原料，需要考虑事先性能和安全性；反应温度对反应有重要影响，选定的反应温度可能会影响反应的速度和产物的性质；反应压力也是影响反应的重要因素，一般情况下越高的压力会使反应终止更快；反应时间是指反应发生的时间，反应时间的不同可能会影响反应的结果；反应环境一般有液相反应和气相反应，液相反应对热反应有一定的特点，气相反应则更加灵活，在重要的应用领域可能会产生有用的物质。
通过调整上述反应因素，我们可以实现理想的反应结果，从而获取理想的物质。
聚合反应工程的研究主要集中在调节上述反应条件，以获得最终产品的最佳性能，重点是获得较高的生产效率。
同时，随着反应条件的变化，反应物和生成物之间的变化也会有所不同，这些变化也需要观察并进行改进。
总之，聚合反应工程主要是通过调节反应条件，使反应物和生成物在必要的条件下，实现理想的反应结果，以及高效的生产效率，为后续工程提供资源资源。
聚合物反应工程基础知识总结
体系具有热稳定性必须具备以下两个条件：
① 放热速率与除热速率相等，即：稳态条件 Qr Qc
② 稳定条件 dQc dQr dT dT
影响热稳定性的因素： 1、化学反应的特性，如 k、△H、E 等
2、反应过程的操作条件．如 v0 、 C A0 、T 等。
3、反应器的结构，如 A；
4、操作条件，如 v0 、T、TW 、K 等
的生产
3) 按操作方式分类 间歇反应器：在反应之前将原料一次性加入反应器中，直到反应达到规定的转化率，即得反应物， 通常带有搅拌器的釜式反应器。优点是：操作弹性大，主要用于小批量生产。 连续操作反应器 ：反应物连续加入反应器产物连续引出反应器，属于稳态过程，可以采用釜式、管 式和塔式反应器。优点是：适宜于大规模的工业生产，生产能力较强，产品质量稳定易于实现自动 化操作 。 半连续操作反应器 ：预先将部分反应物在反应前一次加入反应器，其余的反应物在反应过程中连续 或断连续加入，或者在反应过程中将某种产物连续地从反应器中取出，属于非稳态过程。优点是： 反应不太快，温度易于控制，有利于提高可逆反应的转化率 。 （PS：造成三种反应器中流体流动型态不同是由于物料在不同反应器中的返混程度不一样。返混： 是指反应器内不同年龄的流体微元之间的混合，返混代表时间上的逆向混合。 ）
4、缩聚反应
反应程度： p N0 N （表示已反应的官能团数与原始官能团数的比） N0
间歇操作时：
F ( 缩聚反应聚合度分布函数可以写为： n j) pi1 (1 p)
FW ( j) j(1 p)2 p j1
CA0 (ek2t
ek1t )
Cs CA0 (1 ek2t )
（PS：在连串反应中，R
的浓度会有最大值，出现最大值的时间为： tm a x
聚合反应工程基础复习提纲 2
2. 在连锁聚合中，采用间歇操作和连续操作对其转化率和平均聚合度和 分子量分布有何影响？
同一歧化终止，无链转移时，理想混合流操作的瞬间聚合度及聚合度分布与 间歇操作相同；平均聚合度及聚合度分布不同。
单基终止，无链转移时，理想混合流操作的聚合度分布比间歇操作的窄； 平推流操作：平均聚合度和聚合度分布与间歇操作相同。 对于理想混合反应器，分子量分布窄；（浓度不变） 对于间歇反应器，分子量分布宽。（浓度从高到低）
也越均匀,分子量分布也越窄.
8.对非牛顿流体在圆管中层流流动规律进行研究有何重要意义? 非牛顿流体与牛顿流体不同流动特性,二者动量质量传递特性也有所差别,
进而影响到热量传递,质量传递,及反应结果.因此对流速分布及压力降等问题研 究,不仅能决定管中流体输送量与功率消耗,同时能了解影响管式反应,塔式反应 器中物料浓度,温度分布,进而影响反应速度和分子量分布情况.
