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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）
聚合反应工程第一章1
1.3 聚合反应工程
1.3.1 聚合物生产特点 ①反应机理多样，动力学关系复杂。 ②需要考虑转化率，聚合度、聚合度分布、 聚合物结构、聚合物性能等问题。 ③体系黏度高，与低分子体系有很大的不同。 ④聚合产品种类多，实验数据缺乏， 聚合反应器的设计和放大受到一定的限制。
研究内容
• ①反应动力学：反应物浓度与时间的关系，产 量与时间的关系…… • ②反应过程的分析：反应器内质量和热量的传 递……
• ③反应技术的开发：需要多少级反应器，反应 物料如何加入…… • 反应器的分析和设计：需要多大的反应器…… • 优化工艺条件的确定：反应物初始浓度、反应 温度……
1.2.3 化学反应工程的分支
一般是立式圆柱形高压釜，带有夹套，以便通入 蒸汽或冷水来加热或冷却。用于乳液聚合的， 内有不锈钢的水平桨式搅拌器，由电动机通过 传动装置和减速器传动。釜的外壁常用碳钢制 成，内衬不锈钢，也有衬搪瓷的。聚合时可以 单釜间歇生产，也可以是多釜串联连续生产。 聚合反应物由一个釜的下部进入下一釜的上部。 釜上装有温度、压力等仪表，以及进出料口等。 用于本体聚合的，则釜内不装搅拌器，且不串 联。此外，还有在长方形金属箱的浅盘中，以 一定的速度流入而进行聚合的。
• 技术方法：后两章 • ①聚合反应器的放大 • ②聚合过程及聚合反应器
1.3.4 聚合反应工程的发展 • 开始于1944年Denbigh的研究工作 • 20世纪60年代，计算机技术使其进入快速 发展阶段 • 近年来，聚合反应中数学模型的建立，使 研究更实际化
1.4 课程研究内容
基本原理和技术方法。分为八章 • 基本原理：前六章内容
• ①绪论 ②化学反应工程基础 ③聚合反应工程基础 ④化工流变学基础 ⑤流体的搅拌和混合 ⑥搅拌聚合釜的传热和传质
第8章 聚合反应工程基础
第八章 1 聚合反应器¾从操作方式来看它能进行间歇、半连续、单釜和多釜连续操作，以满足不同聚合过程的要求。
¾反应釜一般带搅拌装置，且形式多样。
1.1 釜式聚合反应器（聚合釜）（1）釜体（2）搅拌装置基本结构4（3）密封装置（4）传动装置¾封头（1）釜体端部法兰式结构：开式结构、釜盖重包括：上下封头、直立圆筒、接管、法兰、支座等5量较轻，适用压力较低、容积较小的反应釜选用。
闭式、留人孔式结构：闭式结构、无法兰、结构简单、造价较低，适用容积大的反应釜。
6几种搅拌设备筒体的高径比H 1/D 1种类罐内物料类型高径比一般搅拌罐液-固相、液－液相1～1.3¾筒体7气－液相1～2聚合釜悬浮液、乳化液2.08～3.85发酵罐类发酵液1.7～2.5高径比较大？991010反应釜材质：不锈钢、搪瓷11管道颜色标识原料：灰色空气：蓝色氮气：黑色1313水：绿色热介质进出管：红色产物放料管：灰色14141515 传感器：测量反应物的温度、压力或其它参数。
1617 视镜18支座：小型用悬挂式支座，大型用裙式支座或支承式支座。
1920如何有效的排除聚合反应热，保持反应温度？①夹套冷却夹套传热：饱和水蒸汽、热水、冷水、冷冻盐水、热导油等。
22¾蒸汽加热和液体加热的方向？①夹套冷却夹套传热：饱和水蒸汽、热水、冷水、冷冻盐水、热导油等。
压力MPa 温度℃压力MPa 温度℃0010102002001335230.010102.00.200133.50.050111.00.300143.50.100120.00.400151.50.150127.00.520160.0夹套附加内冷管冷却——大型聚合釜或要求低温操作24内冷管——蛇管25③回流冷凝器冷却——反应温度较高，单体沸腾回流移去反应热26回流冷凝器冷却27传热装置——电加热28釜体的保温——高温或低温聚合293133搅拌机顶插式中心安装立式圆筒的三种基本流型径向流流型轴向流切向流36轴向流与搅拌器☆桨式搅拌器（折叶式）：结构简单☆叶片用扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数是2、3或4 片。
