聚合反应工程_1讲解
合集下载
聚合反应工程
聚合反应工程的重要性
01
02
03
工业生产
聚合反应是工业生产中重 要的化学反应之一，广泛 应用于塑料、橡胶、纤维、 涂料等领域。
新材料开发
通过聚合反应工程可以开 发新型高分子材料，满足 各种特殊需求，如高性能、 低成本、环保等。
优化生产过程
聚合反应工程研究有助于 优化聚合反应过程，提高 生产效率和产品质量，降 低能耗和物耗。
备的长期稳定运行。
04
聚合反应工程应用
高分子材料合成
高分子材料合成
聚合反应工程在合成高分子材料方面 具有广泛应用，如合成塑料、合成橡 胶和合成纤维等。
合成橡胶
聚合反应工程在合成橡胶方面也发挥 了重要作用，如合成丁苯橡胶、合成 橡胶等，这些橡胶在汽车、航空航天 和建筑等领域有广泛应用。
塑料合成
通过聚合反应工程，可以合成各种类 型的塑料，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯 乙烯等，这些塑料在日常生活中有着 广泛的应用。
案例分析
以涤纶合成为例，通过聚酯聚合反应，对苯 二甲酸和乙二醇在催化剂的作用下发生聚合， 最终形成高分子量的聚酯。该案例中，聚合 反应工程的关键在于反应速度的控制和聚酯 的分子量调节。
涂料与粘合剂应用案例
涂料与粘合剂应用
聚合反应工程合成的涂料和粘合剂具有良好的粘附性、耐久性和绝缘性，广泛应用于建 筑、电子、航空航天等领域。
橡胶的性能改进
通过聚合反应工程，可以改进橡胶的 性能，如提高橡胶的耐热性、耐油性 和耐老化性等。
合成纤维
纤维的合成
聚合反应工程在合成纤维方面具有重要作用，可以合成各种类型 的纤维，如涤纶、尼龙、腈纶等。
纤维的性能改进
通过聚合反应工程，可以改进纤维的性能，如提高纤维的强度、耐 磨性和抗皱性等。
《聚合反应工程》PPT演示课件
逐步缩聚的若干代表例子：
聚酰胺（尼龙） 聚酯 （涤纶）
聚氨基甲酸酯 聚硅氧烷
酚醛树脂
三聚氰胺
31
3.2.1.4 链式加成
链式加成：
P
. j
+
M
→
P
. j+1
j≥1
P
. j
→Pjຫໍສະໝຸດ 其特点为：一部分单体分子被激成活性分子后，就与单体分 子进行加成而生长，直至被终止而生成最终大小 的聚合物分子，其后引发出的分子也都经历一代 又一代的生长和终止，产生大小不尽相同的死聚 体分子
19
五、研究方法
❖ 动力学研究要做到以下几点
▪ 1宜在等温装置中进行 ▪ 2一般可用分批式操作 ▪ 3尽可能消除扩散阻力以求取本征反应速率 ▪ 4多数动力学研究都是在低转化率范围内进行以免出现
更多反应造成机理上的复杂和数据处理上的困难 ▪ 5动力学研究结果最好用方程式的形式表达出来，而不
应满足于数据表或曲线形式
最常用的是一些过氧 化物如过氧化二苯甲酰 (BPO)和偶氮类化合物如偶 氮二异丁腈(AIBN)等。用 量很少，其摩尔浓度数值 一般在10-4～10-2。
3
二、聚合反应工程
聚合反应工程是化学反应工程的一个分支, 从 解决一般的技术问题到聚合反应器的设计、放大, 聚合过程的开发到工程分析,优化工艺条件的确定 和操作设计,聚合反应器的动态特性和操作稳定性, 聚合过程优化以及包括聚合反应在内的全过程的 系统工程.