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=0
15. 实现反应器的热稳定操作需满足哪些条件? ① Qr=Qc, 体 系 放 出 热 量 ; Qr ② dQc/dT>dQr/dT, 除 热 量 ; Qc ③ △ T=T-Tw<RT2/E, E 反应活化能,T 反应器温度,Tw 冷却液温度
5.返混和混合对聚合度分布的影响 。 当活性链的寿命较物料在反应器中的平均停留时间短时，浓度历程是影响聚
合度分布的主要因素，聚合度分布由窄至宽为：理想混合反应器，非理想混合反 应器，平推流反应器；
当活性链的寿命较平均停留时间长时，停留时间分布是决定聚合度分布的主 要原因。上述情况正好相反。
6.粘度对聚合物反应的影响。 粘度增加，链自由基卷曲，活性端基被包裹，双基扩散终止困难，链终止速
聚合反应工程基础第二章.ppt
进料乙烷的摩尔流率是：
计算1100KFA时0 反FxAB应速00.率1.875常数0.2：19kmol s1
E
k A0e RT
k1100K k1000K
E
A0e 1100R
E
A0e 1000R
E 11001000
e R 11001000
k1100K
347.3103 11001000
以两只不等容的理想混合反应器串联操作为例：
对于第一级反应器
1
C x A0 A1 rA1
对于第二级反应器
2 CA0
xA2 xA1 rA2
反应所需的总平均停留时间为 1 2
两种组合方式均可达到最终转化率xA2。如果能确定 最佳xA1，可使反应总体积最小。
1/rA
0.0725e 8.314 11001000
3.23s1
膨胀率：
A
2 1 1
1
进口体积流量：
V0
FA 0 RT0 p0
0.219103 8.3141100 600 103
3.34m3s1
VR
V0
cA0
xA 0
dxA rA
VR
V0cA0
xA 0
FA0 FA rA V 0
整理得到：
FA0 xA0 xA rAV
V xA0 xA
FA0
rA
V V0
cA0
xA0 xA rA
恒容条件下又可以简化为： cA0 cA cA0 xA
rA
rA
等温变容情况下
cA
第2章逐讲义步聚合反应
2.1 概述
(2) 单体的官能度与平均官能度 单体的官能度 定义：一个单体分子上反应活性中心的数目。 实例：苯酚的官能度为3，甲醛的官能度为2。 单体的平均官能度fav 定义：体系中每个单体平均带有的反应活性中心的数目。
f体体 系系 中中 实 活单 际 性体 参 中 fA N N A 分 加 A 心 fN B N B 子 B 反 数 N fC C N 总 应 C 数 的
由单体的平均官能度的定义可知：单体的平均官能度不但与体 系内各种单体的官能度有关，而且还与单体的配料比有关。
2.1 概述
平均官能度的价值 通过平均官能度数值可以直接判断缩聚反应所得产物的
结构与反应类型。 当f>2时，产物为支链或网状结构，属于体型缩聚； 当f=2时，产物为线型结构，属于线型缩聚； 当f<2时，体系中有单官能团物质，不能生成高聚物。
2.1 概述
2.1.2 逐步聚合反应的单体
(1) 官能团与单体 官能团与活性中心：
官能团是指单体分子中能参加反应并能表征反应类型的原 子团，其中直接参加反应的部分称为活性中心。 常见官能团的类型： 如:羟基（-OH）、氨基（-NH2）、羧基（-COOH）、活 泼原子（H、Cl）等。 还有异氰酸酯基（-N=C=O）、烯酮基（-C=C=O）等。 常用的单体类型(见表2-2) 二官能团单体：二元酸、二元醇、二元胺、 ω-氨基酸、 ω-羟基酸等 三官能团单体：甘油、偏苯三酸等 四官能团单体：季戊四醇、均苯四酸等 多官能团知识运用能力，并学会 通过逻辑分析，把握事物的本质； ➢ 通过了解各种逐步聚合反应在高分子合成工业中的应用，丰 富学生的专业素养。
2.1 概述
2.1.1 逐步聚合反应及其分类
缩聚反应 具有两个可两个以上官能团的同种或不同种类分子化合
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。
聚合反应工程(2-3)
48
第三节 理想反应器设计
聚合反应工程
2-3理想反应器设计
49
第三节 理想反应器设计
聚合反应工程
2-3理想反应器设计
50
第三节 理想反应器设计
聚合反应工程
2-3理想反应器设计
