聚合物反应工程(1、2-1,2)
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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。
聚合反应工程基础(全套课件567P)
polyvinyl acetate polyvinyl alcohol polybutadiene polyacrylnitrile
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
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
聚合反应工程华东理工大学3.3.缩聚生产工艺
n H2N-R-NH2 + n HOOC-R’-COOH
H-(HNRNH-OCR’CO)n-OH + (2n-1) H2O c. 两功能基不同并可相互反应：如羟基酸聚合生成聚酯
n HO-R-COOH
H-(ORCO)n-OH + (n-1) H2O
(i) 平衡线型逐步聚合反应
指聚合过程中生成的聚合物分子可被反应中伴生的小分 子降解，单体分子与聚合物分子之间存在可逆平衡的逐 步聚合反应。
catalyst 260-300 0C
HOH 2CH2CO ( C O
C OCH 2CH2O )nxH + (n-1) HOCH2CH2OH O
特点： ▲ 反应温度高（200 ~ 300℃）； ▲ 反应时间长； ▲ 需在惰性气氛下进行； ▲ 反应后期需高真空。
优点：产品后处理容易，设备简单，可连续生产。 缺点：要求严格控制功能基等摩尔比，对原料纯度要求高；
（4） 聚合产物的分子量是逐步增大的。 最重要的特征：聚合体系中任何两分子（单体分子或
聚合物分子）间都能相互反应生成聚合度更高的聚合 物分子。
逐步聚合反应分类
聚合产物 结构不同
线型逐步聚合 热力学 非线型逐步聚合
平衡线型逐步聚合 不平衡线型逐步聚合
(1) 线型逐步聚合反应
参与反应的单体只含两个功能基（即双功能基单体），聚合 产物分子链只会向两个方向增长，生成线形高分子。
聚合产物分子链形态不是线形的，而是支化或交联型的。 聚合体系中必须含有带两个以上功能基的单体。
缩聚反应单体类型及特点
(1) 带有同一类官能团（a—R—a）并可相互作用的单体。同类分子之间反应。 不存在原料配比对产物分子量的影响。
(2)带有相同官能团（a—R—a）但本身不能进行缩聚反应，只能同另一类型 （b—R—b）单体进行反应。必须严格控制两种单体的等摩尔比。 (3) 带有不同类型官能团（a—R—b），它们间可进行反应生成聚合物。此类 单体也不存在原料配比问题。 (4) 带有不同类型官能团但它们之间不能相互进行反应，只能同其他类型的单 体进行缩聚反应。此类单体也存在原料配比问题。
聚合反应工程基础教学设计 (2)
聚合反应工程基础教学设计1. 背景聚合反应工程是高分子化学重要分支之一，它涉及到反应动力学、传热传质、流体力学等多学科知识。
聚合反应工程的发展极大地促进了高分子材料的生产和应用。
在高等学校化学工程专业中，聚合反应工程已经成为一个必修课程，对于专业技能的培养和研究生的继续深造也非常重要。
针对聚合反应工程的教学，如何使学生掌握基本理论和实验操作，成为一个重要的问题。
本文针对聚合反应工程的教学进行设计和讨论。
2. 教学目标本课程旨在让学生掌握以下内容：•完全和半聚合反应的定义、判别及其动力学•树枝状聚合及其分支反应机理•高分子的重量平均和数平均分子量的计算方法•溶液聚合反应的条件、过程及反应控制方法3. 教学内容3.1 完全和半聚合反应完全聚合反应和半聚合反应是高分子聚合反应中最基本的两种类型。
完全聚合反应是指反应物完全转化为高分子聚合物的反应过程，而半聚合反应则是反应物转化为高聚物的同时，部分未反应物参与组成高聚物。
本部分将介绍完全聚合反应和半聚合反应的定义、判别及其动力学。
3.2 树枝状聚合树枝状聚合是高分子聚合反应中的一种重要分支反应机理。
树枝状聚合相比于线性聚合更具有分支特点，使聚合物的结构更加复杂和多样化。
本部分将介绍树枝状聚合的分支反应机理。
3.3 高分子量的计算方法高分子量是高分子聚合物物理性质的重要指标之一，它可以通过重量平均分子量和数平均分子量来计算。
在本课程中将介绍这两种计算方法及其公式。
3.4 溶液聚合反应溶液聚合反应是高分子化学中常见的一种反应类型。