4
聚合反应工程
❖ 研究对象 以工业规模的聚合反应器为研究对象
6
聚合反应工程的特色
▪ 聚合总是包含多步的复杂反应，除原料单体 转化率外还要考虑聚合产物平均分子量及分 子量分布，以至产物分子结构与排列等，在 有多种单体进行聚合时，情况就更复杂
《聚合反应工程》PPT课件
聚合反应工程
完整版ppt
11
第一章 绪论
聚合反应工程
完整版ppt
12
第一章 绪论
热量、质量、动量 三传
高分子化学工艺
化工仪器仪表 聚合反应工程
系统工程
化学工程
高分子化学
聚合反应工程
完整版ppt
13
第一章 绪论
聚合反应工程
完整版ppt
14
第15
聚合物反应工程
• 3．多数聚合物体系粘度很高； • 4．所以各种化工基础数据甚为缺乏。
聚合反应工程
完整版ppt
5
第一章 绪论
• 聚合反应工程研究的内容为： • 1、进行聚合反应器的最佳设计 ； • 2、进行聚合反应操作的最佳设计和控制；
聚合反应工程
完整版ppt
6
第一章 绪论
• 本课程分为八章，由理论到实际，完成对聚合 反应工程内容讲授。
聚合反应工程
完整版ppt
2
聚合物反应工程
• 包括： • 化学过程：反应动力学 • 物理过程：热量的传递、物质的流动、反应器
内产生温度分布和浓度分布。 • 动力学和传递结合成为化学反应工程研究中最
活跃的因素．
聚合反应工程
完整版ppt
3
聚合物反应工程
• 学时 48 • 学位课程 • 主要参考书 • 《高分子化学》 • 《聚合物流变学》 • 教材 • 史子瑾 《聚合反应工程基础》化学工业
聚合反应工程
聚
合
反
应
20 06
工 程
9
完整版ppt
1
聚合物反应工程
• 简介 • 聚合反应工程是化学反应工程的一个分支，
它是研究聚合物制造中的化学反应工程问 题。 • 在60年代国际上提出这一方向。 • 化学反应工程学是以工业规模进行的化学 规律为研究对象，以化学反应动力学和传 递过程作为主要基础。
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）
第一章 聚合反应工程基础1-2
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
• 计其达.《聚合过程及设备》化工出版社，1981；
第二章 化学反应工程基础
2.1 化学反应和反应器分类
2.1.1 化学反应分类
表2-1 按化学反应的特性分类
反应机理 反应的可逆性 反应分子数 反应级数
简单、复杂反应 可逆、不可逆反应 单分子、双分子、三分子反应 一级、二级、三级、分数级反应
反应热效应 放热反应、吸热反应
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。
聚合反应工程基础
第一章 绪论 1.1 课程简介 一）课程产生背景
高分子化学 高分子物理
化学反应工程
聚合反应工程
连接桥梁
二）课程研究对象与拟解决的关键问题
• 研究对象：工业规模的聚合过程 • 关键问题：聚合反应动力学
聚合物系的传递过程 聚合反应器设计、放大
三）聚合反应工程的任务
创新与选择最适反应器型式 确定最优工艺条件 估算反应器尺寸大小
1994年，全世界三大合成材料的产量超过1.4×104万吨，按体 积计算超过钢铁。
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
• 计其达.《聚合过程及设备》化工出版社，1981；
第二章 化学反应工程基础
2.1 化学反应和反应器分类
2.1.1 化学反应分类
表2-1 按化学反应的特性分类
反应机理 反应的可逆性 反应分子数 反应级数
简单、复杂反应 可逆、不可逆反应 单分子、双分子、三分子反应 一级、二级、三级、分数级反应
反应热效应 放热反应、吸热反应
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。
聚合反应工程基础
第一章 绪论 1.1 课程简介 一）课程产生背景
高分子化学 高分子物理
化学反应工程
聚合反应工程
连接桥梁
二）课程研究对象与拟解决的关键问题