51
第三节 理想反应器设计
聚合反应工程
2-3理想反应器设计
52
第三节 理想反应器设计
聚合反应工程
2-3理想反应器设计
2-3理想反应器设计 7
聚合反应工程
第三节 理想反应器的设计
rA v n A0 dx A dt
(2-44)
恒容条件： r n 1 dx A C dx A A A0 A0 v dt dt 积分得：
dxA t C A0 rA
（2-45）
间歇反应器基本设计方程式（2-45）
聚合反应工程 2-3理想反应器设计 8
第三节 理想反应器的设计
等温变容过程：由（2-40）式导出：
dx t [ M ]0 rM
(2-46)
聚合反应工程
2-3理想反应器设计
9
第三节 理想反应器的设计
（2-47） 假设稳态成立：
（2-48） （2-46）积分
聚合反应工程
2-3理想反应器设计
10
第三节 理想反应器的设计
反应时间与参加反应的量无关： 恒容时： c A0 c A xA c A0 故： dc
2-3理想反应器设计
45
第三节 理想反应器设计
2．图解法
当各级反应器的体积相等时，可将式(2—59)改写为
上式表示第i级反应器进口浓度CAi-1一定时， 出口浓度CAi 与反应速度rAi间的关系。 在CAi-1及τ一定时，在rAi- CAi 图上是直线。
聚合反应基础学习知识原理
第二章^合反应原理第一节概述聚合物的合成方法可概括如下：‘加聚反应，属于连锁聚合机理缩聚反应，属于逐步聚合机理大分子反应其中，单体的聚合反应是聚合物合成的重要方法。
（一）高分子化学的一些基本概念1.高分子化合物（high molecular weight compound ） ------------ 由许多一种或几种结构单 元通过共价键连接起来的呈线形、分支形或网络状的高分子量的化合物，称之为高分子量化合物，简称高分子化合物或高分子。
高分子化合物也称之为大分子（macromolecule 、聚合物 （polymer ）。
高分子化合物的特点：（1）高的分子量 M.W （ molecular weight ）>104 ；M.W.<103时称为齐聚物（oligomer \ 寡聚物或低聚物；（2）存在结构单元：结构单元是由单体（小分子化合物）通过聚合反应转变成的构成大分子链的单元；（3）结构单元通过共价键连接，连接形式有线形、分支形或网络状结构。
如聚苯乙烯（PS ） ： M.W.:10~ 30万，线形，含一种结构单元一苯乙烯单元，属通用合成 塑料。
★结构单元(structural unit)和重复单元(repeating unit ):单体的聚合反应4 聚合物的合成反应 4 PVC PMMA PSCln CH 2=C H ----------------------------- He4—CH 上CH 3 CH 3C~\ .Z-e _O(CH 2)2O -^H +(2n-1)H 2OCH 2 CHCl 元。
CH 3CH 2 C O_C=O OCH 3 结构单元和重复单元相同如尼龙-66(聚己二酰己二胺)，有两个结构单元，两个结构单元链接起来组成其重复单尼龙-66 尼龙-6—I- - -I- NH(CH z^NH CO(CH 2)4CO j 结构单元 结构单元 NH(CH 卯 r 结构单元 重复单元 重复单元2 .聚合度(degree of polymerization , DP )即一条大分子所包含的重复单元的个数，用口「表示； 对缩聚物，聚合度通常以结构单元计数，符号为X n ； XnDP 、X n 对加聚物一般相同。
聚合物反应工程基础第二章概要
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② 釜式反应器：一般高径比为1—3。适用于 液相、液-液相、气-液相及液-固相反应。 ③ 塔式反应器：一般高径比在3—30之间。 ④ 流化床反应器 ⑤ 固定床反应器
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搅拌釜式反应器
重油的催化裂化流化床反应器
邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
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⑵ 全混流反应器 由于反应器中强烈的搅拌作用，使刚