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.第二章化学反应工程基础一、概念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。
4.膨胀率：反应中某种物料全部转化后体系的体积变化率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6. 停留时间分布密度函数、停留时间分布函数、平均停留时间停留时间分布密度函数：系统出口流体中，已知在系统中停留时间为 t 到dt 间的微元所占的分率 E(t)dt停留时间分布函数F(t):系统出口流体中，已知在系统中停留时间小于 t 的微元所占的分率 F(t)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10.混合时间指经过搅拌时物料达到规定均匀程度所需的时间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。
10级高中班聚合反应工程复习提纲
2011/2012学年第一学期10高中化工、分析班
《聚合反应工程》复习提纲
1、聚合反应工程的定义及研究内容。
2、与低分子反应相比，聚合反应和聚合物生产的特点。
3、一个新的反应过程的开发需要哪几个阶段？
4、如何定义简单反应与复杂反应，反应分子数及反应级数的概念，返混、转化率的概念？
5、反应速率的定义及表达式，反应速率常数与温度的关系。
6、按照不同依据分，反应器分为哪几类？了解每一类的适用范围和应用实例。
7、能够区分间歇反应器、连续反应器及半连续反应器操作特点。
8、何谓平推流和理想混合流反应器及这两种反应器的特点分别是什么？
9、可逆反应定义及复合反应所包含的反应类型有哪些？
10、反应器设计的三个基本要求是什么？
11、基本物料衡算式，热量衡算式如何表示？
12、造成返混的主要原因是什么？
13、停留时间分布测定方法有哪些？
14、聚合反应按照反应机理来分，可分为哪两大类？其特点分别是什么？。
第一章 聚合反应工程基础1-2
返混：反应器内不同年龄的流体微元间的混合。
平推流反应器
• 反应器内每一微元体积中的流体均以同样 的速度向前移动；
• 稳态操作时，反应器各个截面上物料浓度 不随时间而变化；
• 物料浓度沿流动方向而改变，反应速率随 空间位置改变。
理想混合流反应器
• 强烈搅拌作用，刚进入反应器的物料微元 与器内原有的物料微元瞬时充分混合，各 点浓度相等，出口流体组成与器内相同。
• 微元停留时间分布 • 管径小、流速大的管式反应器作为平推流
反应器处理；带有强烈搅拌的釜式反应器 作为理想混合流反应器。
2.2 均相反应动力学 2.2.1 相关术语
20世纪30年代，丹克莱尔(Damhohler)论述了扩散、流体流 动和传热对反应器产率的影响——奠定了基础 梯尔(Thiele)和史尔多维奇对扩散反应问题作了开拓性的工作
40年代，霍根(Hougen)、华生(Waston)著作《化学过程原理》 法兰克-卡明聂斯基著作《化学动力学中的扩散与传热》问世 1957年，荷兰阿姆斯特丹第一次欧洲反应工程会议——确立 了化学反应工程的名称
1.3 聚合物合成材料的发展
1910年，美国正式工业化生产酚醛树脂，随后相继合成出丁 苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、尼龙-66、聚酯纤维、高压聚乙 烯和聚氯乙烯，产量和品种在世界大战中得到快速发展。 1920年，H. Staudinger提出了“高分子化合物的概念，建立 了大分子链的学术观点并系统研究了加聚反应。
应机理； • 不同操作方式对聚合过程的影响； • 粘度对聚合反应的影响；
……
3）化工流变学基础 • 非牛顿流体的分类、流变特性；
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