本部分将介绍溶液聚合反应的条件、过程及反应控制方法，并通过实验操作帮助学生更好地理解和掌握相关知识。
4. 教学方式和教学手段本课程采用一系列教学方式和教学手段，包括：•理论讲授：通过课堂讲授、多媒体演示等方式，讲解相关理论知识点。
•实验操作：通过根据课程内容设计的实验方案，让学生亲身参与实验操作，掌握相关实验技能和知识点。
•课程练习：通过作业、练习题等方式，让学生巩固和回顾所学知识，并提高思维能力和解题能力。
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。
第一章 绪论 第二章 聚合物反应工程(2-1,2-2)
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；
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。 下面是各章节的目录
聚合物反应工程
第一章 第二章 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
聚合物反应工程
第三章 第六节 第七节 第八节 第九节 第十节
聚合反应工程分析 均相自由基共聚 缩聚反应 非均相聚合反应 流动与混合对聚合物分布的影响 聚合过程的凋节与控制
聚合物反应工程
第四章 化工流变学基础
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
非牛顿流体 非牛顿流体的流变特性 非牛顿流体在圆管中层流流动的分析 非牛顿流体在圆管中湍流流动的分析 非牛顿流体流变性的测量
第一节 化学反应和反应器分类
平推流和理想混合流是为了分析方便而人为的加以 理想化的二种极端的流动型态，平推流反应器中不 存在返混，而理想混合流反应器中返混最大，工业 上所使用的实际反应器由于种种原因而产生死角， 沟流，傍路、短路及不均匀的速度分布使之偏离理 想流动，这种偏离谓之非理想流动。相应的反应器 即为非理想流动反应器，在其中存在部分的返混。 在工程设计上，常常把比较接近某种理想流动型态 的过程当作理想流动来处理。
第一节 化学反应和反应器分类
通常可用幂函数的形式表示：
式中rA为反应速率常数。a1 a2为实验测定 的常数．反应的总级数为a1+ a2 对于基元 反应a1 a2分 别与计算方程式中的a、b 相 等。若反应是由若干个基元反应组成的反 应级数需用实验测定。
聚合物反应工程基础第二版习题答案
聚合物反应工程基础第二版习题答案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；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。
聚合物反应工程基础第二章
Ae
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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
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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
聚合反应工程讲课课件1.2
高聚物流体流动曲线图上的三个区域
1、第一牛顿区 低切变速率，曲线的斜率n＝1， 符合牛顿流动定律。该区的黏度通常 称为零切黏度μ 。 2、假塑性区(非牛顿区) 流动曲线的斜率n<1，该区的黏度为表观黏度μ a，随着切变 速率的增加， μ a值变小。通常聚合物流体加工成型时所经 受的切变速率正在这一范围内。 3、第二牛顿区 在高切变速率区，流动曲线的斜率 n＝1，符合牛顿流动定 律。该区的黏度称为无穷切剪切黏度或极限剪切黏度 μ∞。 从聚合物流动曲线，可求得 μ 、μ ∞和 μ a。
lg 0 lg A d lg C
A, d 均为常数，将lg 0 对 lg C 作图，得图2-18。
浓度对非牛顿流体特性的影响
lg 0 lg A d lg C
Cc为临界浓度，低于Cc 的溶液为牛顿型，高于 Cc的溶液为非牛顿型。 其斜率随剪切速率的增 加而下降。
4 3 2 1
4
T
不同敏感性。 柔性链的黏度随剪切速率增加明显下降。 原因：链柔顺，易取向。如聚氯醚。 刚性链则不敏感。 原因：链刚性，分子间力大，不易受剪 切力而取向。
Thank you !