进入反应器的物料与器内原有的物料瞬间 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。
4. 基本概念
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⑴ 化学反应式
aA bB rR sS
⑵ 化学反应计量式
aA bB rR sS
⑶ 化学反应动力学方程有多种形式，对于均相反应，方程多 数可以写为（或可以近似写为，至少在一定浓度范围之内可以写为） 幂函数形式，反应速率与反应物浓度的某一方次呈正比。
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对于体系中只进行一个不可逆反应的过程
aA bB rR sS
rA kccAmcBn
mol m3s1
⑵ 具有足够的传热面积，保证反应过程中热 量的传递，使反应指控在最适合的温度下进行。
⑶ 保证参加反应的物料均匀混合。
2. 物料衡算
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反应物A 的流入速度
反应物A 的流出速度ຫໍສະໝຸດ 反应物A由于 反应的消失速度
反应物A 的积累速度
0
上式是普遍的物料衡算式，无论对流动系统或 间歇系统均可适用。对于间歇反应器式中的流入项与 流出项都为零，对于稳态操作的连续流动反应器累积 项为零，而对于非稳态操作的连续流动反应器和半连 续反应器式中四项均不为零。
聚合反应工程基础教学大纲
《聚合反应工程基础》教学大纲一、课程基本信息课程中文名称：聚合反应工程基础课程英文名称：The Basic of Polymerization Reaction Engineering课程编号：06132090课程类型：专业（方向）课总学时：54 实验学时：0 上机学时：4 课外学时：0学分：3适用专业：化学工程与工艺（四年级本科）先修课程：物理化学、化工原理、高分子化学、高分子物理开课院系：化工与制药学院化学工艺学科部二、课程的性质与任务《聚合反应工程基础》是化学工程及工艺专业的一门主要专业课，主要讲授聚合反应器。
以搅拌聚合釜为重点。
讨论聚合过程（流动、混合、传热等物理过程及聚合反应过程）对聚合反应器设计和操作控制要求。
学生通过学习该课程后，应了解聚合反应器的设计、操作和控制的基本方法。
能够根据聚合物性能要求合理确定聚合反应器的设计、操作和控制条件。
三、课程教学基本要求学生学习本课程后应达到如下要求：1．掌握理想反应器的设计和分析方法。
2．掌握聚合反应过程动力学分析方法。
3．对不同类型的化学反应选择合适的反应器和反应器操作方式。
4．了解理想流动反应器和理想流动反应器的差别5．掌握连续流动反应器的热稳定性原理6．了解实际生产过程中聚合反应器。
7．了解聚合反应器的放大。
四、理论教学内容和基本要求绪论（1）聚合反应工程基础的主要内容（2）聚合反应工程发展的历史及现状化学反应工程基础（一）化学反应和反应器分类（1）化学反应和分类（2）反应速率（3）反应器的分类（4）连续流动反应器内流体流动的两种理想型态基本要求：1．了解：化学反应的分类掌握：反应速率的表达和定义2．了解：反应器分类办法理解：连续流动反应器内流体流动的两种理想型态（二）均相反应动力学（1）等温恒容单一反应动力学方程式（2）复合反应（3）等温变容过程基本要求：1．掌握：等温恒容单一反应温度对反应速率的影响2．掌握：复合反应动力学方程式的建立与解析3．了解：等温变容过程（三）理想反应器的设计（1）理想反应器设计的基本原理（2）间歇反应器（3）平推流反应器（4）理想混合反应器（5）多级串联理想混合反应器（6）反应器型式和操作方法的评比和选择基本要求：1．掌握：理想反应器设计的基本原理理解：理想反应器的物料平衡方程和热量平衡方程2．掌握：间歇反应器的设计方程理解：间歇反应器的微分物料平衡方程了解：间歇反应器的微分热量平衡方程3．掌握：平推流反应器的设计方程理解：平推流反应器的微分物料平衡方程了解：平推流反应器的微分热量平衡方程4．掌握：理想混合反应器的设计方程理解：理想混合反应器的基本假设5．掌握：多级串联理想混合反应器的设计计算了解：图解法设计和计算多级串联理想混合反应器6．掌握：反应器型式和操作方法的评比和选择理解：根据化学反应的类型采取的操作策略（四）理想混合反应器的热稳定性（1）热稳定性原理（2）影响热稳定性的因素（3）T与T W间的最大温差基本要求：1．