• 研究对象：工业规模的聚合过程 • 关键问题：聚合反应动力学
聚合物系的传递过程 聚合反应器设计、放大
三）聚合反应工程的任务
创新与选择最适反应器型式 确定最优工艺条件 估算反应器尺寸大小
1994年，全世界三大合成材料的产量超过1.4×104万吨，按体 积计算超过钢铁。
聚合反应工程第一章1
有： 生化反应工程 电化学反应工程 聚合反应工程等。
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
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
《聚合反应工程》课件
安全与环保意识的培养：通过培训、教育等方式，提高员工对安全与环保的认识和重 视程度。
安全与环保实践：在实际操作中，严格按照安全与环保要求进行操作，确保生产过程 的安全与环保。
安全与环保检查：定期对生产现场进行安全与环保检查，及时发现并解决问题，确保 生产过程的安全与环保。
感谢您的观看
汇报人：
应用领域：广泛应 用于建筑、汽车、 电子、医疗等领域
聚合反应工程实验 技术
反应器：用于进行聚合反应的容器，包括搅拌器、加热器等 温度计：用于测量反应温度，确保反应在适宜的温度下进行 压力计：用于测量反应压力，确保反应在适宜的压力下进行 流量计：用于测量反应物料的流量，确保反应物料的供应和排出 真空泵：用于抽真空，确保反应在无氧环境下进行 冷却器：用于冷却反应物料，确保反应物料的温度在适宜的范围内
聚合反应工程安全 与环保
实验前，确保所有设备、仪器和试剂都经过安全检查 实验过程中，穿戴适当的防护装备，如防护眼镜、手套和口罩 实验结束后，及时清理实验现场，确保无残留物 实验过程中，注意观察反应情况，如有异常，及时采取措施
减少废气排放：采用先进的 废气处理技术，如催化燃烧、 吸附等
废水处理：采用先进的废水 处理技术，如生物处理、膜 处理等
聚合反应工程PPT课 件
汇报人：
目录
添加目录标题
聚合反应工程概述
聚合反应工程基础知 识
聚合反应工程实验技 术
聚合反应工程应用实 例
聚合反应工程前沿技 术与发展趋势
添加章节标题
聚合反应工程概述
聚合反应工程是 研究聚合反应过 程及其控制的一 门学科
聚合反应是指由 单体分子通过化 学反应形成高分 子聚合物的过程
聚合反应工程主 要包括聚合反应 机理、聚合反应 动力学、聚合反 应器设计、聚合 反应过程控制等 方面
安全与环保实践：在实际操作中，严格按照安全与环保要求进行操作，确保生产过程 的安全与环保。
安全与环保检查：定期对生产现场进行安全与环保检查，及时发现并解决问题，确保 生产过程的安全与环保。
感谢您的观看
汇报人：
应用领域：广泛应 用于建筑、汽车、 电子、医疗等领域
聚合反应工程实验 技术
反应器：用于进行聚合反应的容器，包括搅拌器、加热器等 温度计：用于测量反应温度，确保反应在适宜的温度下进行 压力计：用于测量反应压力，确保反应在适宜的压力下进行 流量计：用于测量反应物料的流量，确保反应物料的供应和排出 真空泵：用于抽真空，确保反应在无氧环境下进行 冷却器：用于冷却反应物料，确保反应物料的温度在适宜的范围内
聚合反应工程安全 与环保
实验前，确保所有设备、仪器和试剂都经过安全检查 实验过程中，穿戴适当的防护装备，如防护眼镜、手套和口罩 实验结束后，及时清理实验现场，确保无残留物 实验过程中，注意观察反应情况，如有异常，及时采取措施
减少废气排放：采用先进的 废气处理技术，如催化燃烧、 吸附等
废水处理：采用先进的废水 处理技术，如生物处理、膜 处理等
聚合反应工程PPT课 件
汇报人：
目录
添加目录标题
聚合反应工程概述
聚合反应工程基础知 识
聚合反应工程实验技 术
聚合反应工程应用实 例
聚合反应工程前沿技 术与发展趋势
添加章节标题
聚合反应工程概述
聚合反应工程是 研究聚合反应过 程及其控制的一 门学科
聚合反应是指由 单体分子通过化 学反应形成高分 子聚合物的过程
聚合反应工程主 要包括聚合反应 机理、聚合反应 动力学、聚合反 应器设计、聚合 反应过程控制等 方面
聚合反应工程