非牛顿流体流动曲线比较
E：屈服-假塑性流体
D：宾汉塑性流体 F：屈服-胀塑性流体
y
B：假塑性流体
A：牛顿流体
C：胀塑性流体
剪切速率
图2-2（b）各种不同流体的流动曲线
非牛顿流体分类与特征
非依时性非牛顿流体
1.假塑性流体和胀塑性流体 2.宾汉塑性流体
依时性非牛顿流体
1.触变性流体 2.震凝性流体
高聚物流体的流变性和黏弹性
低分子液体流动所产生的形变是完全不 可逆的，而高聚物在流动过程中所发生 的形变中： 只有一部分（黏性流动）是不可逆的。 因为高聚物的流动并不是高分子链之间 的简单的相对滑移的结果，而是各个链 段分段运动的总结果。在外力作用下， 高分子链顺外力场有所伸展，这就是说， 在高聚物进行黏性流动的同时，必然会 伴随一定量的高弹形变，这部分高弹形 Model of a monomer 变显然是可逆的，外力消失后，高分子 链又要蜷曲起来，因而整个形变要恢复 一部分。
聚合反应工程课件_7
❖瞬时数基聚合度分布函数fn(j)：某瞬时生成j聚体的分子数与 该瞬时生成的全部聚合物分子数之比
❖瞬时重基聚合度分布函数fw(j)：某瞬时生成j聚体的重量与 该瞬时生成的全部聚合物重量之比
瞬时分布函数与总分布函数间的关系可推导如下：
同理可以推导：
第三章 聚合反应工程分析
聚合物材料的发展及需求，已远超过有色金属和非金属材合成纤维、高分子涂料、 高分子粘结剂等等，统称为合成材料或聚合物材料。
聚合反应工程的特点：与低分子反应相比，聚合反应的机理 多样、动力学关系复杂，操作条件的细微变化都可能会使聚合速 率、聚合度、分子量分布、聚合物的组成及序列分布等发生变化， 以至于聚合物的结构与性能产生差异。
当[P·]的拟稳态假定成立时（d [P·] /dt =0），[P·]～x关系与 操作方式无关，只与聚合反应机理有关。
拟稳态假设成立时的[P·]～x关系式 及对应曲线
当[P·]的拟稳态假定不成立时，[P·]～x关系不仅与聚合反应机 理有关，而且与操作方式关系密切。
拟稳态假设不成立时的[P·]～x关系式 及对应曲线
j 2 rPj
j 2 rPj
pw
j2
jrPj
j2 rM
j2
j 3rPj
pZ
j2
j 2 rPj
j2
瞬间聚合与平均聚合关系 数均聚合度是在反应时间0~t内消耗的单体分子数与生成的聚
合物分子数之比，即所生成聚合物总括数均聚合度：
Pn
t
0rM dt
[M ]
d[M ]
[M ]0
[M ]0
聚合反应工程作为一门学科，还是相当的不成熟，定量的处 理聚合过程中的诸多工程问题还需进一步探究。
按 反应机理，聚合反应可以分为：
聚合物反应工程基础知识总结
)
rA k1CACB k2CRCS
kt K ln[ xAe (2xAe 1)xA ]（m=2）
mCA0
xAe xA
平行反应
复合 反应
连串反应
A k1 R k2 S
rA (k1 k2 )CA
rR k1CA k2CB rS k2CR
(k1
k2
)t
ln
CA C A0
CR
k1 k1 k2
高，适应性强，操作弹
要求达到高转化率时， 顺丁橡胶，丁苯橡胶，
性大，连续操作时温度、
浓度易控制，产品质量
反应器容积大
聚氯乙烯
均一，适于多品种、小
批量生产。
结构简单、加工方便， 耐高压，传热面大，热 交换效率高，容易实现
自动控制
对慢速反应管子要求长 且压降大
高压聚乙烯的生产，石 脑油的裂解，轻油裂解
生产乙烯
⑷连续搅拌釜式反应器 。 非理想混合流反应器：（主要是由于工业生产中在反应器中的死角、沟流、旁路、短路及不均匀的速 度分布使物料流动型态偏离理想流动 ）
3、均相反应动力学
反应
反应速度式
反应积分式
一级 A kS
rA
dCA dt
kCA
t 1 ln CA0 1 ln( 1 ) k CA k 1 xA
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
聚合反应工程
聚合反应工程聚合反应工程是化学工程学科中的一个分支，研究的是聚合反应的工艺与过程。
本文将从聚合反应工程的定义、原理、应用和未来发展等方面进行详细介绍。
定义聚合反应工程是指在控制条件下，通过引发剂或催化剂的作用，将单体分子通过化学键的重组反应形成分子量较大且具有规则结构的高分子化合物的反应过程。
聚合反应工程研究的重点在于控制聚合过程的反应速率、聚合程度和聚合产物的分子量分布。
原理聚合反应的原理主要包括以下几个方面：1.单体引发：通过引发剂或催化剂的作用，使单体分子发生自由基聚合或离子聚合反应。
2.自由基聚合：聚合反应中最常见的是自由基聚合。