了解：理想混合反应器的热稳定性原理掌握：理想混合反应器的物料平衡方程和热量平衡方程及定态操作分析2．了解：影响热稳定性的因素掌握：理想混合反应器的热稳定性与操作因素的关系理解：理想混合反应器操作的多态现象3．掌握：T与T W间的最大温差的计算了解：理想混合反应器的热稳定性判据（五）连续流动反应器的停留时间分布（1）停留时间分布表示方法（2）停留时间分布的测定（3）停留时间分布的数字特征基本要求：1．掌握：停留时间分布的表示方法理解：停留时间分布的意义2．掌握：停留时间分布函数的测定方法理解：阶跃法和脉冲法测定停留时间分布函数的原理3．掌握：停留时间分布的数字特征理解：无因次平均停留时间和方差的意义、计算、用途（六）流动模型（1）理想流动模型（2）非理想流动模型基本要求：1．掌握：理想流动模型的建立掌握：理想流动模型数字特征的解析方法2．了解：非理想流动模型的建立了解：非理想流动模型数字特征的解析方法（七）停留时间分布与化学反应（1）反应器内流体的混合状态（2）微观混合反应器的计算（3）宏观混合反应器的计算基本要求：1．了解：反应器内流体的混合状态2．掌握：微观混合反应器的计算3．掌握：宏观混合反应器的计算聚合反应工程分析（一）概述（1）聚合反应过程的特点（2）聚合反应过程的目标函数基本要求：1．了解：聚合反应过程的特点2．理解：聚合反应过程的目标函数（二）聚合反应速度的工程分析（1）活性链浓度[P.]与聚合反应机理P与反应机理（2）平均聚合度n基本要求：1．了解：活性链浓度[P.]与聚合反应机理的关系掌握：活性链浓度[P.]的计算方法P与反应机理的关系2．掌握：平均聚合度n（三）聚合物的聚合度及聚合度分布表示法（2）瞬时聚合度（3）聚合度分布函数基本要求：1．掌握：几种平均聚合度的表示方法理解：距法表示的平均聚合度2．掌握：几种瞬时聚合度的表示方法掌握：反应机理与瞬时聚合度3．掌握：聚合度分布函数的表示方法（四）连锁聚合反应的平均聚合度及聚合度分布（1）间歇聚合时的聚合度分布（2）连续聚合时的聚合度分布基本要求：1．掌握：连锁聚合反应间歇聚合时的瞬时聚合度和产品聚合度及其分布理解：连锁聚合反应机理与聚合度及其分布2．掌握：连续聚合时的聚合度及其分布了解：多级串联连续聚合釜时的聚合度及其分布（五）粘度对聚合反应的影响基本要求：1．了解：粘度对聚合反应的聚合度及其分布的影响（六）均相自由基共聚（1）间歇共聚操作（2）半间歇共聚操作（3）连续共聚操作基本要求：1．了解：均相自由基共聚合动力学方程的建立理解：均相自由基共聚合动力学分析的基本假设掌握：均相自由基共聚物平均聚合度及组成分布的计算2．掌握：半间歇共聚操作时均相自由基共聚物平均聚合度及组成分布的计算了解：半间歇共聚操作时均相自由基共聚体系体积收缩与单体组成的关系3．了解：连续共聚操作时的聚合度及其分布基本要求：1．掌握：用微分方程法建立缩聚反应动力学方程2．掌握：线性缩聚反应的聚合度及其分布的表达（八）非均相聚合反应（1）间歇乳液聚合（2）连续乳液聚合（3）乳液聚合反应器设计要点基本要求：1．掌握：间歇乳液聚合动力学分析理解：间歇乳液聚合的基本假设2．了解：连续乳液聚合过程的特点了解：连续乳液聚合过程动力学（九）流动与混合对聚合度分布的影响（1）返混的影响（2）混合尺寸的影响基本要求：1．了解：流动与混合对聚合度分布的影响2．了解：混合尺寸对聚合度分布的影响（十）聚合过程的调节与控制（1）温度的调控（2）聚合速率的调控（3）聚合度与聚合度分布的调控（4）粒径及粒径分布的调控基本要求：1．了解：聚合过程温度的调控2．了解：聚合过程聚合速率的调控3．了解：聚合过程聚合度与聚合度分布的调控4．了解：聚合物粒径及粒径分布的调控化工流变学基础（一）非牛顿流体（1）牛顿粘性定律和流动曲线（2）非牛顿流体的分类基本要求：1．了解：牛顿粘性定律和流动曲线2．了解：非牛顿流体的分类（二）非牛顿流体的流变特性（1）非牛顿流体的表观粘度（2）高聚物溶液的流变特性（3）悬浮液的流变特性基本要求：1．理解：非牛顿流体的表观粘度的定义2．了解：高聚物溶液的流变特性3．了解：悬浮液的流变特性（三）非牛顿流体在圆管中层流流动的分析（1）流动分析（2）表观粘度及雷诺数（3）流量（4）平均流速与流速分布（5）压力降基本要求：1．掌握：非牛顿流体在圆管中层流流动的分析理解：非牛顿流体在圆管中层流流动时的表观粘度及雷诺数2．