聚合反应工程一、概述聚合反应工程是指将聚合反应与化学工程原理相结合，通过设计、优化和控制反应过程，实现高效、经济和环保的生产过程。
聚合反应工程包括聚合反应的机理研究、反应器设计和操作控制等方面。
二、聚合反应机理研究1. 聚合反应机理的确定聚合反应机理是指在特定条件下，单体分子之间发生的化学变化以及生成高分子分子链的过程。
确定聚合反应机理是进行聚合反应工程设计和优化的关键。
通常采用实验方法和计算模拟方法来确定聚合反应机理。
2. 反应活性中心研究在聚合反应中，活性中心是生成高分子链的关键。
因此，研究活性中心的生成条件、结构和稳定性等对于提高聚合速率和控制分子量分布具有重要意义。
3. 分子量分布控制在聚合过程中，生成高分子链长度不一致会导致产品品质下降。
因此，需要采取措施控制分子量分布，如引入调节剂等。
三、反应器设计1. 反应器类型选择聚合反应器的类型包括批式反应器、连续流动反应器和搅拌式反应器等。
选择适合的反应器类型可以提高聚合速率和控制分子量分布。
2. 反应器尺寸设计反应器尺寸设计需要考虑聚合速率、产量和传热等因素，以保证生产过程高效、经济和安全。
3. 反应器操作条件控制反应器操作条件包括温度、压力、搅拌速度等，这些条件对于聚合速率和分子量分布具有重要影响。
因此，需要进行优化和控制。
四、操作控制1. 过程监测过程监测是指对聚合反应过程中的物理化学参数进行实时监测，并及时调整操作条件以保证产品品质。
常用的监测方法包括红外光谱法、核磁共振法等。
2. 控制策略设计通过建立数学模型，确定最优的操作条件来控制聚合反应过程。
常用的控制策略包括PID控制、模型预测控制等。
五、总结聚合反应工程是一门综合性强的学科，需要深入研究聚合反应机理，合理设计反应器和控制操作条件，以实现高效、经济和环保的生产过程。
聚合物反应工程
03
1
2
3
4
塔式反应器。
长径比为2~40.如苯乙烯本体聚合﹑己内酰胺的缩聚
硫化床反应器
反应器传热好﹑温度均匀﹑易控制。
（如聚丙烯反应器）
操作方式分类
间歇反应器（分批式反应器）。
采用釜式反应器。间歇反应是不稳定过程。 操作灵活性和弹性大。
可采用釜式﹑管式﹑或塔式反应器。反应为稳态过程。易于实现自动化。在聚合反应中，采用连续反应器可使产物的聚合度及聚合度分布不随时间改变，从而保证了产品的质量，但不是绝对的。
B
D
A
C
E
间歇反应器（分批反应器）
物料、反应物、水等一次性加入器内。
反应器内组分的浓度随反应时间而变。
操作特点：
反应器内各点的反应物浓度和温度相同。
二反应速率（均相反应）
01
04
02
03
反应器的分类
任何目的在于得到一定产品的化工生产过程，均包含有化学反应。物料在其中发生反应的设备谓之反应器。在反应器中原料经化学变化而成产品，所以可把反应器看作化工生产的心脏部分。根据研究的不同需要，从不同的角度对反应器进行分类。通常有四种分类法。
1按反应物料的相态分类
01
聚合物反应工程师化学反应工程的一个分支，它是研究聚合物制造中的化学反应工程的问题。
02
பைடு நூலகம்
第一节化学反应和反应器的分类
化学反应的分类 化学反应可按反应的特性和反应过程的条件来分。化学反应的特性包括反应机理，反应的可逆性，反应分子数，反应级数，反应物料的相态及反应的热效应等。反应过程进行的条件包括温度、压力、操作方式、换热方式等。
第三节 理想反应器的设计
化工生产中所遇到的化学反应时多种多样的，所处理物料的化学-物理性质也是千差万别，因此而使用的反应器也是各不相同的，尽管如此，每一种反应器总应该满足以下三个基本要求 1提供反应物料进行反应所需的容积，保证设备有一定生产能力 2具有足够的传热面积，保证反应过程中热量的传递，是反应控制在最适宜的温度下进行。
1
2
3
4
塔式反应器。
长径比为2~40.如苯乙烯本体聚合﹑己内酰胺的缩聚
硫化床反应器
反应器传热好﹑温度均匀﹑易控制。
（如聚丙烯反应器）
操作方式分类
间歇反应器（分批式反应器）。
采用釜式反应器。间歇反应是不稳定过程。 操作灵活性和弹性大。