自由基聚合反应是指通过引发剂引发自由基的形成，并由自由基引发自由基聚合。
3.离子聚合：离子聚合分为阳离子聚合和阴离子聚合。
离子聚合反应是通过引发剂引发离子的形成，并由离子引发离子聚合。
4.聚合速率控制：聚合反应的速率主要受到聚合度、温度、浓度和溶剂等因素的影响。
5.分子量分布控制：在聚合反应工程中，需要控制聚合产物的分子量分布，以满足特定的应用要求。
应用聚合反应工程在许多领域中都有着广泛的应用，包括：1.聚合物合成：聚合反应工程在合成高分子聚合物方面有着重要的应用。
通过控制聚合反应的条件和参数，可以合成具有特定性能和结构的聚合物材料，广泛应用于塑料、橡胶、纺织品等行业。
2.药物制剂：聚合反应工程在药物制剂方面也有着重要的应用。
通过聚合反应工程的研究，可以合成控释药物、胶囊等药物制剂，提高药物的疗效并减少副作用。
3.燃料电池：聚合反应工程在新能源领域中也起到了重要的作用。
通过聚合反应工程的研究，可以合成用于燃料电池中的聚合物电解质，提高燃料电池的效率和稳定性。
4.生物医学工程：聚合反应工程在生物医学工程领域中也有广泛的应用。
通过聚合反应工程技术，可以制备生物材料、组织工程支架等，用于修复和替代人体组织和器官。
未来发展聚合反应工程将会在未来的发展中得到更广泛的应用和深入的研究，其发展方向主要包括：1.绿色化：聚合反应工程将会在绿色合成方面得到更广泛的应用。
第三章 聚合反应工程分析
2kf d [ I ] [P ] k P [ M ] k td [ P ]
1
将（3-22）代入上式，得：
1 [P ] ( )[ P ] 1
1
（3-25）
式中，
k P [M ] / ktd [M ] 动力学链长
？
• 动力学链长----定义为每个活性中心从引 发开始到终止所消耗的单体分子个数 • 因此，动力学链长可用增长速率和引发 速率之比求得
32聚合反应速度的工程分析321活性链浓度p与聚合反应机理连锁聚合中引发和转移消耗的单体忽略可得实验决定拟稳态假设成立时的px关系式引发反应终止反应x关系式对应曲线i1t1t212曲线1i2t1t2121x12曲线2i3t1t21x曲线3i4t31x曲线3i5t5为常数曲线4拟稳态假设成立时p?x曲线拟稳态假设不成立时的px关系式引发反终止反应p?x关系式间歇操作连续操作i1t5p?4k12曲线5p?2k1x12i4t5p?2k12曲线612i5t3拟稳态假设不成立时p?x曲线聚合度dpxndegreepolymerization
一、平均聚合度
数均聚合度
Pn
j[ P ]
j 2 j
[ P ]
j 2 j
[ M ]0 [ M ] [ P]
重均聚合度
PW
j 2 [ Pj ]
j 2
j[ Pj ]
j 2
j 2 [ Pj ]
j 2
[ M ]0 [ M ]
Z均聚合度
PZ
j
此时
f n ( j)
P
j
P
k td [ Pj ][P ] k f [ Pj ][Y ] k td [ P ] k f [ P ][Y ]
1
将（3-22）代入上式，得：
1 [P ] ( )[ P ] 1
1
（3-25）
式中，
k P [M ] / ktd [M ] 动力学链长
？
• 动力学链长----定义为每个活性中心从引 发开始到终止所消耗的单体分子个数 • 因此，动力学链长可用增长速率和引发 速率之比求得
32聚合反应速度的工程分析321活性链浓度p与聚合反应机理连锁聚合中引发和转移消耗的单体忽略可得实验决定拟稳态假设成立时的px关系式引发反应终止反应x关系式对应曲线i1t1t212曲线1i2t1t2121x12曲线2i3t1t21x曲线3i4t31x曲线3i5t5为常数曲线4拟稳态假设成立时p?x曲线拟稳态假设不成立时的px关系式引发反终止反应p?x关系式间歇操作连续操作i1t5p?4k12曲线5p?2k1x12i4t5p?2k12曲线612i5t3拟稳态假设不成立时p?x曲线聚合度dpxndegreepolymerization
一、平均聚合度
数均聚合度
Pn
j[ P ]
j 2 j
[ P ]
j 2 j
[ M ]0 [ M ] [ P]
重均聚合度
PW
j 2 [ Pj ]
j 2
j[ Pj ]
j 2
j 2 [ Pj ]
j 2
[ M ]0 [ M ]
Z均聚合度
PZ
j
此时
f n ( j)
P
j
P
k td [ Pj ][P ] k f [ Pj ][Y ] k td [ P ] k f [ P ][Y ]
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。