掌握：非牛顿流体在圆管中层流流动时的流量计算3．了解：非牛顿流体在圆管中层流流动时的平均流速与流速分布4．了解：非牛顿流体在圆管中层流流动时的压力降计算（四）非牛顿流体在圆管中的湍流流动基本要求：1．了解：非牛顿流体在圆管中的湍流流动时的流量、平均流速与流速分布、压力降的计算（五）非牛顿流体流变性的测量（1）落球粘度计（2）旋转锥板粘度计（3）旋转圆筒粘度计（4）毛细管挤出流变仪基本要求：1．了解：落球粘度计测量聚合物粘度的原理2．掌握：旋转锥板粘度计测量聚合物粘度的原理与应用3．掌握：旋转圆筒粘度计测量聚合物粘度的原理与应用4．了解：毛细管挤出流变仪搅拌聚合釜内流体的流动与混合（一）概述基本要求：1．了解：搅拌应具有的混合、搅动、悬浮、分散的功能（二）搅拌釜内流体的流动状况（1）循环流动与剪切流动（2）搅拌雷诺数与流态（3）挡板与导流筒基本要求：1．了解：搅拌釜内流体的循环流动与剪切流动2．了解：搅拌雷诺数与流态3．了解：挡板与导流筒的作用（三）搅拌器的构形与选择（1）搅拌器的构形（2）搅拌器的选用基本要求：1．了解：搅拌器的构形2．了解：搅拌器的选用（四）搅拌功率的计算（1）搅拌过程的因次分析（2）均相流体搅拌功率的计算（3）非均相体系搅拌功率计算（4）非牛顿流体的搅拌基本要求：1．了解：搅拌过程的因次分析2．了解：均相流体搅拌功率的计算3．了解：非均相体系搅拌功率计算4．了解：非牛顿流体的搅拌（五）搅拌器的流动特性及转速的确定（1）搅拌器的循环特性（2）搅拌转速的确定基本要求：1．了解：搅拌器的循环特性2．了解：搅拌转速的确定（六）搅拌器的混合特性（1）混合机理及混合特性（2）混合时间的计算基本要求：1．了解：混合机理及混合特性2．了解：混合时间的计算（七）搅拌釜中的分散过程（1）搅拌釜内的液-液分散与合并（2）搅拌对聚合物颗粒特性的影响基本要求：1．了解：搅拌釜内的液-液分散与合并了解：搅拌釜中的分散过程的韦伯准数2．了解：搅拌对聚合物颗粒特性的影响搅拌聚合釜中的传热与传质（一）聚合过程的传热问题基本要求：1．了解：聚合过程的传热问题的重要性（二）搅拌聚合釜的几种传热方式基本要求：1．了解：搅拌聚合釜的几种传热方式（三）搅拌聚合釜的传热计算（1）均相液体的传热（2）非均相体系的传热（3）非牛顿流体的传热（4）搅拌聚合釜总传热系数的计算基本要求：1．了解：均相液体的传热计算2．了解：非均相体系的传热计算3．了解：非牛顿流体的传热计算4．了解：搅拌聚合釜总传热系数的计算（四）搅拌釜内的传质过程（1）分散体系的传质膜系数（2）伴有相间传质的聚合反应基本要求：1．了解：分散体系的传质膜系数2．了解：伴有相间传质的聚合反应（五）聚合反应釜的安全操作基本要求：1．了解：聚合反应釜的安全操作搅拌聚合釜的放大（一）概述基本要求：1．了解：搅拌聚合釜的放大的重要性（二）搅拌聚合釜的传热放大基本要求：1．了解：搅拌聚合釜的传热放大理解：传热分系数在搅拌聚合釜放大后的变化（三）搅拌聚合釜的搅拌放大基本要求：1．了解：搅拌聚合釜的搅拌放大2．理解：搅拌器的N与D的关系（四）非几何相似放大基本要求：1．了解：搅拌聚合釜的非几何相似放大（五）放大准则的确定（1）按几何相似理论确定放大准则（2）按非几何相似理论确定放大准则基本要求：1．掌握：按几何相似理论确定放大准则的方法2．了解：按非几何相似理论确定放大准则聚合过程及聚合反应器（一）工业聚合方法基本要求：1．了解：工业聚合方法（二）聚合反应器（1）釜式聚合反应器（2）塔式聚合反应器（3）管式聚合反应器（4）特殊型聚合反应基本要求：1．了解：釜式聚合反应器2．了解：塔式聚合反应器3．了解：管式聚合反应器4．了解：特殊型聚合反应器（三）聚合反应器的选择原则基本要求：1．了解：聚合反应器的选择原则（四）聚合过程实例（1）苯乙烯连续本体聚合（2）高压聚乙烯（3）丙烯淤浆聚合基本要求：1．了解：苯乙烯连续本体聚合2．了解：高压聚乙烯3．了解：丙烯淤浆聚合五、有关教学环节的要求本课程教学方式主要为课堂教学，部分章节的例题和习题应上机求解。
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第三节 理想反应器设计
2．图解法 当各级反应器的体积相等时，可将式(2—59)改写为