可采用釜式﹑管式﹑或塔式反应器。反应为稳态过程。易于实现自动化。在聚合反应中，采用连续反应器可使产物的聚合度及聚合度分布不随时间改变，从而保证了产品的质量，但不是绝对的。
B
D
A
C
E
间歇反应器（分批反应器）
物料、反应物、水等一次性加入器内。
反应器内组分的浓度随反应时间而变。
操作特点：
反应器内各点的反应物浓度和温度相同。
二反应速率（均相反应）
01
04
02
03
反应器的分类
任何目的在于得到一定产品的化工生产过程，均包含有化学反应。物料在其中发生反应的设备谓之反应器。在反应器中原料经化学变化而成产品，所以可把反应器看作化工生产的心脏部分。根据研究的不同需要，从不同的角度对反应器进行分类。通常有四种分类法。
1按反应物料的相态分类
01
聚合物反应工程师化学反应工程的一个分支，它是研究聚合物制造中的化学反应工程的问题。
02
பைடு நூலகம்
第一节化学反应和反应器的分类
化学反应的分类 化学反应可按反应的特性和反应过程的条件来分。化学反应的特性包括反应机理，反应的可逆性，反应分子数，反应级数，反应物料的相态及反应的热效应等。反应过程进行的条件包括温度、压力、操作方式、换热方式等。
第三节 理想反应器的设计
化工生产中所遇到的化学反应时多种多样的，所处理物料的化学-物理性质也是千差万别，因此而使用的反应器也是各不相同的，尽管如此，每一种反应器总应该满足以下三个基本要求 1提供反应物料进行反应所需的容积，保证设备有一定生产能力 2具有足够的传热面积，保证反应过程中热量的传递，是反应控制在最适宜的温度下进行。
聚合反应工程之聚合反应器讲课文档
❖ (2)有时溶剂会发生链转移反应，所以产品的分子量较低
❖ (3)溶剂污染比较严重
❖ 但是溶液聚合的通用性强，易于实现大型化、连续化。
❖ 虽然目前溶景。
第15页，共53页。
四种工业聚合方法的比较
❖ 悬浮聚合和乳液聚合过程已发展得相当完善，实现了 大型化，成本已接近极限，且方法的通用性小。
率。 ❖ 能处理粘度高达1000Pa·s左右
的反应液。
图2. Crawford-Russell
反应器
第21页，共53页。
❖ Bethlehem Corp开发的反应器可 在100Pa·s以下操作，反应器内设有 螺杆导流筒。
❖ 筒外有与螺杆倾角相反的螺带搅拌桨。
❖ 整个反应器用圆盘形挡板分离成二 段。
能力可达4.5万吨左右，高于釜式反应器 ❖ (3)反应物料在高速循环泵的推动下，物料流动线速度可达8m/s，有
效防止了聚合物在管壁上的沉积，进一步强化传热，并使聚合 物凝胶含量下降
❖ (4)反应单程转化高(可达95％以上)，减少单体的循环量
❖ (5)物料在反应器内停留时间短，有利于不同牌号聚合物的生产 切换。
图1 釜式聚合反应器 示意图
a.顶伸式
b.底伸式
第20页，共53页。
适用于高粘体系的特殊结构
釜式反应器
❖ Crawford-Russell反应器采用
螺杆加导流筒，使反应物料
在釜内进行强制循环。为减
轻物料停留在器壁而使传热
能力减小，反应器中装有刮
壁装置，轴每转一周，上下
的刮片便将器壁上的聚合物
刮掉一次，大大提高传热效
❖ 生产成本提高。
❖ (2)通用性不强
❖ (3)废水的污染严重
❖ 搅拌釜是乳液聚合最常用的反应器。
❖ (3)溶剂污染比较严重
❖ 但是溶液聚合的通用性强，易于实现大型化、连续化。
❖ 虽然目前溶景。
第15页，共53页。
四种工业聚合方法的比较
❖ 悬浮聚合和乳液聚合过程已发展得相当完善，实现了 大型化，成本已接近极限，且方法的通用性小。
率。 ❖ 能处理粘度高达1000Pa·s左右
的反应液。
图2. Crawford-Russell
反应器
第21页，共53页。
❖ Bethlehem Corp开发的反应器可 在100Pa·s以下操作，反应器内设有 螺杆导流筒。
❖ 筒外有与螺杆倾角相反的螺带搅拌桨。
❖ 整个反应器用圆盘形挡板分离成二 段。
能力可达4.5万吨左右，高于釜式反应器 ❖ (3)反应物料在高速循环泵的推动下，物料流动线速度可达8m/s，有
效防止了聚合物在管壁上的沉积，进一步强化传热，并使聚合 物凝胶含量下降
❖ (4)反应单程转化高(可达95％以上)，减少单体的循环量