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第一节 化学反应和反应器分类
1．按反应物料的相态分类：
第一节 化学反应和反应器分类
2．按反应器的结构类型分类
第一节 化学反应和反应器分类
(1)管式反应器(Pipe reactor) 它主要应用于快速的气相和液相反应。对有压力
的反应尤为适用。 如高压聚乙烯可采用管式反应器生产。使用管式
也可以利用物理化学的分析方法，如测定反应物 系的各种物理性质如压力，密度，折光率、旋光 度、导电度等，然后根据这些物理性质与浓度的 关系，换算为各物料的浓度，再加以数据处理， 实验数据的处理有积分法和微分法等。
第二节 均相反应动力学
1、积分法 本法是根据对一个反应的初步认识，先推测该动
聚合物反应工程
第七章 搅拌聚合釜的放大 第一节 概述 第二节 搅拌聚合釜的传热放大 第三节 搅拌聚合釜的搅拌放大 第四节 非几何相似放大 第五节 放大准则确定
聚合物反应工程
第八章 聚合过程及聚合反应器 第一节 工业聚合方法 第二节 聚合反应器 第三节 聚合反应器选择原则 第四节 聚合过程实例
(2)釜式反应器（Kettle reactor) 釜式反应器是生产中最广泛使用的一种反
应器型式。 适用于液相，液-液相、气—液相及液—固
相反应，多数情况下，在反应釜中设有搅 拌装置及传热装置。
第一节 化学反应和反应器分类
(3)塔式反应器（Tower reactor) 这是一种长径比较大的反应器，在其内部可设
（2）反应器内物料的浓度沿着流动方向面改变， 故反应运率随空间位置而改变 反应速率的变化只 限于反应器的轴向。
第一节 化学反应和反应器分类
2．理想混合流反应器 由于反应器中强烈的搅拌作用，使刚进入反应器
的物料微元与器内原有的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。这种流动型态谓之理想混 合流，与之相适应的反应器称为理想混合流反应 器。
反应的可逆性：可逆、不可逆
化学反应特征
反应分子（官能团）：1、2、 3… 放热 、 吸热
反应级数：0、1、2、3…
第一节 化学反应和反应器分类
2、按反应物的相态分类
第一节 化学反应和反应器分类
3型按反应操作的条件分类：对工程上讲主 要是按操作条件分类
第一节 化学反应和反应器分类
二、反应速率
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。
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。
下面是各章节的目录
聚合物反应工程
第一章 绪论 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
第一节 化学反应和反应器分类
反应速率常数K只随温度而变，它与温度的关系
如下：
式中A。是常数，称为频率因子； E 为活化能； R 为气普适用常数。 Ao的单位随反应级数不同而异， 若r1的单位为mol/L s， C的单位为mol／L
第一节 化学反应和反应器分类
三、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。物料在其中发主反应的设备称 之反应器。在反应器中物料经化学变化而形成产 品，所以可把反应器看作化工生产的心脏部分， 就工业反应器来说有各种各样的型式，故不可能 对其系统的加以分类，他对种类繁多的反应器可 以找一些它们所共有的特征，从不同的角度对反 应器进行分类。
在工程设计上，常常把比较接近某种理想流动型态 的过程当作理想流动来处理。
第二节 均相反应动力学
动力学方程式的建立是以实验数据为基础的，测 定动力学数据的实验室反应器．可以是间歇操作的， 也可以是连续操作的，对于均匀的液相反应，大多 采用间歇操作的反应器。
第二节 均相反应动力学
在等温的条件下进行化学反应，然后利用化学分 析的方法，得到不同反应时间的各物料浓度的数 据，对这些数据进行适当的数学处理就可以得到 动力学方程式。
第一节 化学反应和反应器分类
(3)半连续反应器。这种反应器的操作方式是预先 将某些反应物料在反应前—次加入反应器，而其 余反应物料则是在反应过程中连续加入，或者在 反应过程中将某种产物连续地从反应器中取出， 此类操作属非稳态过程。
半连续操作的目的在于在特定的目的下控制反应 条件。连续取出某一产物，则可使产物在体系内 维持较低的浓度，从而有利于可逆反应转化率的 提高。
第一节 化学反应和反应器分类
（2-3）
第一节 化学反应和反应器分类