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15.层流和湍流吋的搅拌功率如何计算？为什么？
第六章搅拌聚合釜的传热与性质
1,聚合速率在聚合过程中一般有三种类型，其中那些对反应控制比较有利？可 采用那些措施实现这种过程？
2,传热装置有哪些类型？
3,哪些反应不宜采用釜外循环热交换?为什么？
4,试概括传热速率方程和总传热系数方程，讨论捉高反应釜传热能力有效措 施？
2.高分子流体为什么多属于假塑性流体？
3.为什么触变性流休和震凝性流体有特殊的流变行为？
4.一般对丁涂料类流体希望其具有何种流动特性，为什么？
5.影响高分了流体流变行为的主要因素有哪些？如何对这些影响进行理论分析
6.非牛顿流体的流动行为指数对流体在圆管中的流动行为和聚合反应结果有何 影响
7.对非牛顿流休在圆管中层流流动规律进行研究有何重要意义？
7.搅拌器的功率消耗主要用于那些方面？计算搅拌器功率有何重要意义 &从搅拌器的功率曲线可以得到哪些重要信息？
9.气液体系的搅拌功率与均相体系相比有哪些特点？
10.何为排出流量准数？其对搅拌器计算冇何重要作用
11.搅拌级别一般范围几个等级？
12.常用的搅拌桨叶直径的大致范围如何？
13•何为颗粒雷诺数？骑在不同的范围时，密度差如何计算 密度差：（pp-p）/u（层流）（pp-p） /p（湍流）
问题
1.按物料的相态、结构形式、操作方式和流体流动及混合形式分类，反应器可 分为那几类？
2.形成返混的主要原因有哪些？
3.理想反应器设计的基本原理是什么？
4.反应器的流动模型冇哪些？各有何特点？
5.平推流及理想混合反应器的停留时间分布有何特点？
6.返混对简单反应、复杂反应和连串反应各冇何影响？
7.描述连续式反应器的重要性质有哪些？
5,实现聚合釜安全操作应采取哪些基本措施？
笫七章搅拌聚合釜的放大
1•何为放大效应？为什么会出现放大效应?何为冷模试验？
2.在工程上有哪几种放大方法？简述各种放大方法基本原理？
3.如何理解和Байду номын сангаас用相似放人？
4.根据传热系数放大方程，并假定20.5,讨论在保持大小釜的搅样叶的叶端速 度相等，和大釜叶端速度为小釜二倍叶端传热系数变化？
8.微观混合和宏观混合对理想混合反应器各有何影响？
9.影响容积效率的因素有哪些？
10停留时间的测定方法有哪些，各适用于什么具体情况？
11停留吋间分布和返混之间有什么关系？研究流动模型有何意义？
12动力学方程建立时，数据收集方式和处理方式有哪些？
第三章
1.在双分子热引发和双基终止时，间歇式和连续全混式反应釜对产物的转化率、 累积平均聚合度有何影响？
聚合反应工程基础复习提纲
第一章绪论
1.说明聚合反应工程的研究内容及其重要性。
第二章化学反应工程基础
概念
间歇反应器、连续反应器
平推流和理想混合流
平推流反应器、理想混合流反应器及其特点
膨胀率
容积效率
停留吋间分布密度函数、停留吋间分布函数、平均停留吋间
返混
宏观流体、微观流体
微观流动、宏观流动
混合时间
微观混合；宏观混合
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 分布冇何影响？
3.要制取高分了量的缩聚物时，在理论上和操作方式上可采取哪些措施？
4.间歇操作的和连续全混反应釜对缩聚反应的分子量分布冇何影响？
5.返混和混合对聚合度分布的影响。
6.粘度对聚合物反应的影响。
第四章
1.流体分类，何为牛顿流体，非牛顿流体？非牛顿流体又冇哪些类型？
第五章
1.搅拌器一般具冇哪些功能？
2.搅拌釜内的流体的流动分为哪两个层次
3.循环流动的三个典型流动分别是什么？哪些流动对混合有利？哪些需克服？
4•何为打旋现象？如何消除打旋现象
5.按桨叶构型分搅拌器分为哪几种？试说出几种搅拌器的构型，特点和应用？
6.搅拌器应满足哪些基木要求？选择搅拌器的基木方法是什么？
5.搅拌釜传热可采用哪几种方法放大
6•几何相似系统中，概括Nooooo第八章
法本法