❖ (5)物料在反应器内停留时间短，有利于不同牌号聚合物的生产 切换。
图1 釜式聚合反应器 示意图
a.顶伸式
b.底伸式
第20页，共53页。
适用于高粘体系的特殊结构
釜式反应器
❖ Crawford-Russell反应器采用
螺杆加导流筒，使反应物料
在釜内进行强制循环。为减
轻物料停留在器壁而使传热
能力减小，反应器中装有刮
壁装置，轴每转一周，上下
的刮片便将器壁上的聚合物
刮掉一次，大大提高传热效
❖ 生产成本提高。
❖ (2)通用性不强
❖ (3)废水的污染严重
❖ 搅拌釜是乳液聚合最常用的反应器。
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
管式反应器
主要用于快速地气相和液相反应，尤其 是对于有压力的反应。反应物料从一端进入 管中，从另一端排除产物和未反应的物料。 反应器中反应物的组成随着管长而连续变化。
塔式反应器
这是一种长径比较大的反 应器，在其内部设有挡板或填 充物
固定床反应器
这是一种垂直圆筒形或圆 锥型容器，内部装有催化剂或 参与反应的细小固体颗粒，反 应流体从顶端进入，产物从下 端流出
反应物A 反应物B
理想混合流反应器
理想混合流反应器特点：
生成物R
1. 物料连续以恒定的流速 流入、流出反应器，稳态 操作。 2. 反应器内各空间位置温 度、浓度均一。 3. 反应器内浓度、温度 与出口处浓度、温度相同。
本课程总学时为32学时，通过课堂教学，使学生掌 握聚合反应工程分析、搅拌釜内流体的搅拌、混合、 传热等规律。
考试方法：
闭卷考试
第二章 化学反应工程基础
第一节 化学反应和反应器分类 第二节 均相反应动力学 第三节 理想反应器的设计 第四节 理想混合反应器的热稳定性 第五节 连续流动反应器的停留时间分布 第六节 流动模型 第七节 停留时间分布与化学反应
为学生以后在聚合过程技术开发方面打下基础。
化工机械及仪表
高分子工艺 聚合反应工程
系统 工程
高分子化学 化学工程
聚合反应工程是连接化学工艺与工程的一门学科。
聚合反应的特点：
（1）反应机理多样，动力学关系复杂，重现性差，且微量杂质的 影响较大；
（2）在聚合过程中，除要考虑转化率外，聚合度及其分布、共聚 物的组成及其分布、聚合物的结构等等；
变换气的碳化、苯的烷基化、二甲苯氧 化、乙烯基乙炔合成等
二氧化硫氧化、氨合成、乙炔法制氯乙 烯、乙苯脱氢、半水煤气生产等
硫铁矿焙烧、萘氧化制苯酐、石油催化 裂化、乙烯氧氯化制二氯乙烷、丙烯 氨氧化制丙烯腈等
水泥制造等
氯化氢合成、天然气裂解制乙炔
反应釜
适用于液相，液-液相、气-液相以及液-固相反应；反应釜中 设有搅拌装置，以保证反应物料在釜中的流动，混合与传热等。
[1] 计其达主编《聚合过程及设备》，化学工业出版社 北京 1981 [2] 《聚合反应工程基础》陈甘堂著，中国石化出版社1991 [3] 《高分子化学》，韩哲文编，华东理工大学出版社，2001 [4] 潘祖仁, 高分子化学[M], 北京：化学工业出版社，2011（第五版） [5] 王槐三 ，高分子化学[M], 北京：科学出版社，2011（第三版） [6] 张兴英, 高分子化学[M], 北京：化学工业出版社，2006 [7] 唐黎明, 高分子化学[M], 北京：清华大学出版社，2009 [8] 潘才元, 高分子化学[M], 合肥：中国科学技术大学出版社，2012
催化反应 非催化反应
催化反应
非催化反应
气相反应、液相反应
液-液相、气-液相、液 -固相、气、固相
气-固相、固相、气-液 -固相
（3） 按反应过程进行的条件分类
操作方式 温度条件
间歇反应、半连续反应、连续反应
等温反应、绝热反应、非绝热变温 反应
2、 反应速率
对于均相反应，一般以反应体积为基准，反应速率可定义为： 单位时间、单位反应体积内所生成（或消失）的某组分的摩尔数， 即：
平推流反应器 理想混合流反应器
平推流反应器
反应物A 反应物B
活塞流反应器
生成物R
平推流反应器特点：
1、在稳态操作时，在反应器的每个截面上，物料 浓度不随时间变化。
2、所有物料质点在反应器中的停留时间都相同。