上式表示第i级反应器进口浓度CAi-1一定时， 出口浓度CAi 与反应速度rAi间的关系。 在CAi-1及τ一定时，在rAi- CAi 图上是直线。
第三节 理想反应器设计
Y=kx+b K= -1/τ b= CAi-1 (1/τ) 当 rAi =0时，CAi＝ CAi-1 ，即 CAi-1为与横轴的截距
第三节 理想反应器设计
1．代数法(进行逐级计算一直到要求的转化率 为止）
等温一级反应
第一级反应器出口物料
第三节 理想反应器设计
对第二级反应器
对最终级反应器则有
第三节 理想反应器设计
当各釜的容积vi相等时，则
第三节 理想反应器设计
式(2—61)、(2—62)中包含”XAN N V及V。 四个参执当确定其中三个即可求得第四个参数
随着级数N的增加，容积效率逐渐增加，当级 数无限多时，容积效率趋于1。（理想混合反 应器？）
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
2．复合反应
• 对复合反应除了要考虑反应器的容积效率外，更 重要的是考虑不同型式反应器对产物分布的影响， 因为产物分布直接影t晌到顾料的消耗定额，成本 及分离，精制等后处理过程。
度温
影度
响影
了响
值
的 是
曲 线 的 斜 率 ， 因 为 温
第三节 理Байду номын сангаас反应器设计
图解法只适用于反应速率可用单一组分浓度来 表达的情况，故对于平行、串连等复杂反应是 不适用的。
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
• 平行反应和连串反应是复合反应的代表，又是组 成文复杂反应的基本反应，下面仅就这二类反应 进行讨论。
第三节 理想反应器设计
(1)平行反应
第三节 理想反应器设计
间歇反应器或平推流反应器 采用理想混合反应器
第三节 理想反应器设计
反应器型式对目的产物R的收率没影响 改变温度或采用催化剂
第三节 理想反应器设计
聚合反应工程基础
徐德增
第三节 理想反应器设计
五、多级串联理想混合反应器 将数个体积相等(或不相等)的理想混合反应器串
联起来操作即为多级串联理想混合流反应器。
第三节 理想反应器设计
对第 j 级反应器中的A组分列出下面的物料衡算式。 整理后可得:
第三节 理想反应器设计
在多级串联理想温合反应器的设计中，通常需 要计算下列四个参数中的一个即每级反应器的 体积vi反应器的级数N、最终转化率XAN及原 料流量v0可通过代数法或图解法进行计算。
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
对二级反应 若CA0＝CB0 且各级反应器的体积及温度均相同，则
代入式(2—59)则有
第三节 理想反应器设计
对第一级反应器 于是由上式可得
对第二釜可得
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
反应器的总体积为
两釜串联反应器所需的体积要比单釜小得多。
CAi
CAi-1
第三节 理想反应器设计
二个式予绘于rA-CA图上，则二条线的交点的 横座标即为出口浓度CA.
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
用体 体积 积影 计响 算的 出是 来斜 的率
， 因 为 斜 率 是
第三节 理想反应器设计
f-t k
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
六、反应器型式和操作方法的评比和选择 二个方面来考虑： ① 反应器的体积要小。 ② 用等量的原料得到的目的产物要多。 对单一反应，主要是考虑反应器容积的大小。 对复合反应，首先要考虑产物分布。
第三节 理想反应器设计
1．单一反应 容积效率η是指同一反应，在相同的温度，产量 和转化率条件下，平推流反应器与理想混合反应 器所需的总体积比，即
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
对零级反应 对一级反应
第三节 理想反应器设计
对二级反应
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
结论 (1)零级反应时，η＝1，两种反应器的体积相等， 即反应器的型式对反应速率没有影响。 (2)当转化率一定时，反应级数高的反应 宜采用平推流反应器。