同一反应按不同组分所计算得到的反应速 率在数值上可能不等，但根据反应分子数 的计算关系，各组分反应速率间存在如下 关系。
第一节 化学反应和反应器分类
通常可用幂函数的形式表示：
式中rA为反应速率常数。a1 a2为实验测定 的常数．反应的总级数为a1+ a2 对于基元 反应a1 a2分 别与计算方程式中的a、b 相 等。若反应是由若干个基元反应组成的反 应级数需用实验测定。
第一章 绪论
聚合反应工程是高分子化学、化学工程诸学科相互 渗透而发展超来的分支。
与低分子反应相比，聚合反应和聚合物生产有以 下特点。
1．反应机理多样； 2．在聚合过程中，聚合度及其分布．共聚物组成
及其分布和序列分布。聚合物结构，以至聚合物性 能等问题； 3．多数聚合物体系粘室很高 4．所以各种化工基础数据甚为缺乏
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》 《化学反应工程分析》研究生教材，高教出版社 教材 史子瑾 《聚合反应工程基础》化学工业出版社
2006。6
聚合物反应工程
第三章 聚合反应工程分析 第一节 概述 第二节 聚合反应速度的工程分析 第三节 聚合物的聚合度和聚合度的表示方法 第四节 连锁聚合反应的平均聚合度及聚合度分
布 第五节 粘度对聚合反应的影响
聚合物反应工程
第三章 聚合反应工程分析 第六节 均相自由基共聚 第七节 缩聚反应 第八节 非均相聚合反应 第九节 流动与混合对聚合物分布的影响 第十节 聚 0 0
工 程
8
9
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
对于均相反应一般以反应体积为基础，
反应速率可定义为单位时间，单位反应体积中所 生成(或消失）的某组份的摩尔数。
ri
1 v
dni dt
（2-1）
式中
ri为反应速率； v 为反应容积； t 为反应时间； i 为其中的第i组分 。
第一节 化学反应和反应器分类
C： 为i组份的浓度 （2-2） ri：为反应速率
第一节 化学反应和反应器分类
第一节 化学反应和反应器分类
四、连续流动反应器内流体流动的两种理想型态
连续反应器按物料在其间的流动型态可以分为平 推流反应器(或称活塞流、柱塞流、理想置换反应 器)，理想混合流反应器(或称完全混合反应器)及 非理想流动反应器三种。造成上述三种反应器中 流体流动型态不一的原因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 年令的流体微元间的混合。返混代表时间上的逆 向混合，而不是空间上的逆向混合．
微元在反应器中的停留刚间极不相同，有的微元 在器内停留很长时间，而有的很快流过反应器， 这样在反应器内存在着停留时间自零至无穷人的 各种徽元，因而就产生了微元的停留时间分布问
第一节 化学反应和反应器分类
平推流和理想混合流是为了分析方便而人为的加以 理想化的二种极端的流动型态，平推流反应器中不 存在返混，而理想混合流反应器中返混最大，工业 上所使用的实际反应器由于种种原因而产生死角， 沟流，傍路、短路及不均匀的速度分布使之偏离理 想流动，这种偏离谓之非理想流动。相应的反应器 即为非理想流动反应器，在其中存在部分的返混。
第一节 化学反应和反应器分类
第一节 化学反应和反应器分类
3．按操作方式分类 (1)间歇反应器在反应前先将反应物一次放入反
应器内，当反应达到规定转化率后，取出反应物 由于在反应过程中反应物料的浓度随时间不断变 化，所以间歇反应是不稳定过程。这类反应器通 常是使用釜式反应器。间歇反应器能用一釜进行 多品种的生产，操作灵活、弹性大，投资少。 间歇反应器操作时需要较多的辅助时间。 (2）连续反应器，反应器操作是反应物料连续进 入反应器内并由引出反应产物。反应器内任一点 的组成不随时间改变，此类反应器可采用釜式。 管式或塔式。
第二章 化学反应工程基础
本章主要讨论几种典型的均相反应装置的性 能．特征及其计算方式，以及反应器的流动模型。
内容涉及等温情况下动力学方程式的建立。各类 反应器没计基本原理，返混对化学反应的影响。 停留时间分布的测定及数字特征、理想与非理想 流动模型、模型参数与化学反应的关系．混合状 态对化学反应的影响，通过本章学习主要掌握：
第一节 化学反应和反应器分类
I．平推流反应器
当反应物料在长径比很大的反应器中(如在管式 反应器中)流动时，反应器内每—微元体积中的流 体均以同样的速度向前移动，如活塞在汽缸中滑 动一样。此时在流体的流动方向上不存在返混。 这种流动型态谓之平推流。平推流反应器具有以 下特点。