2、反应器内物料浓度沿着流动方向改变，故反应 速率随空间位置改变，即反应速率的变化只限于 反应器的轴向。
3、反应器的分类
（1） 按物料相态分类的反应器种类
反应器种类
均相
气相 液相
非均相
气-液相 液-液相 气-固相 液-固相 固-固相 气-液-固
相ห้องสมุดไป่ตู้
反应特性
无相界面， 反应速率只与 温度或浓度有
关
反应类型举例
燃烧、裂解等 中和、酯化、水解等
有相界面， 实际 反应速 率与相 界面 大小及相 间 扩散速率有关
第一章 绪论
1、课程的地位与作用
聚合反应工程是化学反应工程的一门分支学科。它是研究聚合 物制造中的化学反应工程问题。
聚合反应工程基础是高分子类专业的专业课，通过课堂教 学，使学生掌握和了解：
(1)化学反应工程 （以工业规模进行的化学规律作为研 究对象，以化学反应动力学和传质过程作为主要基础。）
(2)进行聚合反应器的最佳设计 (3)进行聚合反应操作的最佳设计与控制 （搅拌釜内流体的搅拌、混合、传热）
第一节 化学反应和反应器分类
1、 化学反应的分类
（1） 按化学反应的特性分类
反应机理
简单反应、复杂 反应
反应级数
一级、二级、三 级、零级、分 数级反应
反应的可逆性
可逆反应、不可 逆反应
反应热效应
反应分子数
单分子、双分子、 三分子反应
放热反应、吸热 反应
（2） 按反应物料的相态分类
均相反应 非均相反应
多釜串联）
相、液-固相
管式
气相、液相
鼓泡塔 固定床
流化床 回转筒式 喷雾式
气-液相、气-液-固（催 化剂）相
气-固（催化或非催化） 相
气-固（催化或非催化） 相，特别是催化剂很 快失活的反应
气-固相、固-固相
气相、高速反应的液相
应用举例
苯的硝化、氯乙烯聚合、高压聚乙烯、 顺丁橡胶聚合等
清油裂解、甲基丁炔醇合成、高压聚乙 烯等
1、反应物料连续加 入，反应产物连续
C 0
引出。 t 生成物R 2、稳态操作，反应
器内任一点的组成 不随时间改变。
半连续反应器
B
半连续反应器特点：
1、某些反应物料一次
加入，其余物料连续加
入，或者将C 某0 种产物连
A
续取出。 t
2、非稳态操作。
3、连续流动反应器内流体流动的两种理想形态
氧化、氯化、加氢等 磺化、硝化、烷基化等 燃烧、还原、固相催化等
还原、离子交换等 水泥制造等
加氢裂解、加氢脱氢等
适用设备的结构形式
管式 釜式
釜式、塔式 釜式、塔式 固定床、流化床、移动
床 釜式、塔式
回转筒式 固定床、流化床
（2） 按反应器的结构型式分类
结构型式
适用的相态
反应釜（包括 液相、气-液相、液-液
（3）聚合装置中传热、传质和动量传递等过程相当复杂； （4）聚合反应器的设计、放大等受到相当因素的限制，聚合反应 工程的发展还相当不完善，发展较为缓慢，等等。
2、课程的发展概况
1、聚合物材料普遍化 橡胶、塑料、纤维、涂料、黏合剂等等。
2、生产装置大型化
生产装置大型化：
3、课程的教学目标与基本要求
式中ri为体系中i组分的反应速率，ni为i组分的摩尔数，V为反 应体积。当反应为恒容体系时：
式中Ci为体系中i组分的浓度，其中正号表示某组分的生成速 率，负号表示消失的速率。
对于某化学反应： 各组分的反应速率表达为：
各组分的反应速率之间存在如下关系：
对于某化学反应： 各组分的反应速率表达为：
各组分的反应速率之间存在如下关系：
流化床反应器
（3） 按操作方式分类
间歇反应器 连续反应器 半连续反应器
间歇反应器
间歇反应器特点：
1、反应物料一次加入， 产物一次取出。 2、非稳态操作，反应 器内浓度、温度随反应 时间连续变化。 3、同一瞬时，反应器 内各点温度相同、浓度 相同。 C 0
t
反应物A 反应物B
连续反应器
连续反应器特点：
聚合反应工程基础
浙江大学 史子谨 主编
学期计划学时数 ：
32
授课班级
高分子1201-02
授课教师
严正权
本课程主要内容
1、化学反应工程基础 2、化工流变学基础 3、聚合反应工程分析 4、搅拌和混合的基本原理 5、聚合釜的传热与传质 6、聚合反应器的放大
聚合物反应过程教学参考书目录
以下教学参考书，可到图书馆查阅